Tintenfisch-Gehirnatlas, der erste seiner Art

Alles mit drei Herzen, blauem Blut und Haut, das wie eine Ausstellung auf dem Times Square die Farbe ändern kann, wird wahrscheinlich die Blicke auf sich ziehen. Lernen Sie Sepia bandensis kennen, besser bekannt als der tarnende Zwergtintenfisch.

In den letzten drei Jahren hat ein Team unter der Leitung von Neurowissenschaftlern an der Zuckerman University of Columbia, zu dem auch Datenexperten und Webdesigner gehören, einen Gehirnatlas dieses faszinierenden Kopffüßers zusammengestellt: eine neuroanatomische Roadmap, die zum ersten Mal die gesamte 32-lappige Struktur des Gehirns darstellt zelluläre Organisation.

Der Zwergtintenfisch ist ein Meister der Tarnung. Innerhalb von Millisekunden kann das Tier sowohl sein Hautmuster als auch seine Textur verändern, um sich dynamisch in seine Umgebung einzufügen. Die Tarnung erfolgt visuell und wie seine Artgenossen, Tintenfische und Kraken, steuert der Tintenfisch seine Hautfarbe mit seinem Gehirn. Neuronen im Gehirn projizieren ihre Axone bis zur Haut, wo sie Hunderttausende Zellpixel (Chromatophore) steuern, um eine Farbänderung herbeizuführen.

Wenn sich ein Tintenfisch tarnt, reproduziert er das, was er auf seiner Haut sieht. Um dies zu erreichen, muss der Tintenfisch seinen visuellen Input in eine neuronale Darstellung im Gehirn umwandeln und dann ein Analogon dieser Darstellung auf seiner Haut nachbilden.

Das Labor von Richard Axel, MD, möchte verstehen, wie der Tintenfisch diese erstaunliche Leistung vollbringt. Zu verstehen, wie die visuelle Welt im Gehirn dargestellt wird – sei es eines Kopffüßers oder eines Menschen – und wie diese Darstellung zu Gedanken und Verhaltensweisen führt, gehört zu den drängendsten Fragen der Neurowissenschaften.

Um die neuronale Grundlage der Tintenfischtarnung aufzudecken, müssen Mitglieder des Axel-Labors die Aktivität von Neuronen aus relevanten Regionen des Tintenfischgehirns aufzeichnen. Um den größtmöglichen wissenschaftlichen Wert aus diesen Aufzeichnungen zu ziehen, benötigen sie jedoch auch eine Karte des Gehirns, die bisher nicht verfügbar war. Deshalb startete das Team ein Projekt zur Erstellung eines neuroanatomischen Atlas des Gehirns von Zwergtintenfischen.

Ihr Forschungsbericht, der das Projekt beschreibt, erscheint heute online in Aktuelle Biologiemit einer entsprechenden Website, Cuttlebase.org.

„Einer meiner Lieblingsansätze, um etwas über das Gehirn zu lernen, besteht darin, Lebewesen zu untersuchen, die auf bestimmte Verhaltensweisen oder Aufgaben hochspezialisiert sind, wie zum Beispiel Fledermäuse, die Echoortung zur Navigation nutzen, oder Vögel, die ein beeindruckendes räumliches Gedächtnis nutzen, um sich an die Standorte versteckter Nahrungsgegenstände zu erinnern.“ “ sagte Tessa G. Montague, Ph.D., Erstautorin des Artikels und Postdoktorandin im Labor von Richard Axel, MD, ebenfalls Autor des Artikels.

„Wir hoffen und glauben, dass unser Gehirnatlas der Gemeinschaft dabei helfen wird, mehr über die Mechanismen zu erfahren, mit denen Tintenfische sich durch ihre Haut ausdrücken, und dass uns dies Einblicke in die Fähigkeit eines Gehirns geben kann, Informationen darzustellen“, sagte Dr. Montague.

Der Aufbau von Cuttlebase erforderte eine enge und engagierte Zusammenarbeit von Experten aus den Bereichen Neurowissenschaften, Gewebebildgebung, Computerprogrammierung, Anatomie und Webdesign. Für die zugrunde liegende Grundlage des Gehirnatlas scannte das Team die Körper und Gehirne von vier männlichen und vier weiblichen Tintenfischen mithilfe der Magnetresonanztomographie (MRT), einem diagnostischen Hauptinstrument für Ärzte. Ein Deep-Learning-Algorithmus, eine Art künstliche Intelligenz, half in den Scandaten dabei, die Gehirne der Tiere aus ihrem umgebenden Gewebe herauszulösen.

Co-Autorin Sabrina Gjerswold-Selleck, die vor Kurzem ihren Master an der Columbia University abgeschlossen hat und jetzt für Neuralink arbeitet, sagte, dass das Team aufgrund der damit verbundenen Arbeit, die sie in der Gruppe von Co-Autorin Jia Guo an der Columbia durchgeführt hatte, einen guten Start mit der Forschung hatte MRT-Scans von Mäusen.

„Wir hatten einen Deep-Learning-Ansatz entwickelt, der in der Lage war, die gehirnbezogenen Daten in jedem MRT-Scan von den Daten zu trennen, die mit anderen Gewebetypen in diesen Scans verknüpft waren“, sagte Gjerswold-Selleck. „Wir waren überrascht, wie gut wir die Technik anpassen konnten.“

Als nächstes mussten die Forscher durch den Vergleich der MRT-Scans mit nur einer Handvoll markierter Gehirnbilder aus den 1960er Jahren die Grenzen jedes Gehirnlappens von Zwergtintenfischen bestimmen. Dies war eine monumentale Anstrengung der Datenanalyse von sechs der Co-Autoren, die während der Pandemie Hunderte von Stunden damit verbrachten, die acht Tintenfisch-Datensätze zu beschreiben.

Dies führte zu Hunderten von Graustufenbildern mit Umrissen der Gehirnregionen, die beispielsweise den Umrissen von Bundesstaaten und Landkreisen in einem mehrseitigen Atlas der Vereinigten Staaten entsprachen. Um ihren Tintenfisch-Gehirnatlas so zu verbessern, dass er eine zelluläre Auflösung bietet – was einem detaillierten Atlas entspricht, der alle Straßen, Hügel, Seen und Flüsse der Bundesstaaten zeigt – griffen die Forscher auf histologische Techniken zurück, die die mikroskopische Struktur des Gewebes offenlegen.

Dazu mussten die Biologen des Teams die Gehirne der Tintenfische sorgfältig zerschneiden und sie dann mit bunten chemischen Markierungen anfärben, die die Positionen von Gehirnzellen und -teilen, einschließlich Neuronen, Gliazellen und Axonen, markieren.

Nachdem die Forscher schließlich den histologischen Atlas fertiggestellt und die acht MRT-Scans der Tintenfische mit Anmerkungen versehen hatten, fügten sie die acht Gehirne in einem einzigen Atlas zusammen. Insgesamt identifizierten sie 32 Lappen des Zwergtintenfisches, von denen sie die meisten anhand klassischer Studien von vor einem halben Jahrhundert mit spezifischen biologischen Funktionen und Verhaltensweisen in Verbindung bringen konnten.

Die beiden größten Lappen, die Sehlappen, verarbeiten beispielsweise visuelle Eingaben aus den faszinierenden Augen des Tieres. Die Motoneuronen in den Chromatophorlappen steuern die Farbänderungsmechanismen in der Haut. Ein vertikaler Lappen ist mit Lernen und Gedächtnis verbunden.

Obwohl diese Analyse der Tintenfischdaten selbst von Bedeutung ist, „besteht der Hauptzweck des Papiers darin, über das Visualisierungs- und Forschungstool Cuttlebase zu berichten und alles frei verfügbar und für jedermann leicht zugänglich zu machen“, sagte Dr. Montague.

Mit intuitiver Leichtigkeit können Benutzer histologische Schnitte aufrufen, die verschiedene Gehirnregionen und Nerven spezifizieren; ein drehbares und zoombares 3D-Modell des Gehirns; und ein 3D-Modell der 26 Organe des Tintenfischs, einschließlich seiner drei Herzen, seines Tintenbeutels, seines Schnabels und seiner Nerven, die Signale zwischen dem Gehirn und seinen acht Armen übertragen. Alle Daten in Cuttlebase stehen anderen Forschern zur Verfügung, auf denen sie in ihren Laboren aufbauen können. Erklärungen zu den Gehirnlappen und andere benutzerfreundliche Funktionen bieten Lernressourcen für Nicht-Experten.

Die Co-Autoren Sukanya Aneja und Dana Elkis (Webingenieurin bzw. Webdesignerin des Teams) vom Interactive Telecommunications Program der New York University, die auch Mitglieder des Cuttlebase-Teams sind, spielten eine führende Rolle bei der Entwicklung der Website.

„Wir hatten viel Hin und Her darüber, wie wir alles, was wir hatten, in ein webbasiertes Erlebnis umsetzen könnten, das sowohl Wissenschaftler als auch Nichtwissenschaftler ansprechen würde“, sagte Aneja.

„Wir mussten Videos, Bilder, das 3D-Vorlagenhirn, Illustrationen, Diagramme und Diagramme kombinieren“, bemerkte Elkis.

Co-Autorin Isabelle Rieth, Doktorandin im Interdepartmental Neuroscience Program der Northwestern University und ehemaliges Mitglied des Cuttlebase-Teams, brachte zusätzliche Designfähigkeiten ein, um das, was sonst ein Schwarz-Weiß-Weberlebnis gewesen wäre, in ein Erlebnis voller Farben zu verwandeln Helfen Sie dabei, zu verdeutlichen, was Benutzer sehen.

So herausfordernd und arbeitsintensiv das Projekt für die Mitarbeiter auch war, sie können nicht umhin, von den Tintenfischen, mit denen sie arbeiten und über die sie lernen, fasziniert zu sein.

„Es ist faszinierend, die Tintenfische zu beobachten“, sagte Dr. Montague. „Wenn sie sich tarnen oder miteinander kommunizieren, verraten sie einem effektiv auf ihrer Haut, was sie sehen und wie sie sich fühlen.“