소개
따뜻한 여름밤, 뒷마당과 캠프장의 밝은 등불 주위에 녹색 풀잠자리가 펄럭입니다. 베일 같은 날개를 가진 곤충은 꽃 꿀을 마시고, 포식성 박쥐를 피하고, 번식하는 등 자연적인 몰두에서 쉽게 주의가 산만해집니다. 그들이 낳은 알의 작은 덩어리는 나뭇잎 밑면의 긴 줄기에 매달려 바람에 꼬마전구처럼 흔들립니다.
매달려 있는 알의 앙상블은 아름답지만 실용적이기도 합니다. 부화한 유충이 부화되지 않은 형제 자매를 즉시 잡아먹는 것을 방지합니다. 먹이를 찔러서 건조하게 빨아들이는 낫 모양의 턱을 가진 풀잠자리 유충은 “사악하다”고 워싱턴 대학의 발달, 세포 및 분자 생물학 명예 교수인 제임스 트루먼(James Truman)은 말했습니다. “한 동물 안에 ‘미녀와 야수’가 있는 것 같아요.”
이 지킬박사와 하이드 이분법은 애벌레를 나비로 바꾸는 것으로 가장 잘 알려진 현상인 변태에 의해 가능해졌습니다. 가장 극단적인 버전인 완전 변태에서는 유년기와 성체의 형태가 완전히 다른 종처럼 보이고 행동합니다. 변태는 동물계에서도 예외가 아닙니다. 그것은 거의 규칙입니다. 오늘날 주로 곤충, 양서류, 해양 무척추 동물 등 알려진 동물 종의 80% 이상이 어떤 형태로든 변태를 겪거나 복잡하고 다단계의 생활사를 갖고 있습니다.
변태 과정은 많은 미스터리를 제시하지만, 가장 깊은 수수께끼 중 일부는 신경계에 집중되어 있습니다. 이 현상의 중심에는 하나가 아닌 다양한 정체성을 코딩해야 하는 뇌가 있습니다. 결국, 날아다니며 짝을 찾는 곤충의 삶은 배고픈 애벌레의 삶과 매우 다릅니다. 지난 반세기 동안 연구자들은 배고픈 애벌레나 살인적인 풀잠자리 유충과 같은 하나의 정체성을 인코딩하는 뉴런 네트워크가 완전히 다른 일련의 행동과 요구 사항을 포괄하는 성체 정체성을 인코딩하도록 어떻게 전환되는지에 대한 질문을 조사해 왔습니다.
트루먼과 그의 팀은 이제 얼마나 많은 변형이 뇌의 일부를 재편성하는지 알게 되었습니다. 최근 eLife 저널에 발표된 연구에서 , 그들은 변태를 겪는 초파리의 뇌에서 수십 개의 뉴런을 추적했습니다. 그들은 어느 날 괴물 같은 곤충으로 깨어난 프란츠 카프카의 단편 "변태"의 고통받는 주인공과는 달리, 성체 곤충은 애벌레 생활의 많은 부분을 기억하지 못할 가능성이 있다는 것을 발견했습니다. 연구에 참여한 애벌레 뉴런 중 상당수는 살아남았지만, 트루먼 그룹이 조사한 곤충 뇌의 일부는 극적으로 재배선되었습니다. 이러한 신경 연결 정밀 검사는 곤충이 기어다니는 배고픈 애벌레에서 날아다니고 짝을 찾는 성체로 변화함에 따라 곤충 행동의 극적인 변화를 반영했습니다.
그들의 발견은 변태를 겪고 있는 곤충의 뇌에 무슨 일이 일어나는지에 대한 "현재까지 가장 상세한 예"라고 트루먼의 연구실에서 일했지만 이 연구에는 참여하지 않은 옥스퍼드 대학교 신경 회로 및 행동 센터의 박사후 연구원인 데니즈 에레질마즈(Deniz Erezyilmaz)는 말했습니다. 그녀는 이번 결과가 지구상의 다른 많은 종에도 적용될 수 있다고 덧붙였습니다.
새로운 연구는 애벌레의 뇌가 어떻게 성체의 뇌로 성숙해졌는지 자세히 설명하는 것 외에도, 진화가 어떻게 이 곤충의 발달을 이렇게 급격하게 우회하게 했는지에 대한 단서를 제공합니다. 이번 연구에는 참여하지 않았지만 eLife에 대한 관련 논평을 공동 집필한 라이프니츠 신경생물학 연구소의 행동 신경과학자인 Bertram Gerber는 "이것은 기념비적인 작품입니다."라고 말했습니다. . “정말로 40년간 해당 분야 연구의 정점입니다.”
이번 연구에는 참여하지 않았지만 오랫동안 트루먼의 연구에 참여해 온 킹스 칼리지 런던(King's College London)의 발달 신경생물학 연구원 대런 윌리엄스(Darren Williams)는 "나는 이것을 대문자로 'The Paper'라고 부른다"고 말했습니다. "많은 질문에 대해 근본적으로 중요할 것입니다."
성인으로 가는 우회로
4억 8천만 년 전 최초의 곤충은 성체의 작은 버전과 매우 유사한 알에서 나타났습니다. 그렇지 않으면 메뚜기, 귀뚜라미 및 기타 곤충이 오늘날 하는 것처럼 꾸준히 성체 형태에 가까워지기 위해 "직접 발달"을 계속했습니다. 완전 변태는 공룡이 등장하기 전인 약 3억 5천만년 전에 곤충에서 발생한 것으로 보입니다.
대부분의 연구자들은 이제 변태가 성체와 자손 사이의 자원 경쟁을 줄이기 위해 진화했다고 믿고 있습니다. 유충이 매우 다른 형태로 전환되면서 성충과 매우 다른 음식을 먹을 수 있게 되었습니다. 트루먼은 “훌륭한 전략이었다”고 말했다. 딱정벌레, 파리, 나비, 벌, 말벌, 개미 등 완전변태를 시작한 곤충들이 폭발적으로 늘어났습니다.
워싱턴 대학의 연구원 제임스 트루먼(James Truman)은 변태가 어떻게 그리고 왜 진화했는지 이해하기 위해 수십 년 동안 노력해 왔습니다.
린 리디포드
트루먼은 어렸을 때 곤충들이 그 과정을 겪는 것을 지켜보며 몇 시간을 보냈습니다. 특히 풀잠자리의 경우 "나는 유충의 사나운 성격과 성체의 섬세한 성격에 흥미를 느꼈습니다"라고 그는 말했습니다.
그의 어린 시절 열정은 결국 직업과 가족으로 바뀌었습니다. 박사과정 지도교수이자 워싱턴대학교 명예교수인 린 리디포드(Lynn Riddiford)와 결혼한 후 그들은 전 세계를 여행하며 변태하는 곤충과 그렇지 않은 곤충을 수집하여 발달 경로를 비교했습니다.
Riddiford가 호르몬이 변태에 미치는 영향에 대한 연구에 집중한 반면 Truman은 뇌에 가장 관심이 많았습니다. 1974년에 그는 변태 동안 뇌에 어떤 일이 일어나는지에 대한 첫 번째 논문을 발표했습니다. 이를 위해 그는 뿔벌레 유충과 성충의 운동 뉴런 수를 추적했습니다. 그 이후로 수많은 연구에서 유충과 성충의 뇌의 다양한 뉴런과 부분에 대해 자세히 설명했지만 이는 일화이거나 과정의 아주 작은 측면에 초점을 맞추고 있습니다. 트루먼은 “우리는 큰 그림을 그리지 못했습니다.”라고 말했습니다.
트루먼은 뇌에 무슨 일이 일어나고 있는지 실제로 이해하려면 그 과정을 통해 개별 세포와 회로를 추적할 수 있어야 한다는 것을 알고 있었습니다. 초파리의 신경계는 이를 실현할 수 있는 실질적인 기회를 제공했습니다. 초파리 유충의 체세포 대부분은 성충으로 변하면서 죽지만 뇌의 뉴런 중 다수는 그렇지 않습니다.
트루먼은 “신경계는 뉴런을 만드는 방식을 결코 바꿀 수 없었다”고 말했다. 이는 부분적으로 모든 곤충의 신경계가 뉴런으로 성숙되는 신경모세포라고 불리는 일련의 줄기 세포에서 발생하기 때문입니다. 그 과정은 변태 자체보다 오래되었으며 특정 발달 단계 이후에는 쉽게 수정되지 않습니다. 따라서 초파리 유충체의 다른 세포가 거의 모두 제거되더라도 원래 뉴런의 대부분은 성체에서 다시 기능하도록 재활용됩니다.
개조된 마음
많은 사람들은 변태 동안 유충 세포가 죽거나 스스로 재배열되기 시작하면서 고치나 외골격 껍질 안에 있는 곤충의 몸이 수프 같은 것으로 변하고 나머지 모든 세포가 함께 유동적으로 미끄러지는 것으로 상상합니다. 그러나 그것은 완전히 옳지 않다고 트루먼은 설명했다. "모든 것에는 위치가 있지만... 정말 섬세하고 동물을 열면 모든 것이 터질 뿐입니다."라고 그는 말했습니다.
젤라틴 덩어리의 뇌 변화를 지도화하기 위해 Truman과 그의 동료들은 현미경으로 형광 녹색으로 빛나는 특정 뉴런을 가진 유전자 조작 초파리 유충을 면밀히 조사했습니다. 그들은 이 형광이 변태 중에 종종 희미해지는 것을 발견했고, 그래서 그들은 2015년에 개발한 유전적 기술을 사용하여 곤충에게 특정 약물을 투여함으로써 동일한 뉴런에서 적색 형광을 켰습니다.
라이프치히 대학의 신경과학자인 안드레아스 툼(Andreas Thum)은 "아주 멋진 방법"이라고 말했습니다. 이를 통해 하나, 둘 또는 세 개의 뉴런뿐만 아니라 전체 세포 네트워크를 볼 수 있습니다.
연구자들은 초파리 유충과 성충의 학습과 기억에 중요한 뇌 영역인 버섯 몸체에 집중했습니다. 이 영역은 기타 줄처럼 평행선으로 놓여 있는 긴 축삭 꼬리를 가진 뉴런 다발로 구성됩니다. 이 뉴런은 끈 안팎으로 짜여진 입력 및 출력 뉴런을 통해 뇌의 나머지 부분과 통신하여 곤충이 냄새를 좋은 경험이나 나쁜 경험과 연관시킬 수 있는 연결 네트워크를 만듭니다. 이러한 네트워크는 기타의 프렛 사이 공간처럼 별개의 계산 구획에 배열됩니다. 각 구획에는 파리를 무언가를 향해 또는 멀어지게 유도하는 것과 같은 임무가 있습니다.
Truman과 그의 팀은 유충이 변태를 겪을 때 10개의 신경 구획 중 7개만이 성체 버섯 몸체에 통합된다는 사실을 발견했습니다. 그 7개 내에서 일부 뉴런은 죽고, 일부는 새로운 성인 기능을 수행하도록 리모델링됩니다. 버섯체의 뉴런과 입력 및 출력 뉴런 사이의 모든 연결이 해체됩니다. 이 변화 단계에서는 "입력도 없고 출력도 없는 일종의 궁극적인 불교적 상황"이라고 Gerber는 말했습니다. “나, 나, 그리고 나뿐이야.”
성체 버섯 몸체에 통합되지 않는 세 개의 유충 구획에 있는 입력 및 출력 뉴런은 이전 정체성을 완전히 벗어났습니다. 그들은 버섯체를 떠나 성인 뇌의 다른 곳에서 새로운 뇌 회로에 통합됩니다. 트루먼은 “우리가 유전적으로나 해부학적으로 그들을 추적할 수 있다는 점을 제외하면 그들이 동일한 뉴런이라는 것을 알지 못할 것입니다.”라고 말했습니다.
연구자들은 이러한 재배치 뉴런이 버섯 애벌레 몸의 임시 손님일 뿐이며 잠시 동안 필요한 애벌레 기능을 수행하다가 성체 뇌에서 조상의 임무로 돌아간다고 제안합니다. 이는 성체 뇌가 혈통 내에서 더 오래된 조상 형태이고 단순한 애벌레 뇌가 훨씬 나중에 나온 파생 형태라는 생각과 일치합니다.
메릴 셔먼/Quanta 매거진; 출처:10.7554/eLife.80594
리모델링된 유충 뉴런 외에도 유충이 성장함에 따라 많은 새로운 뉴런이 탄생합니다. 이 뉴런은 유충에서 사용되지 않지만 변태 시 성숙되어 성체에 특정한 9개의 새로운 계산 구획에 대한 입력 및 출력 뉴런이 됩니다.
유충의 버섯 몸체는 성체 버전과 매우 유사해 보이지만 "재배선이 정말 강렬하다"고 Thum이 말했습니다. 마치 계산 기계의 입력과 출력이 모두 중단되었지만 여전히 무선 기능을 유지하는 것과 같다고 Gerber는 말했습니다. “마치 고의로 기계의 플러그를 뽑았다가 다시 꽂는 것과 같습니다.”
결과적으로 성인 뇌의 버섯체는 "근본적으로 완전히 새로운 구조"라고 논문의 주요 편집자이자 이번 연구에는 참여하지 않은 명예 교수이자 인도 국립 생물 과학 센터의 전 이사인 K. 비자이 라가반(K. VijayRaghavan)이 말했습니다. 기억이 살아남을 수 있다는 해부학적 증거는 없다고 그는 덧붙였습니다.
기억의 취약성
연구자들은 애벌레의 기억이 성충에게 전달될 수 있는지에 대한 질문에 흥미를 갖고 있지만 그 대답은 명확하지 않다고 Williams는 말했습니다.
초파리의 버섯 몸에 사는 기억 유형은 서로 다른 두 가지를 함께 연결하는 연상 기억입니다. 예를 들어 파블로프의 개가 종소리에 침을 흘리게 만든 기억 유형입니다. 초파리의 연상 기억에는 일반적으로 냄새가 포함되며, 냄새는 파리를 무언가를 향해 또는 멀어지게 안내합니다.
그러나 연관 기억이 살아남을 수 없다는 결론은 모든 종에 적용되지 않을 수도 있습니다. 예를 들어, 나비와 딱정벌레 유충은 초파리 유충보다 더 복잡한 신경계와 더 많은 뉴런을 가지고 부화합니다. 이들의 신경계는 처음에는 더 복잡해지기 때문에 그다지 개조할 필요가 없을 수도 있습니다.
이전 연구에서는 일부 종에서는 다른 유형의 기억이 지속될 수 있다는 증거를 발견했습니다. 예를 들어 관찰과 실험에 따르면 많은 곤충 종은 자신이 성숙했던 동일한 유형의 식물에서 번식하는 것을 선호하는 것으로 나타났습니다. 사과나무에서 태어나고 자란 유충은 나중에 성체가 되어 사과나무에 알을 낳는 경향이 있습니다. “그래서 사람들은 이 두 가지 유형의 관찰이 어떻게 연관되어 있는지 궁금해합니다.”라고 그는 말했습니다. 기억이 없다면 이러한 선호는 어떻게 이어지나요? 한 가지 가능성은 연관 기억이 전달되지 않지만 뇌의 다른 부분에 저장되어 있는 다른 유형의 기억은 전달된다는 것입니다.
데이터는 변태하는 동물과 그렇지 않은 동물의 신경계 발달을 비교할 수 있는 기회를 제공합니다. 곤충의 신경계는 진화 과정에서 충분히 보존되어 연구자들은 귀뚜라미나 메뚜기와 같이 직접 발달하는 종에서 동등한 뉴런을 찾아낼 수 있습니다. 이들 간의 비교를 통해 개별 세포가 단일 ID에서 다중 ID로 어떻게 변경되었는지와 같은 질문에 답할 수 있습니다. Williams는 “놀라울 정도로 강력한 비교 도구”라고 말했습니다.
Thum은 서로 다른 환경에 사는 곤충 종들이 뇌가 재배열되는 방식이 다를 수 있는지, 그리고 그 중 어느 것에서든 기억이 살아남을 수 있는지를 보는 것이 흥미로울 것이라고 생각합니다. 거버는 올챙이가 개구리가 되거나 움직이지 않는 히드라 같은 생물이 해파리가 되는 등 변형 과정을 겪는 다른 동물에서도 곤충 변태의 세포 메커니즘이 동일한지 알고 싶습니다. “사춘기를 일종의 변태로 보아야 하는지 의구심이 들 만큼 미친 사람일 수도 있습니다.”라고 그는 말했습니다.
트루먼과 그의 팀은 이제 어떤 유전자가 신경계의 성숙과 진화에 영향을 미치는지 확인하기 위해 분자 수준으로 내려가기를 희망하고 있습니다. 1971년 연구자들은 이론적 논문에서 세 가지 유전자가 곤충 변태 과정을 지시한다는 가설을 세웠는데, 이는 리디포드와 트루먼이 2022년 논문에서 추가로 확인한 아이디어입니다. 그러나 이러한 유전자가 신체와 뇌를 재형성하기 위해 어떻게 작용하는지에 대한 메커니즘은 여전히 불분명합니다.
트루먼의 궁극적인 목표는 뉴런이 유충의 뇌에서 성체 형태를 취하도록 유도하는 것입니다. 프로세스를 성공적으로 해킹한다는 것은 이 곤충들이 시간이 지남에 따라 어떻게 다양한 정체성을 만들어내는지 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 높다고 트루먼은 말했습니다. "이러한 영향의 성격과 범위를 알아내려는 노력이 과제입니다."
