昆虫の脳は変態中にどのように溶解し、再配線されるのか

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

暖かい夏の夜、庭やキャンプ場の明るいランタンの周りで、ミヤマクサカゲロウがひらひらと舞います。ベールのような羽を持つこの昆虫は、花の蜜を吸ったり、捕食性のコウモリを避けたり、繁殖したりする本来の活動から、簡単に気をそらされてしまいます。産み付けられた小さな卵の塊は、葉の裏側の長い茎にぶら下がり、風に揺れる妖精の電飾のように揺れます。

ぶら下がった卵の群れは美しいだけでなく、実用性も兼ね備えています。孵化したばかりの幼虫が、孵化していない兄弟をすぐに食べてしまうのを防ぐのです。獲物を突き刺して吸い尽くす鎌のような顎を持つクサカゲロウの幼虫は「獰猛だ」と、ワシントン大学の発生・細胞・分子生物学の名誉教授、ジェームズ・トゥルーマン氏は言います。「まるで『美女と野獣』が一匹の動物になったようなものだ」

このジキル博士とハイド氏のような二分法は、変態によって可能になります。変態とは、幼虫が蝶に変身する現象として最もよく知られています。最も極端な完全変態では、幼虫と成虫は全く異なる種のように見え、行動します。動物界において変態は例外ではなく、ほぼ規則となっています。今日知られている動物種の80%以上、主に昆虫、両生類、海生無脊椎動物は、何らかの変態を経るか、複雑な多段階の生活環を有しています。

変態の過程には多くの謎が残されていますが、最も難解な謎のいくつかは神経系に関係しています。この現象の中心にあるのは脳であり、脳は一つではなく複数の異なるアイデンティティをコード化しなければなりません。結局のところ、飛翔し交尾を求める昆虫の生活は、空腹のイモムシの生活とは大きく異なります。過去半世紀にわたり、研究者たちは、一つのアイデンティティ（空腹のイモムシや殺人的なクサカゲロウの幼虫）をコード化するニューロンネットワークが、どのようにして全く異なる行動とニーズを包含する成虫のアイデンティティへと変化するのかという疑問を解明してきました。

トゥルーマンと彼のチームは、変態が脳のどの部分をどのように再編成するかを解明した。eLife 誌に発表された最近の研究では、変態中のショウジョウバエの脳で数十個のニューロンを追跡した。その結果、フランツ・カフカの短編小説「変身」で、ある日巨大な昆虫として目覚める苦悩する主人公とは異なり、成虫の昆虫は幼虫時代をほとんど覚えていない可能性が高いことがわかった。研究対象となった幼虫のニューロンの多くは生き残ったが、トゥルーマンのグループが調べた昆虫の脳の一部は劇的に再配線されていた。この神経接続の刷新は、這う飢えた幼虫から飛翔し交尾相手を探す成虫へと変化する昆虫の行動における同様に劇的な変化を反映していた。

オックスフォード大学神経回路・行動センターのポスドク研究員で、かつてトゥルーマン研究室に所属していたが今回の研究には関わっていないデニス・エレズイルマズ氏は、今回の研究結果は変態過程にある昆虫の脳内で何が起こるかを示す「これまでで最も詳細な例」だと述べた。エレズイルマズ氏は、今回の研究結果は地球上の他の多くの種にも当てはまる可能性があると付け加えた。

この新たな研究は、幼虫の脳が成虫の脳へとどのように成熟していくかを詳細に解明するだけでなく、進化がどのようにしてこれらの昆虫の発達をこれほどまでに大胆な迂回へと導いたのかを解明する手がかりも提供する。「これは記念碑的な研究成果です」と、ライプニッツ神経生物学研究所の行動神経科学者バートラム・ガーバー氏は述べた。ガーバー氏は今回の研究には関与していないものの、eLife誌の関連論評を共同執筆した。「まさにこの分野における40年間の研究の集大成と言えるでしょう」

「私はこれを『論文』と呼んでいます」と、キングス・カレッジ・ロンドンの神経発生生物学研究者で、今回の研究には関わっていないものの、トルーマン氏の長年の共同研究者であるダレン・ウィリアムズ氏は述べた。「これは多くの疑問にとって、根本的に重要なものとなるでしょう」

大人への道の途中の回り道

4億8000万年前、最古の昆虫は卵から孵化し、成虫の小型版のような姿をしていました。あるいは、バッタやコオロギ、その他の今日の昆虫のように、成虫へと着実に近づく「直接的な発生」を続けたのかもしれません。昆虫における完全変態は、恐竜の時代より前の約3億5000万年前にようやく出現したようです。

現在、多くの研究者は、変態は成虫と子孫の間の資源をめぐる競争を軽減するために進化したと考えています。幼虫を全く異なる形態に変化させることで、成虫とは全く異なる食物を食べられるようになったのです。「これは素晴らしい戦略でした」とトゥルーマンは言います。甲虫、ハエ、蝶、ハチ、スズメバチ、アリなど、完全変態を始めた昆虫の数は爆発的に増加しました。

トゥルーマンは子供の頃、昆虫が成虫になるまでの過程を何時間も観察していました。特にクサカゲロウに関しては、「幼虫の獰猛さと成虫の繊細さの違いに興味をそそられました」と彼は言います。

幼少期の情熱は、やがて仕事と家庭へと変わりました。博士課程の指導教官であり、ワシントン大学名誉教授でもあるリン・リディフォードと結婚した後、二人は世界中を旅し、変態する昆虫と変態しない昆虫を採集して、それぞれの成長過程を比較しました。

リディフォードが変態におけるホルモンの影響に関する研究に集中していたのに対し、トゥルーマンは脳に最も興味を持っていました。1974年、彼は変態中に脳に何が起こるかについての最初の論文を発表し、スズメバチの幼虫と成虫の運動ニューロンの数を追跡しました。それ以来、幼虫と成虫の脳の様々なニューロンや部位を詳細に研究した研究は数多くありますが、それらは逸話的なものか、変態過程のごく一部に焦点を当てたものに過ぎません。「全体像を把握できていませんでした」とトゥルーマンは言います。

トゥルーマンは、脳内で何が起こっているかを真に理解するには、個々の細胞と回路がどのように変化するかを追跡する必要があることを知っていました。ショウジョウバエの神経系は、まさにそれを実現するための実用的な機会を提供しました。ショウジョウバエの幼虫は成虫に成長するにつれて体細胞の大部分が死滅しますが、脳内のニューロンの多くは死滅しないのです。

「神経系はニューロンを作る方法を変えることができなかった」とトゥルーマン氏は述べた。その理由の一つは、あらゆる昆虫の神経系が、ニューロンへと成熟する神経芽細胞と呼ばれる幹細胞の集合体から発生するためだ。このプロセスは変態自体よりも古く、発達の特定の段階を過ぎると容易に変更することはできない。そのため、ショウジョウバエの幼虫の体内の他の細胞はほぼ全て除去されるが、元々のニューロンのほとんどは成虫の体内で再び機能するために再利用される。

改造された心

多くの人は、変態期に幼虫細胞が死滅したり再配置されたりするにつれて、繭や外骨格の中にいる昆虫の体はスープのような状態になり、残った細胞が流動的に動き回ると想像する。しかし、それは正しくないとトゥルーマン氏は説明する。「すべての細胞に位置があるのですが…非常に繊細なので、動物を解剖すると、すべてが破裂してしまいます」と彼は言う。

トルーマン氏らは、ゼラチン状の塊における脳の変化をマッピングするため、顕微鏡下で緑色の蛍光を発する特定のニューロンを持つ遺伝子組み換えショウジョウバエの幼虫を精査した。彼らは、この蛍光が変態期にしばしば薄れていくことを発見した。そこで、2015年に開発した遺伝子技術を用いて、特定の薬剤をショウジョウバエに投与することで、同じニューロンの赤色蛍光を発色させた。

ライプツィヒ大学の神経科学者で、ガーバー氏と共著したアンドレアス・トゥム氏は、「これはかなりクールな手法だ」と述べた。この手法では、1個、2個、あるいは3個のニューロンだけでなく、細胞のネットワーク全体を観察できるのだ。

研究者たちは、ショウジョウバエの幼虫と成虫の学習と記憶に重要な脳領域であるキノコ体に注目しました。キノコ体は、ギターの弦のように平行に並ぶ長い軸索尾を持つニューロンの束で構成されています。これらのニューロンは、弦の間を縫うように走る入力ニューロンと出力ニューロンを介して脳の他の部分と通信し、昆虫が匂いを良い経験や悪い経験と関連付けることを可能にする接続ネットワークを形成します。これらのネットワークは、ギターのフレット間のスペースのように、明確に区別された計算区画に配置されています。それぞれの区画には、ハエを何かに近づけたり、何かから遠ざけたりするなどのタスクが割り当てられています。

トゥルーマンと彼のチームは、幼虫が変態する際に、10個の神経区画のうち7個だけが成虫のキノコ体に組み込まれることを発見しました。その7個の中で、一部のニューロンは死に、一部は成虫の新しい機能を担うように再構築されます。キノコ体におけるニューロンと、その入力ニューロンおよび出力ニューロン間の接続はすべて解消されます。この変態段階では、「入力も出力もない、いわば究極の仏教的状態です」とガーバーは言います。「ただ、私、私、私だけが存在するのです」

成虫のキノコ体に組み込まれなかった3つの幼虫区画の入力ニューロンと出力ニューロンは、完全に古いアイデンティティを脱ぎ捨てます。キノコ体を離れ、成体脳の別の場所にある新しい脳回路に統合されます。「遺伝学的にも解剖学的にも追跡できたのでなければ、それらが同じニューロンだとは気づかないでしょう」とトゥルーマン氏は言います。

研究者らは、これらの移動ニューロンは幼虫のキノコ体における一時的な客人であり、しばらくの間は幼虫期に必要な機能を担うが、その後成虫の脳で本来の機能に戻ると示唆している。これは、成虫の脳が系統の中でより古く、祖先的な形態であり、より単純な幼虫の脳はずっと後になってから派生した形態であるという考えと一致する。

幼虫が成長するにつれて、改造された幼虫期のニューロンに加えて、多くの新しいニューロンが生まれます。これらのニューロンは幼虫期には使用されませんが、変態期には成熟し、成虫特有の9つの新しい計算区画の入力ニューロンと出力ニューロンになります。

幼虫のキノコ体は成虫のキノコ体と非常によく似ているとサム氏は言うが、「配線のやり直しは非常に激しい」という。まるで計算機の入出力がすべて途切れているのに、どういうわけか無線機能は維持されているかのようだとガーバー氏は言う。「まるで意図的に機械のプラグを抜いて差し直すようなものだ」

その結果、成人の脳のキノコ体は「根本的に…全く新しい構造」だと、論文の主任編集者で本研究には関与していないインド国立生物科学センターの名誉教授で元所長のK・ビジェイ・ラガヴァン氏は述べた。記憶が生き残った可能性を示す解剖学的証拠はないと付け加えた。

記憶の脆さ

ウィリアムズ氏によると、研究者たちは幼虫の記憶が成虫に引き継がれるかどうかという疑問に興奮しているが、答えは明確ではないという。

ショウジョウバエのキノコ体に宿る記憶は連想記憶であり、異なる二つの物事を結びつける類の記憶です。例えば、パブロフの犬がベルの音に唾液を分泌する類の記憶です。ショウジョウバエの場合、連想記憶は典型的には匂いと関連しており、それがショウジョウバエを何かに近づけたり、何かから遠ざけたりする役割を果たします。

しかし、連想記憶は保存できないという彼らの結論は、すべての種に当てはまるわけではないかもしれない。例えば、チョウやカブトムシの幼虫は、ショウジョウバエの幼虫よりも複雑な神経系とより多くのニューロンを持って孵化する。彼らの神経系は最初からより複雑なため、それほど再構築する必要がないのかもしれない。

これまでの研究で、一部の種では他の種類の記憶が持続する可能性があることを示す証拠が見つかっています。例えば、ガーバー氏によると、観察と実験から、多くの昆虫種は、自分が成長したのと同じ種類の植物で繁殖することを好む傾向があることが示唆されています。リンゴの木で生まれ育った幼虫は、成虫になるとリンゴの木に卵を産む傾向があります。「ですから、これら2種類の観察がどのように関連しているのか疑問に思うのです」と彼は言います。記憶が持続しないのに、これらの好みはどのように持続するのでしょうか？一つの可能​​性として、連想記憶は持続しないが、脳の他の部位に収容されている他の種類の記憶は持続する可能性があると彼は言います。

このデータは、変態する動物と変態しない動物の神経系の発達を比較する機会を提供します。昆虫の神経系は進化の過程で十分に保存されているため、研究者はコオロギやバッタなどの直接発生種において同等のニューロンを特定することができます。これらの神経系を比較することで、個々の細胞が単一のアイデンティティから複数のアイデンティティへとどのように変化したかといった疑問に答えることができます。これは「非常に強力な比較ツール」だとウィリアムズ氏は述べています。

サム氏は、異なる環境に生息する昆虫種によって脳の再編成方法が異なるのか、そしてどの環境でも記憶が保存されるのかを調べるのは興味深いと考えている。ガーバー氏は、昆虫の変態における細胞メカニズムが、オタマジャクシがカエルになったり、動かないヒドラのような生物がクラゲになったりといった、同じ過程を経る他の動物でも同様なのかを知りたいと考えている。「思春期を変態の一種として捉えるべきなのか、と疑問に思うほどおかしな人もいるかもしれません」と彼は語った。

トゥルーマン氏と彼のチームは現在、分子レベルまで深く掘り下げ、どの遺伝子が神経系の成熟と進化に影響を与えるのかを解明したいと考えています。1971年、研究者たちは理論論文の中で、3つの遺伝子が昆虫の変態過程を制御していると仮説を立てました。この仮説は、リディフォード氏とトゥルーマン氏が2022年の論文でさらに裏付けています。しかし、これらの遺伝子がどのように体と脳を再構築するのか、そのメカニズムは依然として解明されていません。

トゥルーマンの究極の目標は、幼虫の脳内でニューロンを成体へと誘導することです。このプロセスをハッキングすることに成功すれば、これらの昆虫が時間の経過とともにどのように複数のアイデンティティを形成するのかを真に理解できるかもしれません。

脳の他の部分での再編成パターンがどのようなものになるかは不明です。しかし、ショウジョウバエの精神的能力や外界への反応（意識の有無に関わらず）のいくつかの側面は、幼虫期に形作られている可能性が高いとトゥルーマン氏は述べています。「課題は、これらの影響の性質と範囲を明らかにすることです。」

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。