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Como os parasitas “reprogramam” os cérebros?


Dicrocoelium dendriticum é um parasita que usa formigas como segundo hospedeiro intermediário (o que significa que as formigas não são seu hospedeiro / alvo primário, mas sim um hospedeiro temporário para ajudar a alcançar seu hospedeiro principal / definitivo: ovelhas).

Quando as formigas são infectadas, esse parasita faz com que elas subam no topo das folhas da grama, o que aumenta a chance de que as ovelhas devorem a formiga junto com a grama, ajudando o parasita a chegar até as ovelhas.

Minha pergunta é: como os parasitas como (mas não se limitando a) o descrito acima "reprogramam" as mentes dos hospedeiros? Eu sei que os cérebros são incrivelmente complexos, então estou fascinado e curioso sobre como um parasita pode mudar o comportamento de seus hospedeiros - o que, suponho, só é possível modificando seu cérebro. Se sim, como eles fazem isso?


Não se sabe muito sobre os mecanismos envolvidos, mas eles parecem diferir significativamente de parasita para parasita. Discutirei alguns exemplos diferentes aqui e tentarei fornecer o máximo de informações que se sabe sobre como os parasitas estão agindo.

É provável que haja muito mais exemplos e mecanismos diferentes do que esses, e os pesquisadores podem revisar as hipóteses abaixo ao longo do tempo. Por esse motivo, estou pensando em dividir esta resposta em várias respostas separadas ou transformá-la em um wiki da comunidade.

Exemplo 1 - Toxoplasma gondii e ratos como hospedeiros intermediários

o Toxoplasma gondii parasita infecta vários hospedeiros durante seu ciclo de vida. Em um estágio, ele é hospedado por um roedor, que deve ser comido por um gato se o parasita usar o intestino do felino no próximo estágio de seu ciclo de vida. De alguma forma, o parasita faz com que o roedor (eu sei que ratos são afetados, mas não sei se camundongos ou outras espécies de roedores são) se comporte de forma menos avessa a riscos perto de gatos, tornando-o mais provável de ser comido por eles .

Exatamente como o Toxoplasma influencia seus hospedeiros roedores não está claro. Um artigo da Nature ("Parasita faz ratos perderem o medo de gatos para sempre") menciona que o parasita cria cistos dentro das células cerebrais do roedor, aumentando sua produção de dopamina, o que pode ser uma das causas da mudança de comportamento. No entanto, os pesquisadores citados no artigo descobriram que o comportamento de risco persistia mesmo sem os cistos e a dopamina.

Link para esse artigo de pesquisa: "Camundongos infectados com cepas de baixa virulência de Toxoplasma gondii perdem sua aversão inata à urina de gato, mesmo após eliminação extensiva de parasitas".

Uma teoria é que o parasita infecta simultaneamente os ovários / testículos do roedor, causando aumento nos níveis de testosterona no homem e, portanto, fazendo com que ele se envolva em comportamentos de risco. Grande parte da literatura relevante para esta teoria está por trás de paywalls, mas, pelo que posso dizer, os estudos mostraram que:

  • Ratos machos com seus testículos removidos não são afetados pelas mudanças comportamentais, embora eu não saiba se as orquiectomias foram realizadas antes ou depois da infecção.

  • Ratos machos em geral estão afetados.

  • Ratas são afetadas pelas mudanças comportamentais, independentemente de seus ovários terem sido removidos ou não.

Isso sugere que o parasita tem mais de um meio de induzir as mudanças comportamentais no roedor, e que as mudanças comportamentais em ratas têm uma causa diferente para as mesmas mudanças comportamentais em machos. No caso do homem, acredita-se que a epigenética tenha um papel importante. Os níveis aumentados de testosterona levam à redução da metilação dos genes em uma determinada área do cérebro, e isso, por sua vez, leva ao aumento da produção da substância química "arginina vasopressina" (AVP). Não sei nada sobre AVP, mas os níveis aumentados dele devem causar as mudanças comportamentais, de acordo com esta teoria.

Como mencionei, a presença de paywalls está me dando alguma dificuldade em estudar a pesquisa relevante para essa teoria em particular, mas um link para um artigo é fornecido na lista "Fontes" abaixo.

Outra teoria é que o parasita infecta as células brancas do sangue e faz com que produzam quantidades excessivas de uma substância química que atua como neurotransmissor, afetando o cérebro por meio do aumento dos níveis dessa substância. O artigo de pesquisa é "Sinalização GABAérgica está ligada a um fenótipo hipermigratório em células dendríticas infectadas por Toxoplasma gondii".

Há também um artigo da New Scientist: "O parasita torna os ratos destemidos ao sequestrar células do sistema imunológico")

Exemplo 2 - Ophiocordyceps unilateralis (fungo) e formigas carpinteiras

Um artigo recente na Ars Technica ("O fungo zumbificante contorna o cérebro para fazer formigas seus fantoches, estudos achados") descreveu a pesquisa em outro exemplo, o Ophiocordyceps unilateralis fungo que parasita formigas de carpinteiro. Os pesquisadores descobriram que as células fúngicas no corpo da formiga se desconectaram efetivamente de seu cérebro e se conectaram para atuar como um cérebro substituto para mover os membros do hospedeiro.

Link para o artigo de pesquisa: "A visualização tridimensional e um modelo de aprendizado profundo revelam redes complexas de fungos parasitas em formigas manipuladas comportamentalmente"

(Se bem entendi, a desconexão do cérebro pode ser devido a danos causados ​​a ele por produtos químicos emitidos pelo fungo. poderia ser o caso de o cérebro original e a rede de fungos serem capazes de mover os membros da formiga durante os estágios iniciais da infecção, não tenho certeza.)

Mesmo assim, pelo menos uma parte do comportamento alterado do hospedeiro não era de fato devido a isso, mas devido ao fungo destruindo uma membrana protetora nos músculos da mandíbula das formigas - levando ao famoso "aperto mortal" como a formiga infectada morde uma folha alta, morre e é mantida no lugar pelo aperto de suas mandíbulas.

o O. unilateralis fungo estendendo caules de soma e frutando cabeças de corpos de formigas mortas. Imagem retirada de https://en.wikipedia.org/wiki/File:Ophiocordyceps_unilateralis.png">Creative Commons Atribuição 2.5 Licença genérica e é creditada a David P. Hughes e Maj-Britt Pontoppidan.

O trabalho de pesquisa para a membrana da mandíbula está, infelizmente, atrás de um paywall. Se você tiver acesso: "Pega mortal da formiga zumbi devido a músculos mandibulares hipercontraídos"

A parte "cortar e substituir o cérebro" disso também foi abordada por um artigo de 2017 no The Atlantic ("Como o fungo zumbi domina os corpos das formigas para controlar suas mentes").

Exemplo 3 - Dicrocoelium dendriticum e formigas

Sobre o par hospedeiro / parasita real sobre o qual OP estava perguntando, não se sabe muito. Um aspecto fascinante dessa infecção é que o comportamento da formiga só muda durante a noite. Conforme o dia se aproxima, E se a formiga ainda não foi comida, e E se a temperatura ultrapassa um certo limite, a formiga desce de volta ao nível do solo. Ela se reúne à colônia (que não a rejeita) e continua a funcionar normalmente até o cair da noite novamente, quando sobe de volta ao topo da folha de grama.

(Em algumas situações, ele pode subir em um caule de flor e se prender a uma pétala.)

Uma equipe de pesquisadores usou a varredura de micro-TC para examinar os cérebros de formigas infectadas, publicando seus resultados em um artigo da Nature de 2018 ("Histologia virtual 3D na interface hospedeiro / parasita: visualização do manipulador mestre, Dicrocoelium dendriticum, no cérebro de seu hospedeiro formiga ")

A maioria dos parasitas está situada em uma região do abdômen da formiga conhecida como "gaster". Nesta fase do seu ciclo de vida, são conhecidas como "metacercárias". Pelo menos um dos parasitas, entretanto, entrará em uma região do sistema nervoso da formiga conhecida como "gânglio suboesofágico" (SOG). Nos cérebros examinados pelos pesquisadores, um (e apenas um) dos parasitas daquela área anexaria seu "sugador oral" ao tecido cerebral da formiga hospedeira. Isso ocorreria na "região ventro-anterior do SOG".

Os parasitas no gaster estão contidos nos cistos. Alguns ou todos os que estão no cérebro podem não ser. O parasita que aderiu ao seu sugador oral não é. Este é informalmente apelidado de "o verme do cérebro".

O que há de tão significativo na região SOG? Por uma coisa:

dendritos dos 10-12 neurônios motores que estimulam as fibras musculares rápidas dos músculos de fechamento mandibular em formigas compartilham o mesmo neurópilo na região ventro-anterior do SOG24 - o local preciso onde as metacercárias de D. dendriticum não encistadas estão localizadas. Assim, ao visar essa região do SOG, D. dendriticum tem o potencial de interferir diretamente ... na ação das mandíbulas.

Assim, vemos outro mecanismo usado por um parasita para forçar sua formiga hospedeira a agarrar algo firmemente com suas mandíbulas.

O SOG também tem alguma conexão com a atividade locomotiva - presumivelmente fazendo a formiga escalar a folha de grama e / ou impedindo-a de descer muito cedo:

A seleção do local e o desenvolvimento de metacercárias não encistadas dentro do SOG podem fornecer uma via direta para a manipulação da atividade locomotora.

E ainda mais ...

O SOG é uma parte importante da rede de todo o sistema nervoso para a neuromodulação em insetos, evidenciada pelos diversos neuromoduladores expressos em neurônios que residem nesta região do cérebro [25,26,27]. Os efeitos desses neuromoduladores ... são diversos e de longo alcance, desde modulação de voo, desabituação visual e aprendizagem olfativa até a mediação da resposta de lutar ou fugir e o controle da agressão ... O peptídeo semelhante a FMRFamida está implicado tanto como neurotransmissor quanto como neuromodulador e afeta o sistema nervoso, bem como o músculo esquelético [25]. Assim, qualquer influência exercida por metacercárias sobre a atividade de neurônios neuromoduladores no SOG pode ter consequências de longo alcance para o comportamento das formigas infectadas.

Os pesquisadores notaram que não sabiam se o "verme do cérebro" estava em contato com o SOG o tempo todo ou apenas quando a temperatura estava baixa o suficiente para induzir a mudança de comportamento. Mais pesquisas eram necessárias.

Fontes:

  • Ingram WM, Goodrich LM, Robey EA, Eisen MB (2013). Camundongos infectados com cepas de baixa virulência de Toxoplasma gondii perdem sua aversão inata à urina de gato, mesmo após eliminação extensiva de parasitas. PLoS ONE 8 (9): e75246. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0075246

  • Abdulai-Saiku, S., Vyas, A. A perda de aversão ao predador em ratas após infecção por Toxoplasma gondii não é dependente de esteróides ovarianos. Brain Behav. Immun. (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). A sinalização gabaérgica está ligada a um fenótipo hipermigratório em células dendríticas infectadas por 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 e Hughes DP. (2017). A visualização tridimensional e um modelo de aprendizado profundo revelam redes complexas de fungos parasitas em formigas manipuladas comportamentalmente. Proceedings of the National Academy of Sciences Nov 2017, 114 (47) 12590-12595; DOI: 10.1073 / pnas.1711673114

  • Mangold CA, Ishler MJ, Loreto RG, Hazen ML e Hughes DP. (2019). Aperto mortal da formiga zumbi devido aos músculos mandibulares hipercontratados. Journal of Experimental Biology 2019 222: jeb200683 doi: 10.1242 / jeb.200683

  • Martín-Vega D, Garbout A, Ahmed F. et al. Histologia virtual 3D na interface hospedeiro / parasita: visualização do manipulador mestre, Dicrocoelium dendriticum, no cérebro de sua formiga hospedeira. Sci Rep 8, 8587 (2018) doi: 10.1038 / s41598-018-26977-2