Ein neuer Artikel erschienen in Wissenschaft schlägt grundlegende Unterschiede in der Nervennetzarchitektur vor, die unser bisheriges Verständnis der Evolution von Nervensystemen und ihrer Informationsübertragung in Frage stellen.
Mithilfe fortschrittlicher Technologien hat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Pawel Burkhardt vom Michael SARS Centre der Universität Bergen und Maike Kittelmann von der Oxford Brookes University die Konnektivität des Nervensystems von Rippenquallen, einer der ältesten Tierlinien, aufgedeckt. Bei der Rekonstruktion von Neuronen aus dem Nervennetz durch 3D-Elektronenmikroskopie entdeckten sie eine außergewöhnliche Architektur: ein kontinuierliches neuronales Netzwerk. Diese Ergebnisse stellen unser Verständnis des Nervensystems und seiner Evolution in Frage.
Theoriewechsel in der Neurobiologie
Seit der Arbeit der Wissenschaftler Santiago Ramón y Cajal und Fridtjof Nansen im 19. Jahrhundert wird die neurobiologische Forschung durch die Linse der Neuronenlehre interpretiert. Diese Theorie besagt, dass Nervensysteme aus diskreten Einzelzellen bestehen. Camillo Golgi stellte diese Theorie in Frage, indem er die Idee vorbrachte, dass Neuronen innerhalb eines Nervensystems als kontinuierliches Netzwerk verbunden sind. Cajal und Golgi teilten sich 1906 den Nobelpreis für ihre außergewöhnlichen Erkenntnisse, obwohl sie während ihrer gesamten Karriere erbitterte Konkurrenten waren.
3D-Rekonstruktion des Nervennetzes, Kammreihen, Sinneszellen, Mesoglealneuronen und eines Tentakels aus elektronenmikroskopischen Daten eines 1 Tag alten Rippenquallens. Bildnachweis: Pawel Burkhardt und Maike Kittelmann
Cajals Theorie wurde schließlich als richtig erwiesen, indem in den 1950er Jahren durch die Erfindung des Elektronenmikroskops neuronale Verbindungen, sogenannte Synapsen, identifiziert und damit Golgis Theorie widerlegt wurde. Diese neuen Erkenntnisse geben nun auch Golgi Recht.
Warum Rippenquallen?
Rippenquallen, auch Rippenquallen genannt, sind faszinierende Organismen, die seit etwa 600 Millionen Jahren in den Weltmeeren leben. Als sich die ersten Tiere entwickelten, waren Rippenquallen eine der ersten Tierlinien auf dem Planeten. In der frühen Evolution von Neuronen und Nervensystemen wurden möglicherweise mehrere Wege zur Herstellung eines Nervensystems etabliert.
Frühere Versuche, die Konnektivität des Nervensystems von Rippenquallen zu beschreiben, hatten sich als schwierig erwiesen, da die Organismen empfindlich und sehr zerbrechlich sind und die Untersuchung ihrer Anatomie eine große Herausforderung darstellte.
Die Anwendung neuer Technologien weckte Neugier
Pawel Burkhardts Zusammenarbeit mit Maike Kittelmann, einer Expertin für 3D-Elektronenmikroskopie, führte zu der wichtigen Beobachtung, dass ein einzelnes Neuron im Rippenquallen-Nervennetz ein kleines Netzwerk gebildet hatte, indem es seine neuronalen Fortsätze, auch Neuriten genannt, miteinander verschmolz.
Neugierig, diese Unregelmäßigkeit zu untersuchen, sammelten Pawel und Maike einen viel größeren 3D-Datensatz.
„Am Centre for Bioimaging an der Oxford Brookes University haben wir ein Serial Block Face SEM (Rasterelektronenmikroskop), das die automatisierte Erfassung von Hunderten von Bildern eines Tieres ermöglicht. Einer der Datensätze, die wir jetzt zur Verfügung haben, umfasst fünf Nervennetzneuronen und ihre weit verzweigte Neuriten“, sagt Maike. Die Rekonstruktion dieser Zellen offenbarte eine außergewöhnliche Architektur: Sie bilden ein kontinuierliches neuronales Netzwerk.
„Wir haben grundlegende Unterschiede zwischen dem Nervennetz von Rippenquallen und dem von Nesseltieren und anderen Tieren festgestellt“, sagt Burkhardt. „Das ist extrem spannend. Man könnte argumentieren: Ist es überhaupt ein Nervensystem?“
Trotz seiner einzigartigen Architektur weist das Ctenophor-Nervennetz Schlüsselmerkmale auf, die in Nervensystemen zu finden sind, wie Neuropeptide und Ionenkanäle, die Membranpotentiale erzeugen.
Was bedeuten die Befunde?
Die Charakterisierung des Ctenophor-Nervennetzes hat das Potenzial, Schlüsselinformationen über den evolutionären Ursprung von Nervensystemen zu liefern. Durch die Aufdeckung der einzigartigen und ungewöhnlichen Funktionsprinzipien von Ctenophor-Neuronen bieten die Teams eine neue Denkweise über Nervensystemarchitekturen und ebnen damit den Weg für eine neue Periode der vergleichenden neurowissenschaftlichen Forschung.
Mehr Informationen:
Pawel Burkhardt et al, Syncytial nerve net in a ctenophor fügt Einblicke in die Evolution von Nervensystemen hinzu, Wissenschaft (2023). DOI: 10.1126/science.ade5645. www.science.org/doi/10.1126/science.ade5645