Zombiemyrehjerner efterladt intakte af svampeparasit

En svampeparasit, der inficerer myrer og manipulerer deres adfærd til gavn for svampens reproduktion, opnår denne bedrift uden at inficere myrernes hjerner, ifølge en undersøgelse ledet af Penn State-forskere.

I stedet, Ophiocordyceps unilateralis sensu lato – et kompleks af arter, nogle gange kaldet "zombiemyresvamp" – omgiver og invaderer muskelfibre i hele myrens krop, og svampeceller danner et 3D-netværk, der kan sætte dem i stand til i fællesskab at kontrollere værtsadfærd, sagde forskerne.

Tidligere forskning viste, at denne artsspecifikke parasit styrer tømrermyrearbejdernes adfærd, tvinger dem til at klatre i vegetation og bide i undersiden af ​​blade eller kviste, hvor de dør. Efterhånden som svampen vokser i myrekadaveret, det producerer en stilk, der stikker ud fra myrens hoved og udleder smitsomme sporer på jorden nedenfor, hvor de kan inficere andre fodermyrer.

"For bedre at forstå, hvordan sådanne mikrobielle parasitter styrer dyrs adfærd, vi så på interaktioner på celleniveau mellem parasitten og dens tømrer-myre-vært på et afgørende tidspunkt i parasittens livscyklus – når den manipulerede vært fikserer sig permanent til vegetation med sine mandibler, " sagde hovedforfatter Maridel Fredericksen, tidligere kandidatstuderende i entomologi ved Penn State, nu doktorand ved University of Basel Zoological Institute, Schweiz.

"Svampen er kendt for at udskille vævsspecifikke metabolitter og forårsage ændringer i værtens genekspression såvel som atrofi i underkæbemusklerne på dens myrevært, " sagde hun. "Den ændrede værtsadfærd er en udvidet fænotype af den mikrobielle parasits gener, der udtrykkes gennem værtens krop. Men det er ukendt, hvordan svampen koordinerer disse effekter for at manipulere værtens adfærd."

For at undersøge dette, forskergruppen inficerede myrer med enten O. unilateralis s.l. eller med et generalistisk svampepatogen, Beauveria bassiana, at skelne mellem virkninger, der er fælles for patogene svampe, fra dem, der er specifikke for O. unilateralis s.l.

Brug af seriel blok-ansigt scanning-elektronmikroskopi, holdet skabte 3D-visualiseringer for at bestemme distributionen, overflod og interaktioner af svampene inde i myrernes kroppe. Denne brug af teknologien repræsenterede et gennembrud i undersøgelsen af ​​dette parasit-vært system, ifølge seniorforfatter David Hughes, lektor i entomologi og biologi, Penn State.

Arbejder med medforfatter Missy Hazen i mikroskopi- og cytometrifaciliteten ved Penn State's Huck Institutes of the Life Sciences, forskere tog skiver af væv på 50 nanometer og tog billeder af hver skive, ved hjælp af en maskine, der kunne gentage denne proces 2, 000 gange over en 24-timers periode.

"Ved at stable disse skiver, vi kunne rekonstruere dem i 3D, giver os et mikroniveau af samspillet mellem svampen og værten, med utrolig høj opløsning, " sagde Hughes. "Dette er et hidtil uset syn på, hvordan en manipulator kontrollerer sin vært."

For at behandle den mængde data, videnskabsmændene brugte derefter kunstig intelligens (AI) og maskinlæringsalgoritmer til at analysere billederne.

"Vores samarbejdspartnere på Notre Dame var i stand til at bruge deep learning til at træne computere til at skelne mellem svampe- og myreceller, så vi kunne bestemme, hvor meget af organismen der er myre, og hvor meget der er svamp, "forklarede Hughes.

"Udviklingen af ​​banebrydende, dyb indlæringsmodel til identifikation af svampe- og myreceller var komplet og samarbejdende teamwork, " sagde Danny Chen, professor i datalogi og teknik, Universitetet i Notre Dame. "Penn State-gruppen producerede en masse mærkede billeddata, som vores gruppe brugte til træning, teste og forbedre vores dybe neurale netværksmodel. Det var virkelig fantastisk at se, hvor godt biologer og AI-forskere arbejdede sammen for at tackle dette problem så effektivt."

Resultaterne, udgivet i Procedurer fra National Academy of Sciences , viste, at O. unilateralis s.l. celler var til stede i stort set alle områder af værtsmyrernes kroppe, inklusive i hovedet, thorax, mave og ben. Ud over, en stor del af disse svampeceller var forbundet, tyder på, at de danner et netværk for at kontrollere værtens adfærd kollektivt.

"Vi fandt ud af, at en høj procentdel af cellerne i en vært var svampeceller, "sagde Hughes." I det væsentlige, disse manipulerede dyr var en svamp i myrernes tøj."

Imidlertid, selvom svampeceller var koncentreret direkte uden for hjernen, forskere observerede ingen svampeceller inde i hjernen.

"Normalt hos dyr, adfærd styres ved at hjernen sender signaler til musklerne, men vores resultater tyder på, at parasitten kontrollerer værtens adfærd perifert, " sagde Hughes. "Næsten som en dukkefører trækker i trådene for at få en marionetbevægelse, svampen styrer myrens muskler til at manipulere værtens ben og mandibler."

Selvom værtshjernen ikke er invaderet af svampeceller, tidligere arbejde har vist, at hjernen kan blive kemisk ændret af parasitten, Hughes bemærkede.

"Vi antager, at svampen muligvis bevarer hjernen, så værten kan overleve, indtil den udfører sin endelige bideadfærd - det kritiske øjeblik for svampenes reproduktion. Men vi er nødt til at udføre yderligere forskning for at bestemme hjernens rolle, og hvor meget kontrol svampen udøver. over det."