Schmetterlingsgehirne offenbaren die für kognitive Innovation erforderlichen Optimierungen

Eine tropische Schmetterlingsart mit ungewöhnlich erweiterten Gehirnstrukturen zeigt ein faszinierendes Mosaikmuster neuronaler Expansion, das mit einer kognitiven Innovation verbunden ist.

Die Studie, veröffentlicht In Aktuelle Biologieuntersucht die neuronalen Grundlagen der Verhaltensinnovation bei Heliconius-Schmetterlingen, der einzigen bekannten Gattung, die sich sowohl von Nektar als auch von Pollen ernährt. Als Teil dieses Verhaltens zeigen sie eine bemerkenswerte Fähigkeit, räumliche Informationen über ihre Nahrungsquellen zu lernen und sich daran zu erinnern – Fähigkeiten, die zuvor mit der Erweiterung einer Gehirnstruktur namens Pilzkörper verbunden waren, die für Lernen und Gedächtnis verantwortlich ist.

Hauptautor Dr. Max Farnworth von der School of Biological Sciences der University of Bristol erklärte: „Es besteht großes Interesse daran, wie größere Gehirne eine verbesserte Kognition, Verhaltenspräzision oder Flexibilität unterstützen können. Bei der Gehirnvergrößerung ist es jedoch oft schwierig, die Auswirkungen der Zunahme zu entschlüsseln.“ Gesamtgröße aufgrund von Veränderungen in der internen Struktur.“

Um diese Frage zu beantworten, befassten sich die Studienautoren eingehender mit den Veränderungen, die in den neuronalen Schaltkreisen auftraten, die das Lernen und Gedächtnis bei Heliconius-Schmetterlingen unterstützen. Neuronale Schaltkreise ähneln elektrischen Schaltkreisen, da jede Zelle bestimmte Ziele hat, mit denen sie sich verbindet, und aus ihren Verbindungen ein Netz aufbaut. Dieses Netz löst dann durch den Aufbau einer Schaltung spezifische Funktionen aus.

Durch eine detaillierte Analyse des Schmetterlingsgehirns entdeckte das Team, dass sich bestimmte Zellgruppen, sogenannte Kenyon-Zellen, unterschiedlich schnell ausdehnten. Diese Variation führte zu einem Muster namens Mosaik-Gehirnevolution, bei dem sich einige Teile des Gehirns ausdehnen, während andere unverändert bleiben, analog zu Mosaikfliesen, die sich alle stark voneinander unterscheiden.

Dr. Farnworth erklärte: „Wir gehen davon aus, dass, weil wir diese Mosaikmuster neuronaler Veränderungen sehen, diese mit spezifischen Veränderungen in der Verhaltensleistung zusammenhängen werden – im Einklang mit der Reihe von Lernexperimenten, die zeigen, dass Heliconius seine nächsten Verwandten nur in sehr spezifischen Kontexten übertrifft.“ , wie zum Beispiel das visuelle Langzeitgedächtnis und das Lernen von Mustern.“

Um sich von Pollen zu ernähren, müssen Heliconius-Schmetterlinge über effiziente Nahrungswege verfügen, da Pollenpflanzen recht selten sind.

Projektleiter und Co-Autor Dr. Stephen Montgomery sagte: „Anstatt eine zufällige Route zur Nahrungssuche zu haben, wählen diese Schmetterlinge offenbar feste Routen zwischen Blumenressourcen – ähnlich einer Busroute. Die für dieses Verhalten erforderlichen Planungs- und Gedächtnisprozesse sind erfüllt.“ durch die Ansammlungen von Neuronen in den Pilzkörpern, weshalb wir durchweg von den internen Schaltkreisen fasziniert sind.

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass bestimmte Aspekte dieser Schaltkreise optimiert wurden, um die verbesserten Kapazitäten von Heliconius-Schmetterlingen zu erreichen.“

Diese Studie trägt zum Verständnis darüber bei, wie sich neuronale Schaltkreise verändern, um kognitive Innovationen und Veränderungen widerzuspiegeln. Die Untersuchung neuronaler Schaltkreise in beherrschbaren Modellsystemen wie Insekten verspricht, genetische und zelluläre Mechanismen aufzudecken, die allen neuronalen Schaltkreisen gemeinsam sind, und so möglicherweise zumindest auf mechanistischer Ebene die Lücke zu anderen Organismen wie dem Menschen zu schließen.

Mit Blick auf die Zukunft plant das Team, neuronale Schaltkreise zu erforschen, die über die Lern- und Gedächtniszentren des Schmetterlingsgehirns hinausgehen. Sie wollen außerdem die Auflösung ihrer Gehirnkartierung erhöhen, um die Verbindung einzelner Neuronen auf einer noch detaillierteren Ebene zu visualisieren.

Dr. Farnworth sagte: „Ich war wirklich fasziniert von der Tatsache, dass wir in der Anatomie und Evolution des Gehirns so hohe Erhaltungsgrade sehen, aber dann auch sehr deutliche, aber deutliche Veränderungen.“

„Dies ist ein wirklich faszinierendes und schönes Beispiel für eine Schicht der Artenvielfalt, die wir normalerweise nicht sehen, für die Vielfalt des Gehirns und der Sinnessysteme sowie für die Art und Weise, wie Tiere die Informationen ihrer Umgebung verarbeiten und nutzen“, schloss er Montgomery.