A rovarok egyedfejlődésének fázisai rendkívül izgalmasak, hiszen a teljes átalakuláson áteső fajok, vagyis a rovarok jelentős része, lárvaállapotban teljesen másként néz ki és viselkedik, mint a kifejlett egyed. Mintha nem is egy fajba tartoznának. A metamorfózis persze nem korlátozódik a rovarokra, a ma ismert állatfajok több mint 80 százaléka, köztük sok kétéltű és gerinctelen faj is átesik annak valamilyen formáján, vagyis komplex, többlépcsős egyedfejlődéssel bírnak.

A metamorfózis folyamatát számos rejtély övezi, és a legmélyebbek ezek közül az idegrendszerre összpontosulnak. Az átalakuló fajok agyának ugyanis az életciklus folyamán nem egy, hanem több különböző identitást kell kódolnia, elvégre egy repülő, párkereső rovar élete nagyon különbözik egy éhes hernyó mindennapjaitól. Az elmúlt fél évszázadban számos kutató vizsgálta, hogyan változik a neuronok hálózata az átalakulás során, és hogyan képes teljesen más testet és viselkedést vezérelni egyik pillanatról a másikra.

James Truman, a Washington Egyetem fejlődés-, sejt- és molekuláris biológia professzora és kollégái is ezen kutatók közé tartoznak, és nemrégiben újabb fontos eredményekkel járultak hozzá ehhez az izgalmas területhez. Kimutatták, hogy a metamorfózis rendkívüli módon átrendezi az agy egyes részeit. Az eLife folyóiratban nemrég megjelent tanulmányukban több tucat neuront követtek nyomon a metamorfózison áteső ecetmuslicák agyában.

Az idegi kapcsolatok ilyen átalakulása tükrözte a rovarok viselkedésében bekövetkezett hasonlóan drámai változásokat, vagyis hogy az állatok a kúszó, éhes lárvákból repülő, párkereső felnőttekké váltak.

Az új tanulmány azon túl, hogy példátlan részletességgel mutatja be, hogyan lesz a lárvaagyból felnőtt agy, fontos információkat szolgáltat azzal kapcsolatban is, hogyan alakult ki az evolúció során ez a különleges egyedfejlődési mód. Bertram Gerber, a Leibniz Neurobiológiai Intézet viselkedésneurológusa szerint monumentális munkáról van szó, amely a területen végzett 40 éves kutatás csúcspontjának számít.

Kitérő a felnőtté válás felé

A legkorábbi rovarok 480 millió évvel ezelőtt úgy bújtak ki a petékből, hogy felnőttkori önmaguk kisebb változataihoz hasonlítottak, vagy pedig folytatták megkezdett fejlődésüket, vagyis a petekori állapottól kezdve folyamatosan egyre inkább hasonlítottak felnőttkori alakjukhoz. A szöcskék, tücskök és néhány más rovar ma is így tesz. Úgy tűnik, hogy a teljes átalakulás csak 350 millió évvel ezelőtt, a dinoszauruszok előtt jelent meg a rovaroknál.

A legtöbb kutató ma úgy véli, hogy a metamorfózis azért alakult ki, hogy csökkentse a felnőttek és utódaik között az erőforrásokért folyó versenyt:

Ami nagyszerű stratégiának bizonyult, így a teljes átalakuláson áteső rovarok, például a különféle bogarak, legyek, pillangók, méhek, darazsak és hangyák száma robbanásszerűen megnőtt.

Trumant 1974-ben publikálta első tanulmányát arról, hogy mi történik az aggyal a rovarok metamorfózisa során. Ebben arról számolt be, hogyan változik a motoros neuronok száma a dohányszenderek lárva- és kifejlett állapota között. Azóta számos tanulmányban részletezte a lárvák és felnőttek különböző neurológiai sajátosságait, de vizsgálatai többnyire apró részletekre fókuszáltak. „Nem nagyon volt átfogó képünk” – mondja Truman.

Truman tudta, hogy ahhoz, hogy tényleg megértse, mi történik az agyban, képesnek kell lennie az egyes sejtek és idegi áramkörök nyomon követésére az átalakulás során. Az ecetmuslicák idegrendszere pedig kiváló lehetőséget kínált erre: bár a lárvák testi sejtjeinek többsége elpusztul, amikor felnőtté alakulnak, az agyukban lévő neuronok közül sok megmarad.

„Az idegrendszer soha nem volt képes megváltoztatni az idegsejtek létrehozásának módját” – mondja Truman. Ez részben azért van így, mert az idegrendszer minden rovarban a neuroblasztoknak nevezett őssejtekből alakul ki, amelyek neuronokká érnek. Ez a folyamat ősibb, mint a metamorfózis, és a fejlődés egy bizonyos szakasza után nem módosítható könnyen. Így bár a lárva testének szinte minden más sejtje eltűnik, az eredeti idegsejtek többsége újrahasznosul a felnőtt egyedben.

Az elme átrendeződése

Sokan úgy képzelik, hogy a metamorfózis során, amikor a lárva sejtjei elhalnak vagy átrendeződnek, a rovar teste a gubóban vagy külső vázburokban valamiféle pépes, kaotikus masszává válik, a benne úszkáló megmaradt sejtekkel. De a valóságban nem egészen így van, magyarázza Truman. „Mindennek megvan a helye... de a folyamat nagyon kényes, és ha ilyenkor felnyitjuk az állatot, valósággal szétrobban” – folytatja.

Hogy feltérképezzék az agyi változásokat ebben a zselés masszában, Truman és kollégái genetikailag módosított muslicalárvákat vizsgáltak, amelyeknek egyes neuronjai zölden fluoreszkáltak a mikroszkóp alatt. A kutatók úgy találták, hogy ez a fluoreszcencia gyakran elhalványul a metamorfózis során, ezért egy 2015-ben kifejlesztett genetikai technikát alkalmaztak, hogy a rovarokban egy bizonyos gyógyszer beadásával vörös fluoreszcenciát aktiváljanak ugyanezekben az idegsejtekben. Ilyen módon idegsejtek nagy hálózatait tudták egyszerre nyomon követni.

A kutatók az agy tanulás és memória szempontjából kritikus régiójára, az úgynevezett gombatestre összpontosítottak.  Ebben rengeteg neuron van, amelyek hosszú axonjai párhuzamosan rendeződnek, mint a gitár húrjai. Ezek az idegsejtek a húrokba szövődő bemeneti és kimeneti idegsejteken keresztül kommunikálnak az agy többi részével, olyan hálózatot hozva létre, amely például lehetővé teszi a rovar számára, hogy a szagokat jó vagy rossz élményekhez társítsa. Ezek a hálózatok különálló komputációs egységekbe rendeződnek: minden egységnek van egy feladata, például valami felé vagy attól elfelé irányítja a muslicát.

Truman és csapata úgy találta, hogy amikor a lárvák metamorfózison mennek keresztül, a 10 neurális egységükből csak hét épül be a felnőtt gombatestbe. Ezeken belül is elpusztul néhány neuron, néhány pedig átalakul, hogy új, felnőtt funkciókat lásson el.

Abban a három egységben, amelyek nem épülnek be a felnőtt gombatestbe, a bemeneti és kimeneti neuronok teljesen levetik régi identitásukat. Elhagyják a gombatestet, és a felnőtt agy más részein új agyi áramkörökbe integrálódnak. „Ránézésre nem is lehet tudni, hogy ezek ugyanazok az idegsejtek, de most mind genetikailag, mind anatómiailag végig tudtuk követni az útjukat” – mondja Truman.

A kutatók azt feltételezik, hogy ezek az áthelyeződő neuronok csak ideiglenes „vendégek” a lárvák gombatestében, egy időre átveszik a szükséges funkciókat, de aztán visszatérnek ősi feladataikhoz a felnőtt agyban. Ez összhangban van azzal az elképzeléssel, hogy a felnőtt agy az idősebb, ősi forma, az egyszerűbb lárvaagy pedig sokkal később alakult ki az evolúció során.

Az átalakuló neuronok mellett a lárva fejlődésével számos új neuron is létrejön. Ezeket az idegsejteket a lárva még nem használja, de a metamorfózis idejére megérnek, és kilenc új, felnőttspecifikus számítási egység bemeneti és kimeneti idegsejtjeivé válnak. A lárva gombatestje alapvetően nagyon hasonlóan néz ki, mint a felnőtté, de egészen máshogy van huzalozva, mondják a szakértők. Vagyis a felnőtt agy gombatestje alapvetően egy teljesen új struktúra, amelyben semmi anatómiai nyoma nincs annak, hogy például a korábbi emlékek megmaradhatnak benne.

Az emlékezet mulandósága

A kutatókat nagyon izgatta az utóbbi kérdés, hogy vajon a lárvák emlékei átkerülhetnek-e a kifejlett rovarokba, de a válasz nem egyértelmű. Az ecetmuslicák gombatestjében levő emléktípusok asszociatív emlékek, olyanok, amelyek két különböző dolgot kapcsolnak össze. Ezek az asszociatív emlékek ráadásul jellemzően szagokkal kapcsolatosak, és fontos szerepet játszanak abban, hogy mit közelít meg, és mit kerül el az állat. A kutatók az idegsejti áramkörök felbomlása miatt kizártnak tartják, hogy az ecetmuslicák esetében ezek az emlékek átkerüljenek a kifejlett egyedek, ez azonban nem biztos, hogy minden faj és minden emlék esetében így van.

A pillangó- és bogárlárvák például sokkal összetettebb idegrendszerrel és több neuronnal kelnek ki, és lehetséges, hogy ez a bonyolultabb idegrendszer kevésbé radikálisan formálódik át. A nem asszociatív emlékek megőrződését pedig több kutatás is alátámasztja.

Az is lehet tehát, hogy a gombatest átalakulása hasonlóan jelentős mindenhol, de a máshol tárolt, más típusú emlékek megőrződnek.

Az adatok lehetőséget kínálnak arra is, hogy a kutatók összehasonlítsák az idegrendszer fejlődését az átalakuló és a nem átalakuló állatok között. A rovarok idegrendszere az evolúció során eléggé konzerválódott ahhoz, hogy a kutatók meg tudják határozni az egyenértékű idegsejteket a közvetlen fejlődésű fajoknál, például a tücsköknél és a szöcskéknél. Ezek az összehasonlítások olyan kérdésekre adhatnak választ, mint például, hogy az egyes sejtek hogyan tettek szert többféle identitásra.

A kutatók szerint azt is érdekes lenne megnézni, hogy a különböző környezetekben élő rovarfajoknál eltérő-e az agy átrendeződésének módja. Ahogy azt is izgalmas lesz vizsgálni, hogy a rovarok metamorfózisának sejtszintű mechanizmusai más állatoknál, például az ebihalak békává alakulásánál is fennállnak-e.

Truman és csapata a közeljövőben azt fogják vizsgálni, hogy mely gének befolyásolják az idegrendszer érését és fejlődését. Egy 1971-es kutatás résztvevői feltételezték, hogy egy kitüntetett géntrió irányítja a rovarok metamorfózisát, és ezt az elképzelést Trumanék egy 2022-es tanulmánya megerősítette. Az azonban továbbra sem világos, hogy a kérdéses gének milyen mechanizmusok alapján alakítják át a testet és az agyat.

Truman végső célja, hogy rávegye a neuronokat, hogy már a lárva agyában felvegyék felnőtt formájukat. Így végre valóban megérthetnénk, hogyan jön létre ezekben a rovarokban többféle identitás életük során. Azt egyelőre nem tudni, hogy az agy más részein milyen átrendeződések történnek. De valószínűnek tűnik, hogy az ecetmuslica mentális képességeinek és a külvilágra adott válaszainak bizonyos aspektusait a lárvakori tapasztalatok alakítják, mondja Truman. „A kihívás abban rejlik, hogy megpróbáljuk kideríteni ezeknek a hatásoknak a természetét és mértékét.”