Как размягчаются и переплетаются мозги насекомых во время метаморфоза
Помнят ли фруктовые мухи свою личиночную жизнь? Чтобы выяснить, ученые заставили нейроны внутри личинок светиться, а затем отслеживали, как они перераспределялись, формируя взрослые мозги.
#метаморфоза #насекомые #головноймозг #память #исследования #эволюция #ассоциативнаяпамять #нервнаясистема #гены #молекулярныйуровень
Летом, в тёплые ночи, зелёные кружевницы порхают вокруг ярких фонарей во дворах и на пикниковых местах. Эти насекомые, с покровоподобными крыльями, легко отвлекаются от своего естественного увлечения - пить нектар цветов, избегать хищных летучих мышей и размножаться. Небольшие скопления их яиц висят на длинных стеблях на нижней стороне листьев и колышутся на ветру, словно феерические огни.
Висящие яичные ансамбли не только красивы, но и практичны: они не дают вылупившимся личинкам сразу съесть их ещё неродившихся сородичей. Личинки кружевниц с косолапыми челюстями, пронзающими добычу и высасывающими её, являются "жестокими", - говорит Джеймс Труман, профессор эмеритус развития, клеточной и молекулярной биологии Университета Вашингтона. "Это как 'Красавица и Чудовище' в одном существе".
Такую двойственность Джекила и Хайда обеспечивает метаморфоза, явление, наиболее известное по превращению гусениц в бабочек. В своей самой крайней форме, полной метаморфозы, ювенильные и взрослые особи выглядят и действуют как совершенно разные виды. Метаморфоза - не исключение в животном мире; она почти правило. Более 80 процентов известных видов животных сегодня, в основном насекомых, амфибий и морских беспозвоночных, проходят какую-то форму метаморфоза или имеют сложные, многоступенчатые жизненные циклы.
Процесс метаморфозы вызывает много загадок, но некоторые из самых глубоких загадок связаны с нервной системой. В центре этого явления находится мозг, который должен кодировать не одну, а несколько разных идентичностей. Ведь жизнь летающего, ищущего партнера насекомого сильно отличается от жизни голодной гусеницы. За последние полвека исследователи исследовали вопрос о том, как сеть нейронов, кодирующая одну идентичность - голодной гусеницы или убийственной личинки кружевницы, переходит к кодированию взрослой идентичности, которая охватывает совершенно другой набор поведений и потребностей.
Труман и его команда теперь узнали, насколько метаморфоза перестраивает части мозга. В недавнем исследовании, опубликованном в журнале eLife, они проследили десятки нейронов в мозгах плодовых мух, проходящих через метаморфозу. Они обнаружили, что, в отличие от измученного главного героя рассказа Франца Кафки «Превращение», который просыпается однажды в виде чудовищного насекомого, взрослые насекомые, вероятно, не могут помнить многое из своей личинки. Хотя многие из личинчатых нейронов в исследовании продолжали существовать, часть мозга насекомого, которую изучала группа Трумана, была существенно перекоммутирована. Этот пересмотр нейронных связей отражал сходство с таким же радикальным изменением поведения насекомых, когда они менялись с ползающих, голодных личинок на летающих, ищущих партнеров взрослых особей.
Их результаты - это "самый детализированный пример до настоящего времени" того, что происходит с мозгом насекомого, проходящего метаморфозу, - говорит Дениз Эрезилемаз, научный сотрудник-постдок в Центре нейронных контуров и поведения Университета Оксфорда, ранее работавшая в лаборатории Трумана, но не участвовавшая в этой работе. Эти результаты могут применяться к многим другим видам на Земле, добавляет она.
Вне подробного описания того, как мозг личинки созревает во взрослый мозг, новое исследование предоставляет подсказки о том, как эволюция сделала такое дикий отклонение в развитии этих насекомых. "Это величественное произведение", - сказал Бертрам Гербер, нейронаукой поведения из Лейбницского института нейробиологии, который не участвовал в исследовании, но был соавтором связанного комментария для eLife. "Это действительно кульминация 40 лет исследований в этой области".
"Я называю это 'Статья' с заглавной буквы", - сказал Даррен Уильямс, исследователь в области развивающейся нейробиологии в Королевском колледже Лондона, который не участвовал в исследовании, но является давним сотрудником Трумана. "Это будет фундаментально важно... для множества вопросов".
Обход на пути к зрелости
Первые насекомые, появившиеся 480 миллионов лет назад, вылуплялись из яиц, выглядящих как уменьшенные версии взрослых особей, или же они продолжали свое "прямое развитие", чтобы постепенно приближаться к своей взрослой форме, как это делают сегодня кузнечики, сверчки и некоторые другие насекомые. Полная метаморфоза, кажется, возникла только около 350 миллионов лет назад, до появления динозавров.
Большинство исследователей сейчас считают, что метаморфоза развилась, чтобы уменьшить конкуренцию за ресурсы между взрослыми особями и их потомками: перевод личинок в совершенно другую форму позволил им питаться совершенно другой пищей, чем ели взрослые особи. "Это была отличная стратегия", - сказал Труман. Насекомые, начавшие проходить полную метаморфозу, такие как жуки, мухи, бабочки, пчелы, оси и муравьи, взорвались в количестве.
Исследователь Джеймс Труман из Университета Вашингтона провел десятилетия своей карьеры, пытаясь понять, как и почему произошла метаморфоза. ФОТОГРАФИЯ: ЛИНН РИДДИФОРД
Когда Труман был ребенком, он проводил часы, наблюдая за процессом насекомых. Особенно его заинтриговала ярость личинки по сравнению с нежностью взрослого насекомого, "Я был восхищен этим", - сказал он.
Его детская страсть в конечном итоге превратилась в карьеру и семью. После того, как он женился на своем докторском наставнике Линн Риддифорд, которая является также профессором-эмеритом в Университете Вашингтона, они путешествовали по всему миру, собирая насекомых, проходящих метаморфозу, и других, которые этого не делают, чтобы сравнить их развитие.
В то время как Риддифорд сосредоточилась на влиянии гормонов на метаморфоз, Труман больше всего интересовался мозгом. В 1974 году он опубликовал первую статью о том, что происходит с мозгом во время метаморфоза, в которой он отслеживал количество моторных нейронов у гусеницы и взрослого экземпляра. С тех пор было проведено множество исследований, которые подробно описывают различные нейроны и части мозга гусениц и взрослых, но они являются либо анекдотическими, либо фокусируются на очень малых аспектах процесса. "У нас не было четкой картины", - сказал Труман.
Труман знал, что для того, чтобы действительно понять, что происходит с мозгом, ему нужно было иметь возможность проследить за отдельными клетками и цепями в процессе. Нервная система плодовой мухи предоставила практическую возможность для этого: хотя большинство клеток тела гусеницы плодовой мухи умирают, когда она превращается во взрослого экземпляра, многие нейроны в ее мозгу остаются неизменными.
"Нервная система никогда не смогла изменить способ создания нейронов", - сказал Труман. Это частично связано с тем, что нервная система всех насекомых возникает из ряда стволовых клеток, называемых нейробластами, которые превращаются в нейроны. Этот процесс старше самой метаморфозы и не может быть легко изменен после определенного этапа развития. Поэтому, даже когда почти все остальные клетки тела гусеницы плодовой мухи уничтожаются, большинство изначальных нейронов перерабатываются, чтобы функционировать заново у взрослого экземпляра.
Перестроенный разум
Многие люди представляют себе, что во время метаморфоза, когда клетки гусеницы начинают умирать или перестраиваться, тело насекомого внутри своего кокона или экзоскелетного чехла превращается во что-то вроде супа, где все оставшиеся клетки свободно скользят вместе. Но это не совсем правильно, объяснил Труман. "У всего есть свое положение... но это очень хрупко, и если вы откроете животное, все просто разорвется", - сказал он.
Чтобы проследить изменения в мозге в этой желеобразной массе, Труман и его коллеги исследовали генетически модифицированные гусеницы плодовой мухи, у которых определенные нейроны под микроскопом светились зеленым флуоресцентным цветом. Они обнаружили, что эта флуоресценция часто исчезает во время метаморфоза, поэтому они использовали генетическую технику, которую они разработали в 2015 году, чтобы включить красную флуоресценцию в тех же нейронах, дав насекомым определенный препарат.
Это "довольно крутой метод", - сказал Андреас Тум, нейробиолог из Лейпцигского университета и соавтор комментария с Гербером. Он позволяет рассмотреть не только один, два или три нейрона, но целую сеть клеток.
Исследователи сосредоточились на грибковом теле, области мозга, критической для обучения и памяти гусеницы плодовой мухи и взрослого экземпляра. Эта область состоит из группы нейронов с длинными аксонами, которые расположены параллельными линиями, подобными струнам гитары. Эти нейроны общаются с остальным мозгом через входные и выходные нейроны, которые перемещаются вдоль струн, создавая сеть связей, позволяющую насекомому ассоциировать запахи с хорошими или плохими опытами. Эти сети организованы в отдельные вычислительные отсеки, подобные пространствам между ладами на гитаре. Каждый отсек имеет свою задачу, такую как направление мухи к чему-то или от чего-то.
Труман и его команда обнаружили, что когда личинки проходят метаморфоз, только семь из их 10 нейральных отделений интегрируются в мозговую грибковую тело взрослых особей. Внутри этих семи отделений некоторые нейроны погибают, а некоторые перестраиваются для выполнения новых функций взрослого организма. Все связи между нейронами в мозговом грибковом теле и их входными и выходными нейронами растворяются. На этом этапе превращения «это своего рода идеальная буддийская ситуация, где у вас нет входов, у вас нет выходов», - сказал Гербер. «Это просто я, моё собственное "я"».
Входные и выходные нейроны в трех отделениях личинки, которые не интегрируются в мозговое грибковое тело взрослых особей, полностью отбрасывают свою прежнюю идентичность. Они покидают мозговое грибковое тело и интегрируются в новые мозговые цепи в других частях взрослого мозга. «Вы бы не знали, что это одни и те же нейроны, если бы мы не смогли следить за ними генетически и анатомически», - сказал Труман.
Исследователи предполагают, что эти переселяющиеся нейроны являются временными гостями в мозговом грибковом теле личинки, выполняя необходимые личинчатые функции в течение некоторого времени, а затем возвращаясь к своим предыдущим задачам во взрослом мозге. Это соответствует идее о том, что взрослый мозг является более древней формой в предках, а более простой мозг личинки является производной формой, появившейся намного позже.
Иллюстрация: Мэррилл Шерман / Quanta
В дополнение к переделанным личиночным нейронам, с появлением личинки появляется много новых нейронов. Эти нейроны не используются личинкой, но во время метаморфоза они созревают, чтобы стать входными и выходными нейронами для девяти новых вычислительных отделов, которые являются специфичными для взрослых.
Грибковый головной мозг у личинки выглядит очень похожим на взрослую версию, сказал Тум, но "перемычка действительно интенсивная". Это похоже на то, что входы и выходы вычислительной машины были нарушены, но все же сохраняют свою беспроводную функциональность, сказал Гербер. "Это почти так, как если бы вы намеренно выключили и включили" машину.
В результате грибковый головной мозг взрослого "фундаментально ... совершенно новая структура", сказал К. ВиджайРагхаван, эмерит-профессор и бывший директор Национального центра биологических наук Индии, являющийся главным редактором статьи и не участвовавший в исследовании. Нет анатомических указаний на то, что память могла бы выжить, добавил он.
Хрупкость памяти
Исследователи были заинтересованы этим вопросом о том, могут ли память личинки сохраниться у взрослого насекомого, сказал Уильямс, но ответ был неоднозначным.
Типы памяти, которые находятся в грибковом головном мозге плодовой мухи, являются ассоциативными памятью, той, которая связывает две разные вещи - тот тип памяти, который заставлял собак Павлова слюниться при звуке колокольчика, например. Для плодовой мухи ассоциативные памяти обычно связаны со запахами и они направляют муху к чему-то или от чего-то.
Однако их вывод о том, что ассоциативные памяти не могут сохраниться, может быть неверным для всех видов. Например, личинки бабочек и жуков вылупляются с более сложными нервными системами и большим количеством нейронов, чем у личинок плодовых мух. Поскольку их нервные системы изначально более сложные, их, возможно, не нужно так сильно переделывать.
Фруктовые мухи проходят одну из самых экстремальных форм полного превращения. За исключением определенных нейронов, почти все их личинки заменяются новыми клетками, когда они становятся взрослыми. ФОТОГРАФИЯ: ДР. ДЖЕРЕМИ БЕРДЖЕС/БИБЛИОТЕКА НАУКОВЫХ ФОТОГРАФИЙ.
Предыдущие исследования обнаружили доказательства того, что другие виды памяти могут сохраняться у некоторых видов. Например, Гербер объяснил, что наблюдения и эксперименты показывают, что многие виды насекомых проявляют предпочтение к размножению на тех же типах растений, на которых они развивались: личинки, рожденные и выращенные на яблонях, взрослыми склонны откладывать яйца на яблони. "Так что возникает вопрос, как связаны эти два типа наблюдений", - сказал он. Как эти предпочтения сохраняются, если память не сохраняется? Одна из возможностей состоит в том, что ассоциативная память не сохраняется, но другие типы памяти, находящиеся в других частях мозга, сохраняются, сказал он.
Данные предоставляют возможности для сравнения развития нервных систем у животных, претерпевающих метаморфоз, и у тех, которые этого не делают. Нервная система насекомых достаточно сохранялась в процессе эволюции, чтобы исследователи могли определить эквивалентные нейроны у видов с прямым развитием, таких как сверчки и кузнечики. Сравнения между ними могут ответить на вопросы, такие как то, как отдельные клетки изменились от одиночных до множественных идентичностей. Это "невероятно мощный сравнительный инструмент", - сказал Уильямс.
Тум считает, что было бы интересно увидеть, в чем может заключаться различие в перестройке мозга у насекомых, живущих в разных средах, и могут ли память сохраняться у любого из них. Гербер интересуется тем, совпадают ли клеточные механизмы в метаморфозе насекомых с таковыми у других животных, проходящих вариации процесса, например, личинки, превращающиеся в лягушек, или неподвижные существа-гидры, превращающиеся в медуз. "Может быть, вы даже смешным образом зададите себе вопрос, стоит ли рассматривать подростковый возраст как своего рода метаморфоз", - сказал он.
Труман и его команда надеются опуститься на молекулярный уровень, чтобы увидеть, какие гены влияют на созревание и эволюцию нервной системы. В 1971 году исследователи выдвинули гипотезу в теоретической статье о том, что тройка генов направляет процесс метаморфоза насекомых, идея, которую Риддифорд и Труман дальше подтвердили в статье 2022 года. Но механизмы, стоящие за тем, как эти гены работают для изменения тела и мозга, остаются неясными.
Конечная цель Трумана - убедить нейрон принять свою взрослую форму в мозге личинки. Успешное взломывание этого процесса может означать, что мы действительно понимаем, как эти насекомые создают множественные идентичности со временем.
Неизвестно, какими будут шаблоны переорганизации в других частях мозга. Но вероятно, что некоторые аспекты познавательных способностей и реакций мухи-плодовки на мир, осознаваемые или нет, формируются ее личинчатой жизнью, сказал Труман. "Задача заключается в том, чтобы выяснить природу и степень этих эффектов."