따뜻한 여름 밤에는 녹색 풀잠자리가 뒷마당과 캠프장에서 밝은 등불 주위를 펄럭입니다. 베일과 같은 날개를 가진 곤충은 꽃 꿀을 홀짝이는 자연적인 집착에서 쉽게 산만해지며 포식성 박쥐를 피하고 번식합니다. 그들이 낳은 알의 작은 클러치는 잎 밑면의 긴 줄기에 매달려 있고 바람에 꼬마 전구처럼 흔들립니다.

매달린 알의 앙상블은 아름답지만 실용적입니다. 부화하는 유충이 부화하지 않은 형제를 즉시 먹지 않도록 합니다. 먹이를 꿰뚫고 빨아먹는 낫 모양의 턱을 가진 풀잠자리 애벌레는 "사악하다"고 말했습니다. 제임스 트루먼, 워싱턴 대학의 발달, 세포 및 분자 생물학 명예 교수. "한 마리 동물의 '미녀와 야수' 같아요."

이 지킬-하이드 이분법은 애벌레가 나비로 변하는 것으로 가장 잘 알려진 현상인 변태에 의해 가능해졌습니다. 가장 극단적인 형태인 완전한 변태에서, 유년기와 성체는 완전히 다른 종처럼 보이고 행동합니다. 변태는 동물계에서 예외가 아닙니다. 그것은 거의 규칙입니다. 80 % 초과 오늘날 알려진 동물 종, 주로 곤충, 양서류 및 해양 무척추 동물은 어떤 형태의 변태를 거치거나 복잡한 다단계 생활 주기를 갖습니다.

변태의 과정은 많은 미스터리를 제시하지만 가장 심오한 수수께끼 중 일부는 신경계에 집중되어 있습니다. 이 현상의 중심에는 하나가 아닌 여러 개의 서로 다른 정체성을 코딩해야 하는 뇌가 있습니다. 결국, 날아다니며 짝을 찾는 곤충의 삶은 배고픈 애벌레의 삶과 매우 다릅니다. 지난 반세기 동안 연구원들은 배고픈 애벌레 또는 살인적인 풀잠자리 애벌레와 같은 하나의 정체성을 암호화하는 뉴런 네트워크가 어떻게 완전히 다른 일련의 행동과 요구를 포함하는 성인 정체성을 암호화하도록 전환하는지에 대한 질문을 조사했습니다. .

Truman과 그의 팀은 이제 얼마나 많은 변태가 뇌의 일부를 재편성하는지 알게 되었습니다. ~ 안에 최근 연구 저널에 발표 eLife, 그들은 변태를 겪는 초파리의 뇌에서 수십 개의 뉴런을 추적했습니다. 프란츠 카프카(Franz Kafka)의 단편 소설 “변신(The Metamorphosis)”에서 어느 날 괴물 같은 곤충으로 깨어난 괴로워하는 주인공과는 달리 성충은 애벌레의 삶을 거의 기억하지 못한다는 사실을 발견했습니다. 연구에서 많은 애벌레 뉴런이 견뎌냈지만 Truman 그룹이 조사한 곤충 뇌의 일부는 극적으로 재배선되었습니다. 그 신경 연결에 대한 정밀 검사는 기어다니는 굶주린 애벌레에서 날아다니며 짝을 찾는 성충으로 변하면서 곤충의 행동에 있어 유사하게 극적인 변화를 반영했습니다.

그들의 발견은 변태를 겪고 있는 곤충의 뇌에 일어나는 일에 대한 "현재까지 가장 상세한 예"라고 말했습니다. 데니즈 에레질마즈, 옥스퍼드 대학교 신경 회로 및 행동 센터의 박사후 연구원으로 Truman의 연구실에서 일했지만 이 작업에는 참여하지 않았습니다. 결과는 지구상의 다른 많은 종에 적용될 수 있다고 그녀는 덧붙였다.

애벌레의 뇌가 성인의 뇌로 어떻게 성숙하는지 자세히 설명하는 것 외에도, 새로운 연구는 진화가 어떻게 이 곤충들의 발달이 그렇게 거친 우회를 하게 했는지에 대한 단서를 제공합니다. 기념비적인 작품"이라고 말했다. 버트람 거버Leibniz Institute for Neurobiology의 행동 신경과학자로서 이 연구에는 참여하지 않았지만 관련 논평 for eLife. "이 분야에서 40년 간 연구한 결과가 정말 절정입니다."

"저는 이것을 대문자로 'The Paper'라고 부릅니다."라고 말했습니다. 대런 윌리엄스, 연구에 참여하지 않았지만 Truman 's의 오랜 협력자 인 King 's College London의 발달 신경 생물학 연구원. "근본적으로 중요할 것입니다... 많은 질문에 대해."

어른으로 가는 길의 우회로

480억 350천만 년 전 최초의 곤충은 성체의 작은 버전과 매우 흡사한 알에서 나왔거나 오늘날 메뚜기, 귀뚜라미 및 일부 다른 곤충이 그러하듯이 계속해서 성체 형태에 가까워지기 위해 "직접 발달"을 계속했습니다. 완전한 변태는 공룡이 출현하기 전인 약 XNUMX억 XNUMX천만 년 전에 곤충에서 발생한 것으로 보입니다.

이제 대부분의 연구자들은 변태가 성충과 자손 사이의 자원 경쟁을 줄이기 위해 진화했다고 믿고 있습니다. 애벌레를 매우 다른 형태로 전환하면 성충과 매우 다른 음식을 먹을 수 있습니다. 트루먼은 "훌륭한 전략이었다"고 말했다. 딱정벌레, 파리, 나비, 벌, 말벌, 개미와 같이 완전한 변태를 하기 시작한 곤충의 수가 폭발적으로 증가했습니다.

Truman이 어렸을 때 그는 곤충이 그 과정을 거치는 것을 지켜보며 몇 시간을 보냈습니다. 특히 풀잠자리의 경우 “성충의 연약한 본성에 비해 유충의 사나움에 흥미를 느꼈습니다.”라고 그는 말했습니다.

그의 어린 시절의 열정은 결국 직업과 가족으로 바뀌었습니다. 박사과정 지도교수와 결혼한 후, 린 리디포드워싱턴 대학의 명예 교수이기도 한 은 변태하는 곤충과 변태하지 않는 곤충을 수집하여 발달 경로를 비교하기 위해 전 세계를 여행했습니다.

Riddiford가 호르몬이 변태에 미치는 영향에 초점을 맞추는 동안 Truman은 뇌에 가장 관심이 많았습니다. 1974년에 그는 출판 첫 번째 논문 변태 동안 뇌에 일어나는 일에 대해 그는 뿔벌레 유충과 성충의 운동 뉴런 수를 추적했습니다. 그 이후로 수많은 연구가 애벌레와 성충의 뇌의 다른 뉴런과 부분을 자세히 설명했지만 일화적이거나 프로세스의 매우 작은 측면에 초점을 맞췄습니다. Truman은 "우리는 큰 그림이 많지 않았습니다."라고 말했습니다.

Truman은 뇌에 무슨 일이 일어나고 있는지 진정으로 이해하려면 그 과정을 통해 개별 세포와 회로를 추적할 수 있어야 한다는 것을 알고 있었습니다. 초파리의 신경계는 그렇게 할 수 있는 실용적인 기회를 제공했습니다. 초파리 유충의 체세포 대부분이 성충으로 변할 때 죽지만 뇌의 많은 뉴런은 그렇지 않습니다.

"신경계는 뉴런을 만드는 방식을 결코 바꿀 수 없었습니다." 트루먼이 말했습니다. 그것은 부분적으로 모든 곤충의 신경계가 뉴런으로 성숙하는 신경모세포라고 하는 일련의 줄기 세포에서 발생하기 때문입니다. 그 과정은 변태 그 자체보다 오래되었으며 특정 발달 단계 후에 쉽게 수정되지 않습니다. 따라서 초파리의 유충 몸체에 있는 거의 모든 다른 세포가 제거되더라도 대부분의 원래 뉴런은 성충이 되어 새롭게 기능하도록 재활용됩니다.

개조된 마음

많은 사람들은 변태 중에 애벌레 세포가 죽거나 재배열되기 시작하면서 고치나 외골격 껍질 안에 있는 곤충의 몸체가 수프와 같은 것으로 변하고 나머지 모든 세포가 유동적으로 함께 미끄러지는 것으로 상상합니다. 그러나 그것은 옳지 않다고 트루먼은 설명했다. "모든 것은 위치가 있습니다. 하지만 정말 섬세합니다. 동물을 열면 모든 것이 폭발합니다."라고 그는 말했습니다.

그 젤라틴 덩어리의 뇌 변화를 지도화하기 위해 Truman과 그의 동료들은 현미경에서 형광 녹색으로 빛나는 특정 뉴런을 가진 유전자 조작 초파리 유충을 면밀히 조사했습니다. 그들은 이 형광이 변태 과정에서 종종 희미해지는 것을 발견했고, 그래서 그들은 유전적 기술을 사용했습니다. 그들은 개발했다 2015년 곤충에게 특정 약물을 투여하여 동일한 뉴런에서 적색 형광을 켭니다.

"매우 멋진 방법"이라고 말했습니다. 안드레아스 툼, 라이프치히 대학의 신경과학자이자 Gerber와 함께 논평의 공동 저자. 이를 통해 하나, 둘 또는 세 개의 뉴런이 아니라 전체 세포 네트워크를 볼 수 있습니다.

연구자들은 초파리 유충과 성충의 학습과 기억에 중요한 뇌 영역인 버섯 몸체에 집중했습니다. 이 영역은 기타 줄과 같은 평행선에 놓인 긴 축삭 꼬리를 가진 뉴런 다발로 구성됩니다. 이 뉴런은 끈 안팎으로 짜여진 입력 및 출력 뉴런을 통해 뇌의 나머지 부분과 통신하여 곤충이 냄새를 좋거나 나쁜 경험과 연관시킬 수 있는 연결 네트워크를 만듭니다. 이러한 네트워크는 기타의 프렛 사이 공간과 같은 별개의 계산 구획에 배열됩니다. 각 구획에는 파리를 안내하거나 무언가로부터 멀어지게 하는 것과 같은 작업이 있습니다.

Truman과 그의 팀은 애벌레가 변태를 겪을 때 10개의 신경 구획 중 XNUMX개만이 성체 버섯 몸체에 통합된다는 것을 발견했습니다. 이 XNUMX개 내에서 일부 뉴런은 죽고 일부는 새로운 성인 기능을 수행하기 위해 리모델링됩니다. 버섯 몸체의 뉴런과 입력 및 출력 뉴런 사이의 모든 연결이 해제됩니다. 이 변형 단계에서 “입력도 출력도 없는 궁극적인 불교적 상황”이라고 Gerber는 말했습니다. "그냥 나야, 나 자신과 나야."

XNUMX개의 애벌레 구획에 있는 입력 및 출력 뉴런은 성체 버섯 몸체에 통합되지 않고 이전 정체성을 완전히 벗어났습니다. 그들은 버섯 몸체를 떠나 성인 뇌의 다른 곳에서 새로운 뇌 회로에 통합됩니다. Truman은 "우리가 유전적으로나 해부학적으로 그것들을 추적할 수 있었다는 점을 제외하고는 그것들이 동일한 뉴런이라는 것을 알지 못할 것입니다."라고 말했습니다.

연구원들은 이러한 재배치 뉴런이 애벌레 버섯 몸체의 일시적인 손님일 뿐이며 잠시 동안 필요한 애벌레 기능을 수행한 다음 성인 뇌에서 조상 작업으로 돌아가는 것이라고 제안합니다. 그것은 성체의 뇌가 혈통 내에서 더 오래되고 조상의 형태이며 더 단순한 애벌레의 뇌는 훨씬 나중에 나온 파생 형태라는 생각과 일치합니다.

개조된 애벌레 뉴런 외에도 애벌레가 성장함에 따라 많은 새로운 뉴런이 탄생합니다. 이 뉴런은 애벌레가 사용하지 않지만 변태 시 성숙하여 성인에 특정한 XNUMX개의 새로운 계산 구획에 대한 입력 및 출력 뉴런이 됩니다.

애벌레의 버섯 몸체는 성체 버전과 매우 유사해 보이지만 "재배선이 정말 강렬합니다."라고 Thum은 말했습니다. 마치 계산 기계의 입력과 출력이 모두 중단되었지만 여전히 무선 기능을 유지하는 것과 같다고 Gerber는 말했습니다. “의도적으로 기계의 플러그를 뽑았다가 다시 꽂는 것과 같습니다.”

그 결과, 성인 뇌의 버섯 모양의 몸은 "근본적으로... 완전히 새로운 구조"라고 말했습니다. K. 비제이라가반, 명예 교수이자 전 인도 국립생물과학센터 소장으로 이 논문의 주 편집자였으며 연구에는 참여하지 않았습니다. 기억이 살아남을 수 있다는 해부학적 징후는 없다고 그는 덧붙였다.

기억의 취약성

연구원들은 애벌레의 기억이 성충에게 전달될 수 있는지에 대한 이 질문에 흥분했지만 윌리엄스는 답이 명확하지 않다고 말했습니다.

초파리의 버섯 몸체에 있는 기억의 유형은 두 가지 다른 것을 함께 연결하는 종류의 연관 기억입니다. 초파리의 연상 기억은 일반적으로 냄새와 관련이 있으며 파리를 무언가로 향하거나 멀어지도록 안내합니다.

그러나 연상 기억이 살아남을 수 없다는 그들의 결론은 모든 종에게 적용되지 않을 수 있습니다. 예를 들어 나비와 딱정벌레 유충은 초파리 유충보다 더 복잡한 신경계와 더 많은 뉴런을 가지고 부화합니다. 그들의 신경계는 더 복잡하게 시작하기 때문에 많이 개조할 필요가 없을 수도 있습니다.

이전 연구에서는 다른 유형의 기억이 일부 종에서 지속될 수 있다는 증거를 발견했습니다. 예를 들어, Gerber는 관찰과 실험을 통해 많은 곤충 종들이 성숙했을 때 동일한 유형의 식물에서 번식하는 것을 선호한다고 설명했습니다. 나중에 사과나무에서 태어나고 자란 애벌레는 성인이 되어 사과나무에 알을 낳는 경향이 있습니다. "그래서 사람들은 이 두 가지 유형의 관찰이 어떻게 관련되는지 궁금합니다."라고 그는 말했습니다. 기억이 없다면 이러한 선호도는 어떻게 유지될까요? 한 가지 가능성은 연관 기억은 전달되지 않지만 뇌의 다른 부분에 보관된 다른 유형의 기억은 전달된다는 것입니다.

데이터는 변태하는 동물과 그렇지 않은 동물의 신경계 발달을 비교할 수 있는 기회를 제공합니다. 곤충의 신경계는 연구자들이 귀뚜라미와 메뚜기 같은 직접 발달하는 종에서 동등한 뉴런을 찾아낼 수 있을 정도로 진화하는 동안 충분히 보존되었습니다. 그들 사이의 비교는 개별 세포가 단일 정체성에서 다중 정체성으로 어떻게 변화했는지와 같은 질문에 답할 수 있습니다. Williams는 "매우 강력한 비교 도구"라고 말했습니다.

Thum은 서로 다른 환경에 사는 곤충 종의 뇌가 재배열되는 방식이 다를 수 있는지, 그리고 기억이 어떤 환경에서도 살아남을 수 있는지를 보는 것이 흥미로울 것이라고 생각합니다. Gerber는 올챙이가 개구리가 되거나 움직이지 않는 히드라 같은 생물이 해파리가 되는 것과 같이 곤충 변태의 세포 메커니즘이 다양한 과정을 겪는 다른 동물에서도 동일한지 궁금합니다. "당신은 우리가 사춘기를 일종의 변태로 봐야 하는지 의아해할 만큼 충분히 미쳤을 수도 있습니다."라고 그는 말했습니다.

Truman과 그의 팀은 이제 어떤 유전자가 신경계의 성숙과 진화에 영향을 미치는지 알아보기 위해 분자 수준으로 내려가기를 희망하고 있습니다. 1971년 연구자들은 이론적 논문에서 유전자 XNUMX개가 곤충의 변태 과정을 지시한다는 가설을 세웠으며 Riddiford와 Truman은 2022 용지. 그러나 이러한 유전자가 신체와 뇌를 개조하기 위해 작동하는 메커니즘은 아직 명확하지 않습니다.

Truman의 궁극적인 목표는 유충의 뇌에서 뉴런이 성인 형태를 취하도록 유도하는 것입니다. 프로세스를 성공적으로 해킹한다는 것은 이 곤충들이 시간이 지남에 따라 어떻게 다중 정체성을 생성하는지 진정으로 이해한다는 것을 의미할 수 있습니다.

재구성의 패턴이 뇌의 다른 곳에서 어떤 것인지는 알 수 없습니다. 그러나 의식이 있든 없든 초파리의 정신적 능력과 세상에 대한 반응의 일부 측면은 애벌레의 삶에 의해 형성될 가능성이 있다고 Truman은 말했습니다. "도전은 이러한 효과의 본질과 정도를 알아내려고 노력하는 것입니다."