Ein neues Modell für die Evolution des Honigbienengehirns

Forscher haben ein neues Modell für die Evolution höherer Gehirnfunktionen und Verhaltensweisen in der Insektenordnung der Hymenoptera vorgeschlagen. Das Team verglich die Kenyon-Zellen, eine Art neuronaler Zellen, in den Pilzkörpern (ein Teil des Insektengehirns, das an Lernen, Gedächtnis und sensorischer Integration beteiligt ist) von „primitiven“ Blattwespen und hochentwickelten Honigbienen.

Sie fanden heraus, dass sich drei verschiedene, spezialisierte Kenyon-Zell-Subtypen im Gehirn von Honigbienen anscheinend aus einem einzigen, multifunktionalen Vorfahren des Kenyon-Zell-Subtyps entwickelt haben. In Zukunft könnte uns diese Forschung helfen, die Entwicklung einiger unserer eigenen höheren Gehirnfunktionen und Verhaltensweisen besser zu verstehen.

Sind Sie „fleißig wie eine Biene“, ein „sozialer Schmetterling“ oder eine „Fliege an der Wand“? Es gibt viele Möglichkeiten, wie wir unser Verhalten mit dem von Insekten vergleichen, und wie sich herausstellt, steckt möglicherweise mehr dahinter als nur lustige Redewendungen. Das Studium von Insekten könnte uns helfen, nicht nur zu verstehen, wie sich ihr Verhalten entwickelt hat, sondern auch das Verhalten hoch entwickelter Tiere, einschließlich uns selbst.

Das Gehirn von Säugetieren ist groß und komplex, daher ist es schwierig zu erkennen, welche Verhaltensweisen und neuralen und genetischen Veränderungen sich im Laufe der Zeit gemeinsam entwickelt haben. Im Vergleich dazu sind Insektengehirne viel kleiner und einfacher, was sie zu nützlichen Modellen für Studien macht.

„Im Jahr 2017 berichteten wir, dass die Komplexität von Kenyon-Zell (KC)-Subtypen in Pilzkörpern in Insektengehirnen mit der Verhaltensdiversifizierung bei Hautflüglern (einer großen und vielfältigen Ordnung von Insekten) zunimmt“, erklärte Professor Takeo Kubo von der Graduate School of Science at der Universität Tokio und Co-Autor der aktuellen Studie, die in veröffentlicht wurde Wissenschaftliche Fortschritte.

„Mit anderen Worten, je mehr KC-Subtypen ein Insekt hat, desto komplexer sein Gehirn und die Verhaltensweisen, die es zeigen kann. Aber wir wussten nicht, wie sich diese verschiedenen Subtypen entwickelt haben. Das war der Anstoß für diese neue Studie.“

Das Team der Universität Tokio und der japanischen National Agriculture and Food Research Organization (NARO) wählte zwei Hymenoptera-Arten als Vertreter für unterschiedliche Verhaltensweisen aus: die einsame Rübenblattwespe (die einen einzigen KC-Subtyp hat) und die hochentwickelte, soziale Honigbiene (die einen einzigen KC-Subtyp hat). drei KC-Subtypen).

Da die Sägefliege ein „primitiveres“ Gehirn hat, wird angenommen, dass sie einige angestammte Eigenschaften des Honigbienengehirns enthält. Um die potenziellen Evolutionswege zwischen ihnen aufzudecken, verwendeten die Forscher eine Transkriptomanalyse, um die Genexpressionsprofile (die genetische Aktivität) der verschiedenen KC-Subtypen zu identifizieren und ihre Funktionen zu spekulieren.

„Ich war überrascht, dass jeder der drei KC-Subtypen in der Honigbiene eine vergleichbare Ähnlichkeit mit dem einzelnen KC-Typ in der Blattwespe aufwies“, sagte Assistenzprofessor Hiroki Kohno, Co-Autor der Graduate School of Science. „Basierend auf unserer anfänglichen vergleichenden Analyse mehrerer Gene hatten wir zuvor angenommen, dass zusätzliche KC-Subtypen nacheinander hinzugefügt wurden. Sie scheinen jedoch durch funktionelle Trennung und Spezialisierung von einem multifunktionalen Ahnentyp getrennt worden zu sein.“

Als die Anzahl der KC-Subtypen zunahm, erbte jeder Subtyp fast gleichermaßen einige unterschiedliche Eigenschaften von einem angestammten KC. Diese wurden dann auf unterschiedliche Weise modifiziert, was zu ihren vielfältigen heutigen Funktionen führte.

Die Forscher wollten ein konkretes Verhaltensbeispiel dafür, wie angestammte KC-Funktionen sowohl in der Blattwespe als auch in der Honigbiene vorhanden sind. Also trainierten sie Blattwespen für einen gemeinsamen Honigbienen-Verhaltenstest, bei dem sie lernen, einen Geruchsreiz mit einer Belohnung zu assoziieren. Obwohl es anfangs eine Herausforderung war, konnte das Team die Blattwespen schließlich in die Gedächtnisaufgabe einbeziehen.

Die Forscher manipulierten dann ein Gen namens CaMKII in Blattwespenlarven, das bei Honigbienen mit der Bildung des Langzeitgedächtnisses, einer KC-Funktion, in Verbindung gebracht wird. Als die Larven erwachsen wurden, war ihr Langzeitgedächtnis beeinträchtigt, was darauf hindeutet, dass das Gen sowohl bei Blattwespen als auch bei Honigbienen eine ähnliche Rolle spielt. Obwohl CaMKII in Sägeblättern über den gesamten einzelnen KC-Subtyp exprimiert wurde (dh aktiv war), wurde es bei Honigbienen vorzugsweise nur in einem KC-Subtyp exprimiert. Dies deutet darauf hin, dass die Rolle von CaMKII im Langzeitgedächtnis an den spezifischen KC-Subtyp in der Honigbiene weitergegeben wurde.

Trotz Unterschieden in der Größe und Komplexität der Gehirne von Insekten und Säugetieren gibt es Gemeinsamkeiten in Bezug auf die Funktion und die grundlegende Architektur des Nervensystems. Aus diesem Grund kann das in dieser Studie vorgeschlagene Modell für die Evolution und Diversifizierung von KC-Subtypen dazu beitragen, die Evolution unseres eigenen Verhaltens besser zu verstehen. Als nächstes interessiert sich das Team für die Untersuchung von KC-Typen, die parallel zu sozialen Verhaltensweisen wie dem „Wackeltanz“ der Honigbiene erworben wurden.

„Wir möchten klären, ob das hier vorgestellte Modell auf die Evolution anderer Verhaltensweisen anwendbar ist“, sagte Takayoshi Kuwabara, Doktorand und Hauptautor der Graduate School of Science. „Es gibt viele Rätsel um die neuronale Basis, die das Sozialverhalten steuert, sei es bei Insekten, Tieren oder Menschen. Wie sie sich entwickelt hat, ist noch weitgehend unbekannt. Ich glaube, dass diese Studie eine Pionierarbeit auf diesem Gebiet ist.“