En svampparasit som infekterar myror och manipulerar deras beteende för att gynna svampens reproduktion åstadkommer denna bedrift utan att infektera myrornas hjärnor, enligt en studie ledd av forskare från Penn State.

Istället, Ophiocordyceps unilateralis sensu lato – ett komplex av arter som ibland kallas "zombiemyrsvamp" – omger och invaderar muskelfibrer i hela myrans kropp, och svampceller bildar ett 3D-nätverk som kan göra det möjligt för dem att kollektivt kontrollera värdbeteende, sa forskarna.

Tidigare forskning har visat att denna artspecifika parasit styr beteendet hos snickarmyrarbetare, tvingar dem att klättra i vegetation och bita i undersidan av löv eller kvistar, där de dör. När svampen växer i myrkadaver, den producerar en stjälk som sticker ut från myrans huvud och släpper ut smittsamma sporer på marken nedanför, där de kan infektera andra födosökande myror.

"För att bättre förstå hur sådana mikrobiella parasiter styr djurens beteende, vi tittade på interaktioner på cellnivå mellan parasiten och dess snickar-myrvärd i ett avgörande ögonblick i parasitens livscykel – när den manipulerade värden fixerar sig permanent till vegetationen med sina underkäkar, " sa huvudförfattaren Maridel Fredericksen, tidigare masterstudent i entomologi vid Penn State, nu doktorand vid University of Basel Zoological Institute, Schweiz.

"Svampen är känd för att utsöndra vävnadsspecifika metaboliter och orsaka förändringar i värdgenuttrycket såväl som atrofi i underkäksmusklerna hos dess myrvärd, " sa hon. "Det förändrade värdbeteendet är en utökad fenotyp av att den mikrobiella parasitens gener uttrycks genom kroppen på dess värd. Men det är okänt hur svampen koordinerar dessa effekter för att manipulera värdens beteende."

För att undersöka detta, forskargruppen infekterade myror med antingen O. unilateralis s.l. eller med en generalistisk svamppatogen, Beauveria bassiana, att skilja på effekter som är gemensamma för patogena svampar från sådana som är specifika för O. unilateralis s.l.

Genom att använda seriell block-face scanning-elektronmikroskopi, teamet skapade 3D-visualiseringar för att bestämma distributionen, överflöd och interaktioner av svamparna inuti myrornas kroppar. Denna användning av tekniken representerade ett genombrott i studiet av detta parasit-värdsystem, enligt seniorförfattaren David Hughes, docent i entomologi och biologi, Penn State.

Arbetar med medförfattaren Missy Hazen i Microscopy and Cytometry Facility vid Penn State Huck Institutes of the Life Sciences, forskare tog vävnadsskivor på 50 nanometer och tog bilder av varje skiva, använda en maskin som kunde upprepa den processen 2, 000 gånger under en 24-timmarsperiod.

"Genom att stapla dessa skivor, vi skulle kunna rekonstruera dem i 3D, ger oss en bild på mikronnivå av interaktionen mellan svampen och värden, med otroligt hög upplösning, ", sa Hughes. "Detta är en aldrig tidigare skådad syn på hur en manipulator kontrollerar sin värd."

För att bearbeta den mängden data, forskarna använde sedan artificiell intelligens (AI) och maskininlärningsalgoritmer för att analysera bilderna.

"Våra medarbetare på Notre Dame kunde använda djupinlärning för att träna datorer för att skilja mellan svamp- och myrceller så att vi kunde avgöra hur mycket av organismen som är myra och hur mycket som är svamp, ", förklarade Hughes.

"Utvecklingen av banbrytande, djupinlärningsmodell för identifiering av svamp- och myrceller var komplett och samarbetande lagarbete, sa Danny Chen, professor i datavetenskap och teknik, Universitetet i Notre Dame. "Penn State-gruppen producerade mycket märkt bilddata, som vår grupp använde för träning, testa och förbättra vår modell för djupa neurala nätverk. Det var verkligen fantastiskt att se hur väl biologer och AI-forskare arbetade tillsammans för att tackla det här problemet så effektivt."

Resultaten, publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences , visat att O. unilateralis s.l. celler fanns i praktiskt taget alla regioner av värdmyrornas kroppar, inklusive i huvudet, bröstkorg, mage och ben. Dessutom, en stor del av dessa svampceller var anslutna, vilket tyder på att de bildar ett nätverk för att kontrollera värdens beteende kollektivt.

"Vi fann att en hög andel av cellerna i en värd var svampceller, " sade Hughes. "I huvudsak, dessa manipulerade djur var en svamp i myrornas kläder."

Dock, även om svampceller koncentrerades direkt utanför hjärnan, forskare observerade inga svampceller inuti hjärnan.

"Normalt hos djur, beteende styrs av att hjärnan skickar signaler till musklerna, men våra resultat tyder på att parasiten kontrollerar värdbeteendet perifert, ", sa Hughes. "Nästan som en dockspelare drar i trådarna för att göra en marionettrörelse, svampen kontrollerar myrans muskler för att manipulera värdens ben och underkäkar."

Även om värdhjärnan inte invaderas av svampceller, tidigare arbete har visat att hjärnan kan förändras kemiskt av parasiten, Noterade Hughes.

"Vi antar att svampen kan bevara hjärnan så att värden kan överleva tills den utför sitt sista bitbeteende - det där kritiska ögonblicket för svampreproduktion. Men vi måste genomföra ytterligare forskning för att fastställa hjärnans roll och hur mycket kontroll svampen utövar över det."