Wie entsteht tierisches Verhalten aus Netzwerken verbundener Neuronen? Wie entstehen diese unglaublichen Nervensysteme und Verhaltensweisen tatsächlich durch die Evolution? Gibt es Prinzipien, die alle Nervensysteme gemeinsam haben, oder gibt es in der Evolution ständig Neuerungen? Wie sah das erste Nervensystem aus, das die unglaubliche Vielfalt des Lebens hervorbrachte, das wir um uns herum sehen?
Brandon „Brady“ Weissbourd, ein neues Fakultätsmitglied in der Abteilung für Biologie und Forscher am Picower Institute for Learning and Memory, kombiniert die Untersuchung des Verhaltens von Tieren mit Studien zur Form, Funktion und Entwicklung des Nervensystems und verwendet die winzige, transparente Qualle Clytia hemisphaerica, ein neues neurowissenschaftliches Modell.
Im Jahr 2021 haben Sie einen neuen Modellorganismus für die neurowissenschaftliche Forschung entwickelt, die transparente Qualle Clytia hemisphaerica. Wie beantworten diese Quallen Fragen zur Neurowissenschaft, zum Nervensystem und zur Evolution auf eine Weise, die andere Modelle nicht können?
Erstens glaube ich an die Bedeutung eines umfassenderen Verständnisses der natürlichen Welt und einer Diversifizierung der Organismen, die wir intensiv untersuchen. Ein Grund besteht darin, experimentell beherrschbare Organismen zu finden, um verallgemeinerbare biologische Prinzipien zu identifizieren – zum Beispiel verstehen wir die Grundlage dafür, wie Neuronen „feuern“, aus Studien des Riesenaxons des Tintenfischs. Ein weiterer Grund ist, dass transformative Durchbrüche durch die Identifizierung evolutionärer Innovationen erzielt wurden, die bereits in der Natur vorkommen – zum Beispiel grün fluoreszierendes Protein (GFP, aus Quallen) oder CRISPR (aus Bakterien). In beiden Fällen ist diese Qualle eine wertvolle Ergänzung zu bestehenden Modellen.
Ich habe mich schon immer für die Schnittstelle zwischen zwei Arten von Problemen interessiert: Wie Nervensysteme unser Verhalten erzeugen; und wie diese unglaublichen Systeme tatsächlich durch die Evolution geschaffen wurden.
Auf der Seite der Systemneurowissenschaften habe ich mich seit meiner Doktorarbeit mit dem Serotoninsystem beschäftigt. Mich fasziniert das Problem, wie Tiere ihr gesamtes Verhalten gleichzeitig auf flexible und kontextabhängige Weise steuern und wie Verhaltensentscheidungen nicht nur von eingehenden Reizen abhängen, sondern auch davon, wie diese Reize mit sich ständig ändernden Zuständen des Nervensystems interagieren Körper. Hierbei handelt es sich um äußerst komplexe und schwierige Probleme, mit der besonderen Herausforderung der Wechselwirkungen über Skalen hinweg, von der chemischen Signalübertragung und der dynamischen Zellbiologie bis hin zu neuronalen Netzwerken und Verhalten.
Um diese Fragen zu beantworten, wollte ich in einen Modellorganismus mit außergewöhnlicher experimenteller Durchführbarkeit vordringen.
Es gab aufregende Durchbrüche bei bildgebenden Verfahren für die Neurowissenschaften, einschließlich dieser unglaublichen Möglichkeiten, wie wir die neuronale Aktivität in einem lebenden Tier tatsächlich beobachten und manipulieren können. Das erste, was ich wollte, war ein kleiner und transparenter Organismus, der einen solchen optischen Ansatz ermöglichen würde. Diese Quallen haben einen Durchmesser von wenigen Millimetern und sind völlig durchsichtig, mit interessanten Verhaltensweisen, aber relativ kompakten Nervensystemen. Sie haben Tausende von Neuronen, während wir Milliarden haben, was sie auch auf eine schöne mittlere Komplexität im Vergleich zu anderen weit verbreiteten transparenten Modellen bringt – zum Beispiel hat C. elegans 302 Neuronen und Zebrafischlarven allein im Gehirn etwa 100.000. Diese Merkmale werden es uns ermöglichen, die Aktivität des gesamten Nervensystems bei sich verhaltenden Tieren zu untersuchen, um zu verstehen, wie diese Aktivität zu Verhaltensweisen führt und wie diese Aktivität selbst aus Netzwerken von Neuronen entsteht.
Auf der Evolutionsseite unserer Arbeit interessieren wir uns für die Ursprünge von Nervensystemen, dafür, wie die ersten Nervensysteme aussahen, und im Großen und Ganzen, welche Optionen es für die Organisation und Funktionsweise von Nervensystemen gibt: Inwieweit gibt es Prinzipien gegenüber interessanten und potenziell nützliche Innovationen und ob es Prinzipien gibt, ob diese optimal sind oder irgendwie durch die Evolution eingeschränkt werden. Unser letzter gemeinsamer Vorfahre mit Quallen und ihren Verwandten (den Nesseltieren) ähnelte dem ersten Nervensystem. Wenn wir also das, was wir bei Nesseltieren finden, mit der Arbeit in anderen Modellen vergleichen, können wir Rückschlüsse auf die Ursprünge und die frühe Entwicklung des Nervensystems ziehen. Während wir diese äußerst unterschiedlichen Tiere weiter erforschen, entdecken wir auch aufregende evolutionäre Innovationen: Insbesondere verfügen sie über unglaubliche Fähigkeiten zur Regeneration ihres Nervensystems. In Zukunft wird es spannend sein, besser zu verstehen, wie diese neuronalen Netze organisiert sind, um eine solche Robustheit zu ermöglichen.
Welche Arbeit ist erforderlich, um einen neuen Organismus als Modell zu entwickeln, und warum haben Sie sich für diese spezielle Quallenart entschieden?
Wenn Sie sich für ein neues Tiermodell entscheiden, kommt es nicht nur darauf an, ob es über die richtigen Funktionen für die von Ihnen gestellten Fragen verfügt, sondern auch darauf, ob es Ihnen technisch die richtigen Experimente ermöglicht. Das von uns verwendete Modell wurde zuerst von einer Forschungsgruppe in Frankreich entwickelt, die viele Jahre lang die wirklich harte Arbeit geleistet hat, um herauszufinden, wie man den gesamten Lebenszyklus im Labor kultivieren, Eier injizieren und andere wichtige Ressourcen entwickeln kann. Für mich war die große Frage, ob wir die genetischen Werkzeuge, die ich zuvor beschrieben habe, zur Untersuchung der neuronalen Aktivität nutzen könnten. In enger Zusammenarbeit mit Mitarbeitern in Frankreich bestand unser erster Schritt darin, herauszufinden, wie man Dinge in das Quallengenom einfügt. Wenn wir das nicht herausfinden könnten, würde ich wieder mit Mäusen arbeiten. Die Fehlersuche hat uns etwa zwei Jahre gekostet, aber jetzt können wir im Labor routinemäßig gentechnisch veränderte Quallen erzeugen.
Der Wechsel zu einem neuen Tiermodell ist schwierig – ich habe einen Hintergrund in der Maus-Neurowissenschaft und bin einem Postdoc-Labor beigetreten, in dem Mäuse und Fliegen verwendet wurden; Ich war die einzige Person, die mit Quallen arbeitete, hatte aber keine Erfahrung. Eines meiner Ziele besteht nun darin, diesen gesamten Prozess zu optimieren und zu vereinfachen, damit wir anderen Laboren, die mit der Arbeit mit Quallen beginnen möchten, eine einfache Aquakulturplattform zur Verfügung haben, die ihnen den Einstieg erleichtert, auch wenn sie keine Erfahrung haben.
Neben der Tatsache, dass diese Dinger winzig und durchsichtig sind, haben wir uns vor allem für diese spezielle Art entschieden, weil sie einen erstaunlichen Lebenszyklus hat, der sie zu einem aufregenden Labortier macht.
Sie haben unterschiedliche Geschlechter, die täglich laichen, wobei sich die befruchteten Eier zu Larven entwickeln, die sich dann in Polypen verwandeln. Wir züchten diese Polypen auf Objektträgern, wo sie Kolonien bilden, die als unsterblich gelten. Diese Kolonien setzen dann ständig Quallen frei, bei denen es sich allesamt um genetisch identische „Klone“ handelt, die für Experimente verwendet werden können. Das bedeutet, dass Sie, sobald Sie einen gentechnisch veränderten Stamm, wie eine transgene Linie oder einen Knockout, geschaffen haben, ihn für immer als Polypenkolonie behalten können – und da die Tiere so klein sind, können wir sie in großen Mengen im Labor kultivieren.
Es gibt noch eine Menge grundlegender Arbeit zu erledigen, etwa die Charakterisierung ihres Verhaltensrepertoires und der Organisation des Nervensystems. Es ist schockierend, wie wenig wir über die Grundlagen der Quallenbiologie wissen – insbesondere wenn man bedenkt, dass sie jedes Jahr mehr Menschen töten als Haie und Stachelrochen zusammen – und je mehr wir uns damit befassen, desto mehr Fragen tauchen auf.
Was hat Sie zu einer Fakultätsstelle am MIT bewogen?
Ich wollte in einer Abteilung sein, die Grundlagenforschung betreibt, sich für die Grundlagenwissenschaft begeistert, aufgeschlossen ist und sehr vielfältig ist in dem, woran die Leute arbeiten und worüber sie nachdenken. Mein Ziel ist es auch, letztendlich Mechanismen auf molekularer und zellulärer Ebene mit dem Verhalten von Organismen verknüpfen zu können [the] MIT [Department of] Die Biologie ist dabei besonders stark. Es waren aufregende erste Monate! MIT Biology ist ein großartiger Ort, um Wissenschaft zu betreiben, und es war wunderbar, wie enthusiastisch und unterstützend alle in der Abteilung waren.
Außerdem fühlte ich mich von der breiteren Community zum MIT hingezogen und fand es bereits so einfach, mit Menschen aus den Bereichen Neurowissenschaften, Ingenieurwesen und Mathematik zusammenzuarbeiten. Ich freue mich auch darüber, seit kurzem Mitglied des Picower Institute for Learning and Memory zu sein, was diese Zusammenarbeit auf eine Art und Weise ermöglicht, die meiner Meinung nach einen Wandel für die Arbeit in meinem Labor bedeuten wird.
Es ist ein neues Labor. Es ist ein neuer Organismus. Es gibt kein großes, gut etabliertes Feld, das diese Ansätze verfolgt. Es gibt so vieles, was wir nicht wissen, und so vieles, das wir von Grund auf neu ermitteln müssen. Mein Ziel ist es, dass mein Labor ein Gefühl von Abenteuer und Spaß vermittelt, und ich freue mich sehr, dies hier am MIT Biology zu tun.
Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.