Informatie

Hoe "herprogrammeren" parasieten de hersenen?


Dicrocoelium dendriticum is een parasiet die mieren gebruikt als een tweede tussengastheer (wat betekent dat mieren niet hun primaire gastheer/doelwit zijn, maar eerder een tijdelijke gastheer om hun belangrijkste/definitieve gastheer te bereiken: schapen).

Wanneer mieren besmet zijn, zorgt deze parasiet ervoor dat ze op de top van grassprieten klimmen, wat de kans vergroot dat schapen de mier samen met het gras zullen verslinden, waardoor de parasiet de schapen kan bereiken.

Mijn vraag is: hoe "herprogrammeren" parasieten zoals (maar niet beperkt tot) die hierboven beschreven de geest van de gastheren? Ik weet dat hersenen ongelooflijk complex zijn, dus ik ben gefascineerd en nieuwsgierig naar hoe een parasiet het gedrag van zijn gastheren kan veranderen - waarvan ik aanneem dat dit alleen mogelijk is door zijn hersenen aan te passen? Zo ja, hoe doen ze dit?


Er is niet veel bekend over de betrokken mechanismen, maar ze lijken aanzienlijk te verschillen van parasiet tot parasiet. Ik zal hier een paar verschillende voorbeelden bespreken en proberen zoveel mogelijk informatie te geven over hoe de parasieten het doen.

Er zijn waarschijnlijk veel meer verschillende voorbeelden en mechanismen dan deze, en onderzoekers kunnen de onderstaande hypothesen in de loop van de tijd herzien. Om deze reden denk ik erover om dit antwoord op te splitsen in meerdere afzonderlijke antwoorden of het te veranderen in een community-wiki.

Voorbeeld 1 - Toxoplasma gondii en ratten als tussengastheer

De Toxoplasma gondii parasiet infecteert meerdere gastheren tijdens zijn levenscyclus. In een bepaald stadium wordt het gehost door een knaagdier, dat door een kat moet worden opgegeten als de parasiet de darm van de kat wil gebruiken in de volgende fase van zijn levenscyclus. Op de een of andere manier zorgt de parasiet ervoor dat het knaagdier (ik weet dat ratten worden aangetast, maar ik weet niet of muizen of andere knaagdiersoorten dat zijn) zich minder risicomijdend in de buurt van katten gedraagt, waardoor het waarschijnlijker is dat ze door ze worden opgegeten .

Hoe Toxoplasma zijn knaagdiergastheren precies beïnvloedt, is onduidelijk. Een artikel in Nature ("Parasiet zorgt ervoor dat muizen de angst voor katten permanent verliezen") vermeldt dat de parasiet cysten creëert in de hersencellen van het knaagdier, waardoor hun productie van dopamine toeneemt, wat een van de oorzaken kan zijn van de gedragsverandering. De in het artikel geciteerde onderzoekers ontdekten echter dat het risicogedrag aanhield, zelfs zonder de cysten en dopamine.

Link naar dat onderzoeksartikel: "Muizen geïnfecteerd met laag-virulente stammen van Toxoplasma gondii verliezen hun aangeboren afkeer van kattenurine, zelfs na uitgebreide parasitaire klaring".

Een theorie is dat de parasiet tegelijkertijd de eierstokken/testikels van het knaagdier infecteert, waardoor de testosteronspiegel bij de man stijgt en daardoor meer risicovol gedrag vertoont. Veel van de literatuur die relevant is voor deze theorie bevindt zich achter betaalmuren, maar voor zover ik weet hebben onderzoeken aangetoond dat:

  • Mannelijke ratten met verwijderde testikels worden niet beïnvloed door de gedragsveranderingen, hoewel ik niet weet of de orchiectomieën voor of na infectie werden uitgevoerd.

  • Mannelijke ratten in het algemeen zijn getroffen.

  • Vrouwelijke ratten worden beïnvloed door de gedragsveranderingen, ongeacht of hun eierstokken zijn verwijderd of niet.

Dit suggereert dat de parasiet meer dan één middel heeft om de gedragsveranderingen bij het knaagdier te induceren, en dat de gedragsveranderingen bij vrouwelijke ratten een andere oorzaak hebben dan dezelfde gedragsveranderingen bij mannen. In het geval van de man wordt aangenomen dat epigenetica een rol speelt. De verhoogde testosteronniveaus leiden tot verminderde methylering van genen in een bepaald deel van de hersenen, en dit leidt op zijn beurt tot een verhoogde productie van het chemische "arginine-vasopressine" (AVP). Ik weet niets over AVP, maar de verhoogde niveaus ervan zouden volgens deze theorie gedragsveranderingen veroorzaken.

Zoals ik al zei, geeft de aanwezigheid van betaalmuren me enige moeite bij het bestuderen van het relevante onderzoek voor deze specifieke theorie, maar een link naar een paper staat in de lijst "Bronnen" hieronder.

Een andere theorie is dat de parasiet de witte bloedcellen infecteert en ervoor zorgt dat ze overmatige hoeveelheden van een chemische stof produceren die als een neurotransmitter werkt en de hersenen beïnvloedt door de verhoogde niveaus van die chemische stof. Het onderzoekspaper is "GABAergic Signaling Is Linked to a Hypermigratory Fenotype in Dendritic Cells Infected by Toxoplasma gondii".

Er is ook een artikel in New Scientist: "Parasite maakt muizen onbevreesd door immuuncellen te kapen")

Voorbeeld 2 - Ophiocordyceps unilateralis (schimmel) en timmermansmieren

Een recent artikel in Ars Technica ("Zombificerende schimmel omzeilt de hersenen om mieren tot poppen te maken, studievondsten") beschreef onderzoek naar een ander voorbeeld, de Ophiocordyceps unilateralis schimmel die houtmieren parasiteert. De onderzoekers hadden ontdekt dat de schimmelcellen in het lichaam van de mier de hersenen effectief loskoppelden en verbonden om als vervangende hersenen te fungeren om de ledematen van de gastheer te bewegen.

Link naar de onderzoekspaper: "Driedimensionale visualisatie en een diepgaand lerend model onthullen complexe schimmelparasietennetwerken in gedragsmatig gemanipuleerde mieren"

(Als ik het goed begrijp, kan de ontkoppeling van de hersenen te wijten zijn aan schade die wordt veroorzaakt door chemicaliën die door de schimmel worden uitgestoten. kunnen het is zo dat de oorspronkelijke hersenen en het schimmelnetwerk beide in staat zijn om de ledematen van de mier te bewegen tijdens de vroege stadia van infectie, ik weet het niet zeker.)

Zelfs toen was in ieder geval een deel van het veranderde gedrag van de gastheer niet hieraan te wijten, maar aan het feit dat de schimmel een beschermend membraan op de kaakspieren van de mieren vernietigt - wat leidt tot de beroemde sterke "doodsgreep" als de geïnfecteerde mier bijt een hoog blad, sterft en wordt op zijn plaats gehouden door de greep van zijn kaken.

De O. unilateralis schimmel die soma-stengels en fruting-hoofden uit de lichamen van dode mieren steekt. Afbeelding afkomstig van https://en.wikipedia.org/wiki/File:Ophiocordyceps_unilateralis.png">Creative Commons Attribution 2.5 Generieke licentie en wordt toegeschreven aan David P. Hughes en Maj-Britt Pontoppidan.

Het onderzoekspaper voor het kaakmembraan zit helaas achter een betaalmuur. Als je toegang hebt: "Zombie mier death grip door hypercontractie van de onderkaakspieren"

Het "afgesneden en vervang de hersenen"-gedeelte hiervan werd ook behandeld in een artikel uit 2017 in The Atlantic ("Hoe de zombie-schimmel de lichamen van mieren overneemt om hun geest te beheersen").

Voorbeeld 3 - Dicrocoelium dendriticum en mieren

Voor de daadwerkelijke host / parasiet-koppeling waar OP naar vroeg, is niet zoveel bekend. Een fascinerend aspect van deze infectie is dat het gedrag van de mier alleen 's avonds/'s nachts verandert. Naarmate de dag nadert, indien de mier nog niet is opgegeten, en indien de temperatuur een bepaalde drempel overschrijdt, klimt de mier terug naar het grondniveau. Hij voegt zich weer bij de kolonie (die hem niet afwijst) en blijft normaal functioneren tot de avond weer valt, waarna hij weer omhoog klimt naar de top van het grassprietje.

(In sommige situaties kan het op een bloemstengel klimmen en zich hechten aan een bloemblad.)

Een team van onderzoekers gebruikte micro-CT-scanning om de hersenen van geïnfecteerde mieren te onderzoeken en publiceerde hun resultaten in een Nature-artikel uit 2018 ("3D virtual histology at the host/parasite interface: visualisatie van de hoofdmanipulator, Dicrocoelium dendriticum, in de hersenen van zijn mierengastheer")

De meeste parasieten bevinden zich in een gebied van de buik van de mier dat bekend staat als de "gaster". In dit stadium van hun levenscyclus staan ​​ze bekend als "metacercariae". Ten minste één van de parasieten zal echter een gebied van het zenuwstelsel van de mier binnendringen dat bekend staat als het "suboesofageale ganglion" (SOG). In de hersenen die door de onderzoekers werden onderzocht, zou één (en slechts één) van de parasieten in dat gebied zijn "orale zuignap" aan het hersenweefsel van de gastheermier hechten. Dit zou gebeuren in "het ventraal-voorste gebied van de SOG".

De parasieten in de gaster zitten in cysten. Sommige of alle in de hersenen zijn dat misschien niet. De parasiet die zijn orale zuignap heeft bevestigd, is dat niet. Deze wordt informeel "de hersenworm" genoemd.

Wat is er zo belangrijk aan de SOG-regio? Voor een ding:

dendrieten van de 10-12 motorneuronen die de snelle spiervezels van de mandibulaire sluitspieren bij mieren stimuleren, delen dezelfde neuropil in het ventraal-anterieure gebied van de SOG24 - de precieze locatie waar niet-ingekapselde D. dendriticum metacercariae zich bevindt. Dus, door zich te richten op dit gebied van de SOG, heeft D. dendriticum het potentieel om direct te interfereren met... de werking van de onderkaken.

We zien dus een ander mechanisme dat door een parasiet wordt gebruikt om zijn mierengastheer te dwingen iets stevig vast te pakken met zijn kaken.

De SOG heeft ook enig verband met locomotiefactiviteit - vermoedelijk de mier ertoe brengen om op het grassprietje te klimmen en/of te voorkomen dat hij te snel naar beneden klimt:

Locatieselectie en ontwikkeling van niet-ingekapselde metacercariae binnen de SOG kan een directe route bieden voor de manipulatie van locomotorische activiteit.

En nog meer…

De SOG is een belangrijk onderdeel van het zenuwstelsel-brede netwerk voor neuromodulatie bij insecten, wat blijkt uit de vele verschillende neuromodulatoren die tot expressie worden gebracht in neuronen die zich in dit deel van de hersenen bevinden [25,26,27]. De effecten van deze neuromodulatoren... zijn divers en verreikend, van vluchtmodulatie, visuele dishabituatie en olfactorisch leren tot bemiddeling van de vecht-of-vluchtreactie en de controle van agressie... FMRFamide-achtig peptide is zowel een neurotransmitter als een neuromodulator en beïnvloedt zowel het zenuwstelsel als de skeletspieren [25]. Elke invloed van metacercariae op de activiteit van neuromodulerende neuronen in de SOG zou dus verstrekkende gevolgen kunnen hebben voor het gedrag van geïnfecteerde mieren.

De onderzoekers merkten op dat ze niet wisten of de "hersenworm" de hele tijd in contact was met de SOG, of alleen wanneer de temperatuur laag genoeg was om het veranderde gedrag te veroorzaken. Verder onderzoek was nodig.

Bronnen:

  • Ingram WM, Goodrich LM, Robey EA, Eisen MB (2013). Muizen die besmet zijn met laag-virulente stammen van Toxoplasma gondii verliezen hun aangeboren afkeer van kattenurine, zelfs na uitgebreide parasitaire klaring. PLoS ONE 8(9): e75246. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0075246

  • Abdulai-Saiku, S., Vyas, A. Verlies van roofdieraversie bij vrouwelijke ratten na Toxoplasma gondii-infectie is niet afhankelijk van ovariële steroïden. Hersengedrag. Immuun. (2017), http://dx.doi.org/10.1016/j.bbi.2017.04.005

  • Fuks JM, Arrighi RBG, Weidner JM, Kumar Mendu S, Jin Z, Wallin RPA, et al. (2012). GABAerge signalering is gekoppeld aan een hypermigrerend fenotype in dendritische cellen die zijn geïnfecteerd door Toxoplasma gondii. PLoS Pathog 8(12): e1003051. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1003051

  • Fredericksen MA, Zhang Y, Hazen ML, Loreto RG, Mangold CA, Chen DZ en Hughes DP. (2017). Driedimensionale visualisatie en een diepgaand leermodel onthullen complexe netwerken van schimmelparasieten in gedragsgemanipuleerde mieren. Proceedings van de National Academy of Sciences november 2017, 114 (47) 12590-12595; DOI: 10.1073/pnas.1711673114

  • Mangold CA, Ishler MJ, Loreto RG, Hazen ML en Hughes DP. (2019). Zombie mier death grip als gevolg van hypercontractie van de onderkaakspieren. Journal of Experimental Biology 2019 222: jeb200683 doi: 10.1242/jeb.200683

  • Martín-Vega D, Garbout A, Ahmed F. et al. 3D virtuele histologie op de gastheer/parasiet-interface: visualisatie van de hoofdmanipulator, Dicrocoelium dendriticum, in de hersenen van zijn mierengastheer. Sci Rep 8, 8587 (2018) doi:10.1038/s41598-018-26977-2