Vào những đêm mùa hè ấm áp, những con bọ cánh cứng màu xanh lá cây bay lượn quanh những chiếc đèn lồng sáng ở sân sau và tại các khu cắm trại. Những con côn trùng, với đôi cánh giống như mạng che mặt, dễ dàng bị phân tâm khỏi mối bận tâm tự nhiên của chúng với việc nhấm nháp mật hoa, tránh những con dơi ăn thịt và sinh sản. Những ổ trứng nhỏ mà chúng đẻ treo trên những chiếc cuống dài ở mặt dưới của lá và đung đưa như những ngọn đèn thần tiên trong gió.

Những quả trứng treo lủng lẳng rất đẹp mắt nhưng cũng rất thiết thực: Chúng ngăn không cho ấu trùng mới nở ăn ngay những anh chị em chưa nở của chúng. Với bộ hàm giống như lưỡi liềm có thể đâm con mồi và hút cạn chúng, ấu trùng của bọ xít rất “hung ác”, cho biết James Truman, giáo sư danh dự về phát triển, tế bào và sinh học phân tử tại Đại học Washington. “Giống như 'Người đẹp và quái vật' trong một con vật vậy."

Sự phân đôi Jekyll-and-Hyde này có thể thực hiện được nhờ sự biến thái, hiện tượng được biết đến nhiều nhất với việc biến sâu bướm thành bướm. Trong phiên bản cực đoan nhất của nó, biến thái hoàn toàn, dạng trưởng thành và con non trông và hành động giống như những loài hoàn toàn khác nhau. Biến thái không phải là một ngoại lệ trong vương quốc động vật; nó gần như là một quy luật. Hơn 80% trong số các loài động vật được biết đến ngày nay, chủ yếu là côn trùng, động vật lưỡng cư và động vật không xương sống ở biển, trải qua một số hình thức biến thái hoặc có vòng đời phức tạp, nhiều giai đoạn.

Quá trình biến đổi thể hiện nhiều bí ẩn, nhưng một số bí ẩn sâu sắc nhất tập trung vào hệ thống thần kinh. Trung tâm của hiện tượng này là bộ não, bộ não phải mã hóa không chỉ một mà nhiều danh tính khác nhau. Xét cho cùng, cuộc sống của một con côn trùng đang bay tìm kiếm bạn tình rất khác với cuộc sống của một con sâu bướm đang đói. Trong nửa thế kỷ qua, các nhà nghiên cứu đã thăm dò câu hỏi làm thế nào một mạng lưới tế bào thần kinh mã hóa một danh tính - đó là của một con sâu bướm đói hoặc một ấu trùng bọ xít giết người - thay đổi để mã hóa một danh tính trưởng thành bao gồm một tập hợp các hành vi và nhu cầu hoàn toàn khác. .

Truman và nhóm của ông hiện đã biết được mức độ thay đổi của các bộ phận trong não. TRONG một nghiên cứu gần đây bố trên tạp chí eLife, họ đã truy tìm hàng chục tế bào thần kinh trong não của ruồi giấm đang trải qua quá trình biến thái. Họ phát hiện ra rằng, không giống như nhân vật chính đau khổ trong truyện ngắn “The Metamorphosis” của Franz Kafka, người thức dậy vào một ngày nào đó như một con côn trùng quái dị, côn trùng trưởng thành có thể không nhớ nhiều về cuộc sống ấu trùng của chúng. Mặc dù nhiều tế bào thần kinh của ấu trùng trong nghiên cứu vẫn tồn tại, nhưng phần não côn trùng mà nhóm của Truman kiểm tra đã được lập trình lại một cách đáng kể. Sự đại tu các kết nối thần kinh đó phản ánh một sự thay đổi mạnh mẽ tương tự trong hành vi của côn trùng khi chúng thay đổi từ ấu trùng bò, đói sang bay, tìm kiếm bạn tình.

Phát hiện của họ là “ví dụ chi tiết nhất cho đến nay” về những gì xảy ra với bộ não của một loài côn trùng đang trải qua quá trình biến thái, cho biết. Deniz Erezyilmaz, một nhà khoa học nghiên cứu sau tiến sĩ tại Trung tâm Mạch thần kinh và Hành vi của Đại học Oxford, người từng làm việc trong phòng thí nghiệm của Truman nhưng không tham gia vào công việc này. Cô ấy nói thêm, kết quả có thể áp dụng cho nhiều loài khác trên Trái đất.

Ngoài việc trình bày chi tiết cách não ấu trùng trưởng thành thành não trưởng thành, nghiên cứu mới cung cấp manh mối về cách thức tiến hóa khiến sự phát triển của những loài côn trùng này đi theo một đường vòng hoang dã như vậy. “Đó là một tác phẩm hoành tráng,” nói Bertram Gerber, một nhà thần kinh học hành vi tại Viện Sinh học thần kinh Leibniz, người không tham gia vào nghiên cứu nhưng đồng tác giả một bình luận liên quan cho eLife. “Đó thực sự là đỉnh cao của 40 năm nghiên cứu trong lĩnh vực này.”

“Tôi gọi đây là 'The Paper' viết hoa," nói Darren Williams, một nhà nghiên cứu về sinh học thần kinh phát triển tại Đại học King's College London, người không tham gia vào nghiên cứu nhưng là cộng tác viên lâu năm của Truman's. “Về cơ bản nó sẽ rất quan trọng… đối với rất nhiều câu hỏi.”

Con Đường Đến Tuổi Trưởng Thành

Những loài côn trùng đầu tiên cách đây 480 triệu năm đã xuất hiện từ những quả trứng trông giống như những phiên bản nhỏ hơn của con trưởng thành của chúng, nếu không chúng sẽ tiếp tục “sự phát triển trực tiếp” của mình để dần dần tiến gần hơn đến hình dạng trưởng thành, giống như châu chấu, dế và một số loài côn trùng khác ngày nay. Biến thái hoàn toàn dường như chỉ phát sinh ở côn trùng khoảng 350 triệu năm trước, trước cả khủng long.

Hầu hết các nhà nghiên cứu hiện tin rằng sự biến thái đã tiến hóa để giảm bớt sự cạnh tranh về tài nguyên giữa con trưởng thành và con cái của chúng: Việc biến ấu trùng thành một dạng rất khác cho phép chúng ăn những loại thức ăn rất khác so với con trưởng thành. “Đó là một chiến lược tuyệt vời,” Truman nói. Các loài côn trùng bắt đầu trải qua quá trình biến thái hoàn toàn, như bọ cánh cứng, ruồi, bướm, ong, ong bắp cày và kiến, bùng nổ về số lượng.

Khi Truman còn nhỏ, ông đã dành hàng giờ để quan sát quá trình này của côn trùng. Đặc biệt với loài bọ cánh cứng, “Tôi bị thu hút bởi sự hung dữ của ấu trùng so với bản chất mỏng manh của con trưởng thành,” anh nói.

Niềm đam mê thời thơ ấu của anh cuối cùng đã biến thành sự nghiệp và gia đình. Sau khi ông kết hôn với cố vấn tiến sĩ của mình, Lynn Riddiford, đồng thời là giáo sư danh dự tại Đại học Washington, họ đã đi khắp thế giới, thu thập những loài côn trùng biến hình và những loài khác thì không, để so sánh con đường phát triển của chúng.

Trong khi Riddiford tập trung nghiên cứu tác động của hormone đối với quá trình biến chất, thì Truman lại quan tâm nhiều nhất đến bộ não. Năm 1974, ông xuất bản bài báo đầu tiên về những gì xảy ra với não trong quá trình biến thái, nhờ đó ông đã theo dõi số lượng tế bào thần kinh vận động ở ấu trùng giun sừng và con trưởng thành. Kể từ đó, nhiều nghiên cứu đã mô tả chi tiết các tế bào thần kinh và các bộ phận khác nhau trong não của ấu trùng và người trưởng thành, nhưng chúng chỉ là giai thoại hoặc tập trung vào các khía cạnh rất nhỏ của quá trình. Truman nói: “Chúng tôi không có nhiều bức tranh toàn cảnh.

Truman biết rằng để thực sự hiểu điều gì đang xảy ra với bộ não, ông phải có khả năng theo dõi các tế bào và mạch riêng lẻ trong suốt quá trình. Hệ thống thần kinh của ruồi giấm mang đến một cơ hội thực tế để làm điều đó: Mặc dù hầu hết các tế bào cơ thể của ấu trùng ruồi giấm chết khi nó biến thành con trưởng thành, nhưng nhiều tế bào thần kinh trong não của nó thì không.

Truman nói: “Hệ thống thần kinh chưa bao giờ có thể thay đổi cách nó tạo ra các tế bào thần kinh. Điều đó một phần là do hệ thống thần kinh ở tất cả các loài côn trùng phát sinh từ một dãy tế bào gốc gọi là nguyên bào thần kinh trưởng thành thành tế bào thần kinh. Quá trình đó lâu đời hơn bản thân sự biến chất và không dễ dàng sửa đổi sau một giai đoạn phát triển nhất định. Vì vậy, ngay cả khi gần như tất cả các tế bào khác trong cơ thể ấu trùng của ruồi giấm bị loại bỏ, hầu hết các tế bào thần kinh ban đầu đều được tái tạo để hoạt động trở lại ở ruồi trưởng thành.

Tâm trí được tu sửa

Nhiều người tưởng tượng rằng trong quá trình biến thái, khi các tế bào ấu trùng bắt đầu chết hoặc tự sắp xếp lại, cơ thể côn trùng bên trong kén hoặc vỏ ngoài của nó biến thành một thứ giống như súp, với tất cả các tế bào còn lại trượt xung quanh nhau một cách trôi chảy. Nhưng điều đó không hoàn toàn đúng, Truman giải thích. “Mọi thứ đều có vị trí của nó… nhưng nó thực sự tế nhị, và nếu bạn mở con vật ra, mọi thứ sẽ vỡ tung,” anh nói.

Để lập bản đồ những thay đổi của não trong khối sền sệt đó, Truman và các đồng nghiệp của ông đã xem xét kỹ lưỡng ấu trùng ruồi giấm biến đổi gen có các tế bào thần kinh cụ thể phát ra ánh sáng huỳnh quang màu xanh lá cây dưới kính hiển vi. Họ phát hiện ra rằng huỳnh quang này thường mờ dần trong quá trình biến thái, vì vậy họ đã sử dụng một kỹ thuật di truyền họ đã phát triển vào năm 2015 để kích hoạt huỳnh quang màu đỏ trong cùng tế bào thần kinh bằng cách cho côn trùng uống một loại thuốc đặc biệt.

Đó là một “phương pháp khá hay,” nói Andreas Thum, một nhà thần kinh học tại Đại học Leipzig và là đồng tác giả của bài bình luận với Gerber. Nó cho phép bạn xem xét không chỉ một, hai hoặc ba tế bào thần kinh mà là toàn bộ mạng lưới các tế bào.

Các nhà nghiên cứu đã khoanh vùng trên cơ thể nấm, một vùng não quan trọng cho việc học và ghi nhớ ở ấu trùng và ruồi giấm trưởng thành. Vùng này bao gồm một loạt các tế bào thần kinh có đuôi sợi trục dài nằm trên các đường song song giống như dây đàn guitar. Những tế bào thần kinh này giao tiếp với phần còn lại của não thông qua các tế bào thần kinh đầu vào và đầu ra dệt vào và ra khỏi dây, tạo ra một mạng lưới kết nối cho phép côn trùng liên kết mùi với trải nghiệm tốt hoặc xấu. Các mạng này được sắp xếp trong các ngăn tính toán riêng biệt, giống như khoảng trống giữa các phím đàn trên đàn ghi-ta. Mỗi ngăn có một nhiệm vụ, chẳng hạn như hướng dẫn một con ruồi bay tới hoặc tránh xa một thứ gì đó.

Truman và nhóm của ông đã phát hiện ra rằng khi ấu trùng trải qua quá trình biến thái, chỉ có 10 trong số XNUMX khoang thần kinh của chúng được tích hợp vào cơ thể nấm trưởng thành. Trong bảy tế bào thần kinh đó, một số tế bào thần kinh chết đi và một số tế bào thần kinh được tu sửa lại để thực hiện các chức năng mới của người trưởng thành. Tất cả các kết nối giữa các tế bào thần kinh trong cơ thể nấm và các tế bào thần kinh đầu vào và đầu ra của chúng đều bị giải thể. Ở giai đoạn chuyển đổi này, “nó giống như một tình huống Phật giáo tối thượng mà bạn không có đầu vào, bạn không có đầu ra,” Gerber nói. "Chỉ có mình tôi và chính tôi."

Các tế bào thần kinh đầu vào và đầu ra trong ba khoang ấu trùng không được tích hợp vào cơ thể nấm trưởng thành đã hoàn toàn rũ bỏ bản sắc cũ của chúng. Chúng rời khỏi cơ thể nấm và tích hợp vào các mạch não mới ở những nơi khác trong não người trưởng thành. Truman nói: “Bạn sẽ không biết rằng chúng là những tế bào thần kinh giống nhau, ngoại trừ việc chúng ta có thể theo dõi chúng về cả mặt di truyền và giải phẫu.

Các nhà nghiên cứu cho rằng những tế bào thần kinh tái định cư này chỉ là khách tạm thời trong cơ thể nấm ấu trùng, đảm nhận các chức năng cần thiết của ấu trùng trong một thời gian nhưng sau đó quay trở lại nhiệm vụ tổ tiên của chúng trong não trưởng thành. Điều đó phù hợp với ý kiến ​​cho rằng bộ não trưởng thành là dạng tổ tiên lâu đời hơn trong dòng dõi và bộ não ấu trùng đơn giản hơn là dạng có nguồn gốc xuất hiện muộn hơn nhiều.

Ngoài các tế bào thần kinh ấu trùng được tu sửa lại, nhiều tế bào thần kinh mới được sinh ra khi ấu trùng lớn lên. Những tế bào thần kinh này không được ấu trùng sử dụng, nhưng khi biến thái, chúng trưởng thành để trở thành tế bào thần kinh đầu vào và đầu ra cho chín ngăn tính toán mới dành riêng cho con trưởng thành.

Cơ thể nấm ở ấu trùng trông rất giống với phiên bản trưởng thành, Thum nói, nhưng “việc quấn lại thực sự rất dữ dội.” Gerber nói, như thể đầu vào và đầu ra của một cỗ máy tính toán đều bị gián đoạn nhưng bằng cách nào đó vẫn duy trì chức năng không dây của chúng. “Gần như thể bạn cố tình rút phích cắm và cắm lại” máy.

Kết quả là, cơ thể hình nấm của bộ não người trưởng thành “về cơ bản là… một cấu trúc hoàn toàn mới,” cho biết K. VijayRaghavan, giáo sư danh dự và cựu giám đốc Trung tâm Khoa học Sinh học Quốc gia Ấn Độ, người là biên tập viên chính của bài báo và không tham gia vào nghiên cứu. Ông nói thêm rằng không có dấu hiệu giải phẫu nào cho thấy ký ức có thể tồn tại.

Sự mong manh của ký ức

Williams cho biết, các nhà nghiên cứu đã rất hào hứng với câu hỏi liệu ký ức của ấu trùng có thể chuyển sang côn trùng trưởng thành hay không, nhưng câu trả lời vẫn chưa rõ ràng.

Loại ký ức sống trong cơ thể nấm của ruồi giấm là ký ức liên tưởng, loại ký ức liên kết hai thứ khác nhau lại với nhau — chẳng hạn như loại ký ức khiến những chú chó của Pavlov chảy nước miếng khi nghe thấy tiếng chuông. Đối với ruồi giấm, những ký ức liên kết thường liên quan đến mùi và chúng hướng con ruồi đến hoặc tránh xa một thứ gì đó.

Tuy nhiên, kết luận của họ rằng những ký ức liên kết không thể tồn tại có thể không đúng với tất cả các loài. Ví dụ, ấu trùng bướm và bọ cánh cứng nở ra với hệ thống thần kinh phức tạp hơn và nhiều tế bào thần kinh hơn so với ấu trùng ruồi giấm. Bởi vì hệ thống thần kinh của chúng bắt đầu phức tạp hơn nên chúng có thể không cần phải uốn nắn lại nhiều.

Các nghiên cứu trước đây đã tìm thấy bằng chứng cho thấy các loại ký ức khác có thể tồn tại ở một số loài. Ví dụ, Gerber giải thích, các quan sát và thí nghiệm cho thấy nhiều loài côn trùng thể hiện sở thích sinh sản trên cùng loại thực vật nơi chúng trưởng thành: Ấu trùng sinh ra và lớn lên trên cây táo sau đó có xu hướng đẻ trứng trên cây táo khi trưởng thành. Ông nói: “Vì vậy, người ta tự hỏi làm thế nào hai loại quan sát này liên quan đến nhau. Làm thế nào để những sở thích này tiếp tục nếu ký ức không? Ông nói, một khả năng là những ký ức liên kết không tiếp tục, nhưng các loại ký ức khác nằm trong các phần khác của não thì có.

Dữ liệu cung cấp cơ hội để so sánh sự phát triển của hệ thống thần kinh ở động vật biến thái và những loài không biến thái. Hệ thống thần kinh của côn trùng đã được bảo tồn đủ trong quá trình tiến hóa để các nhà nghiên cứu có thể xác định chính xác các tế bào thần kinh tương đương ở các loài phát triển trực tiếp như dế và châu chấu. So sánh giữa chúng có thể trả lời các câu hỏi như cách các ô riêng lẻ thay đổi từ có một danh tính sang nhiều danh tính. Đó là “một công cụ so sánh vô cùng mạnh mẽ,” Williams nói.

Thum nghĩ sẽ rất thú vị để xem liệu các loài côn trùng sống trong các môi trường khác nhau có thể khác nhau theo cách sắp xếp lại bộ não của chúng hay không và liệu ký ức có thể tồn tại trong bất kỳ loài nào trong số chúng hay không. Gerber tò mò muốn xem liệu các cơ chế tế bào trong quá trình biến thái của côn trùng có giống nhau ở các loài động vật khác trải qua các biến thể của quá trình này hay không, chẳng hạn như nòng nọc trở thành ếch hoặc những sinh vật giống hydra bất động trở thành sứa. Ông nói: “Bạn thậm chí có thể đủ điên để tự hỏi liệu chúng ta có nên xem tuổi dậy thì như một dạng biến thái hay không.

Truman và nhóm của ông hiện đang hy vọng sẽ đi sâu xuống cấp độ phân tử để xem gen nào ảnh hưởng đến sự trưởng thành và tiến hóa của hệ thần kinh. Năm 1971, các nhà nghiên cứu đã đưa ra giả thuyết trong một bài báo lý thuyết rằng bộ ba gen điều khiển quá trình biến thái của côn trùng, ý tưởng này đã được Riddiford và Truman xác nhận thêm trong một nghiên cứu khác. giấy 2022. Nhưng cơ chế đằng sau cách thức các gen này hoạt động để tái cấu trúc cơ thể và não bộ vẫn chưa rõ ràng.

Mục tiêu cuối cùng của Truman là kích thích một tế bào thần kinh ở dạng trưởng thành trong não ấu trùng. Việc hack thành công quy trình có nghĩa là chúng ta thực sự hiểu cách thức những loài côn trùng này tạo ra nhiều danh tính theo thời gian.

Không biết mô hình tái tổ chức sẽ như thế nào ở những nơi khác trong não. Nhưng có vẻ như một số khía cạnh trong khả năng tinh thần và phản ứng của ruồi giấm đối với thế giới, có ý thức hay không, được hình thành bởi cuộc sống ấu trùng của nó, Truman nói. “Thách thức là cố gắng tìm ra bản chất và mức độ của những tác động này.”