Un parasite fongique qui infecte les fourmis et manipule leur comportement au profit de la reproduction du champignon accomplit cet exploit sans infecter le cerveau des fourmis, selon une étude menée par des chercheurs de Penn State.

Au lieu, Ophiocordyceps unilatéralis sensu lato - un complexe d'espèces parfois appelé "champignon de la fourmi zombie" - entoure et envahit les fibres musculaires dans tout le corps de la fourmi, et les cellules fongiques forment un réseau 3-D qui peut leur permettre de contrôler collectivement le comportement de l'hôte, les chercheurs ont dit.

Des recherches antérieures ont montré que ce parasite spécifique à l'espèce contrôle le comportement des ouvrières des fourmis charpentières, les obliger à grimper dans la végétation et à mordre le dessous des feuilles ou des brindilles, où ils meurent. Au fur et à mesure que le champignon se développe dans le cadavre de fourmi, il produit une tige qui dépasse de la tête de la fourmi et libère des spores infectieuses sur le sol en dessous, où elles peuvent infecter d'autres fourmis butineuses.

"Pour mieux comprendre comment ces parasites microbiens contrôlent le comportement animal, nous avons examiné les interactions au niveau cellulaire entre le parasite et son hôte fourmi charpentière à un moment crucial du cycle de vie du parasite - lorsque l'hôte manipulé se fixe en permanence à la végétation par ses mandibules, " a déclaré l'auteur principal Maridel Fredericksen, ancien étudiant à la maîtrise en entomologie à Penn State, maintenant doctorant à l'Institut zoologique de l'Université de Bâle, La Suisse.

"Le champignon est connu pour sécréter des métabolites spécifiques aux tissus et provoquer des changements dans l'expression des gènes de l'hôte ainsi qu'une atrophie des muscles mandibulaires de son hôte fourmi, " dit-elle. " Le comportement modifié de l'hôte est un phénotype étendu des gènes du parasite microbien exprimé à travers le corps de son hôte. Mais on ne sait pas comment le champignon coordonne ces effets pour manipuler le comportement de l'hôte."

Pour enquêter sur cela, l'équipe de recherche a infecté des fourmis avec soit O.lateralis s.l. ou avec un champignon pathogène généraliste, Beauveria bassiana, distinguer les effets communs aux champignons pathogènes de ceux qui sont spécifiques à O.unilatéralis s.l.

À l'aide de la microscopie électronique à balayage à face de bloc en série, l'équipe a créé des visualisations 3D pour déterminer la distribution, l'abondance et les interactions des champignons à l'intérieur du corps des fourmis. Cette utilisation de la technologie a représenté une percée dans l'étude de ce système parasite-hôte, selon l'auteur principal David Hughes, professeur agrégé d'entomologie et de biologie, État de Penn.

En collaboration avec la co-auteur Missy Hazen dans l'installation de microscopie et de cytométrie des Huck Institutes of the Life Sciences de Penn State, les chercheurs ont prélevé des tranches de tissu à 50 nanomètres et capturé des images de chaque tranche, en utilisant une machine qui pourrait répéter ce processus 2, 000 fois sur une période de 24 heures.

"En empilant ces tranches, on pourrait les reconstruire en 3-D, nous donnant une vue au niveau du micron de l'interaction entre le champignon et l'hôte, avec une résolution incroyablement élevée, " a déclaré Hughes. " C'est une vue sans précédent de la façon dont un manipulateur contrôle son hôte. "

Pour traiter cette quantité de données, les scientifiques ont ensuite utilisé l'intelligence artificielle (IA) et des algorithmes d'apprentissage automatique pour analyser les images.

"Nos collaborateurs à Notre Dame ont pu utiliser l'apprentissage en profondeur pour former des ordinateurs à différencier les cellules fongiques des cellules de fourmis afin que nous puissions déterminer quelle quantité de l'organisme est une fourmi et quelle est la quantité de champignon, " expliqua Hughes.

"Le développement de l'avant-garde, le modèle d'apprentissage en profondeur pour identifier les cellules fongiques et de fourmis était un travail d'équipe complet et collaboratif, " a déclaré Danny Chen, professeur d'informatique et d'ingénierie, Université de Notre-Dame. "Le groupe Penn State a produit beaucoup de données d'images étiquetées, que notre groupe a utilisé pour la formation, tester et améliorer notre modèle de réseau de neurones profonds. C'était vraiment incroyable de voir à quel point les biologistes et les chercheurs en IA travaillaient ensemble pour s'attaquer aussi efficacement à ce problème."

Les résultats, Publié dans Actes de l'Académie nationale des sciences , a montré que O.lateralis s.l. les cellules étaient présentes dans pratiquement toutes les régions du corps des fourmis hôtes, y compris dans la tête, thorax, ventre et jambes. En outre, une grande partie de ces cellules fongiques étaient connectées, suggérant qu'ils forment un réseau pour contrôler collectivement le comportement de l'hôte.

"Nous avons découvert qu'un pourcentage élevé des cellules d'un hôte étaient des cellules fongiques, " a déclaré Hughes. " En substance, ces animaux manipulés étaient un champignon dans les vêtements des fourmis."

Cependant, bien que les cellules fongiques soient concentrées directement à l'extérieur du cerveau, les chercheurs n'ont observé aucune cellule fongique à l'intérieur du cerveau.

"Normalement chez les animaux, le comportement est contrôlé par le cerveau qui envoie des signaux aux muscles, mais nos résultats suggèrent que le parasite contrôle le comportement de l'hôte de manière périphérique, " dit Hughes. " Presque comme un marionnettiste tire les ficelles pour faire un mouvement de marionnette, le champignon contrôle les muscles de la fourmi pour manipuler les pattes et les mandibules de l'hôte."

Bien que le cerveau de l'hôte ne soit pas envahi par des cellules fongiques, des travaux antérieurs ont montré que le cerveau peut être altéré chimiquement par le parasite, a noté Hughes.

"Nous émettons l'hypothèse que le champignon préserve le cerveau afin que l'hôte puisse survivre jusqu'à ce qu'il exécute son dernier comportement de morsure - ce moment critique pour la reproduction fongique. Mais nous devons mener des recherches supplémentaires pour déterminer le rôle du cerveau et dans quelle mesure le champignon exerce un contrôle. au-dessus."