Eine neue Studie von Prof. Benny Hochner vom Alexander Silberman Institute of Life Sciences an der Hebrew University und Prof. Jeff Lichtman von der Harvard University hat die komplexe neuronale Architektur enthüllt, die die rätselhaften Lernprozesse von Octopus vulgaris steuert.
Diese Forschung stellt ein vielversprechendes Modell für die Erforschung von Gedächtnisnetzwerken vor, mit Auswirkungen sowohl auf die Kognition von Kopffüßern, die als die intelligentesten Wirbellosen gelten, als auch auf umfassendere Einblicke in Gedächtnisprozesse, einschließlich derjenigen beim Menschen. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht eLife.
Der Oktopus, der durch 700 Millionen Jahre Evolution von uns getrennt ist, verfügt über kognitive Fähigkeiten, die denen höherer Wirbeltiere in nichts nachstehen. Das Team von Prof. Hochner an der Hebräischen Universität konzentrierte sich auf den vertikalen Lappen des Zentralnervensystems des Oktopus, der für Lernen und Gedächtnis von entscheidender Bedeutung ist. Ihr Ziel war es, neuronale Netze und Mechanismen verschiedener Arten zu vergleichen.
Die Zusammenarbeit mit dem Labor von Prof. Jeff Lichtman an der Harvard University nutzte innovative automatisierte Gewebevorbereitung und neue Rekonstruktionsalgorithmen für maschinelles Lernen. Diese Spitzentechnologie ermöglichte das Schneiden und Sortieren ultradünner Abschnitte, von denen jeder nur 30 Millionstel Millimeter dick ist, und so eine dreidimensionale Darstellung der Strukturelemente zu erstellen, aus denen das Netzwerk besteht.
Prof. Hochner bemerkte: „Unsere früheren Studien zeigten ein faszinierendes Phänomen der langfristigen synaptischen Stärkung (Long-Term Potentiation – LTP) sogar innerhalb des vertikalen Lappens des Oktopus. Dieses Phänomen gilt als universeller synaptischer Prozess, der für Lernen und Gedächtnis unerlässlich ist.“ , erregte unsere Aufmerksamkeit.“
„Wir haben die Konnektivität der vertikalen Keule mit der Präzision eines Elektronenmikroskops akribisch aufgezeichnet und dabei eine Auflösung in der Größenordnung von etwa 4 Millionstel Millimetern erreicht. Gemeinsam mit dem Team von Prof. Jeff Lichtman an der Harvard University haben wir neben einem Robotersystem ein.“ Hochentwickelter Rechenalgorithmus, der in einzigartiger Weise Hunderte von ultradünnen Abschnitten (jeder nur 30 Millionstel Millimeter dick) in einer umfassenden 3D-Struktur organisieren kann. Dieser innovative Ansatz ermöglichte es uns, das Konnektom zu verfolgen – nämlich die komplizierten synaptischen Verbindungen zwischen den neuronalen Elementen, aus denen es besteht das Netzwerk.“
Unter der Leitung der Postdoktoranden Dr. Flavie Bidel von der Hebrew University und Dr. Yaron Meirovitch von der Harvard University wurde ein winziges Gewebevolumen, das den vertikalen Lappen darstellt, sorgfältig rekonstruiert, um das Konnektom freizulegen. Durch die Anwendung fortschrittlicher Algorithmen des maschinellen Lernens und präziser Annotation konnten die Forscher die Verkabelung des vertikalen Lappens im Gehirn von Oktopussen kartieren.
Dies stellte etablierte Vorstellungen über die Funktionalität neuronaler Netzwerke im Kontext von Lernen und Gedächtnis in Frage. Im Gegensatz zu typischen Modellen arbeitet das Netzwerk des vertikalen Lappens in einer Feed-Forward-Konfiguration, ähnlich einer Einbahnstraße, wobei Informationen nur von den Eingabeneuronen zu den Ausgabeneuronen gelangen, die das Verhalten des Oktopus steuern.
Im Mittelpunkt dieser Einfachheit steht die Organisationsstruktur von etwa 25 Millionen Interneuronen, die in zwei verschiedene Gruppen unterteilt sind: einfache Amakrinzellen (SAMs) und komplexe Amakrinzellen (CAMs). Die rund 23 Millionen SAMs sind auf das Erlernen visueller Eigenschaften durch synaptische Verstärkung spezialisiert. Im Gegensatz dazu spielen die CAMs, deren Gesamtzahl etwa 400.000 beträgt, eine entscheidende Rolle bei der Konsolidierung des Aktivitätsniveaus.
Die beiden Zelltypen senden ihre axonalen Zweige, um sich mit größeren Zellen in der Ausgangsschicht zu verbinden. Einfache Zellen, die „gelernte“ Informationen übertragen, aktivieren die großen Zellen, während komplexe Zellen sie weniger aktiv machen und steuern, wie das Gehirn effizient arbeitet.
Diese evolutionäre Anpassung unterstreicht die einzigartigen kognitiven Fähigkeiten des Oktopus und trägt zu unserem Verständnis neuronaler Mechanismen bei, die für kognitive Funktionen wichtig sind. Die Forschung zeigt, dass Octopus vulgaris ein unschätzbar wertvoller Modellorganismus für die tiefgreifende Erforschung von Gedächtniserwerbsnetzwerken ist, und öffnet Türen für die weitere Entschlüsselung der Feinheiten der kognitiven Prozesse von Kopffüßern, wodurch unser Verständnis des Gedächtnisses bei verschiedenen Arten bereichert wird.
Mehr Informationen:
Flavie Bidel et al., Connectomics of the Octopus vulgaris Vertical lobe bietet Einblicke in konservierte und neuartige Prinzipien eines Gedächtniserfassungsnetzwerks. eLife (2023). DOI: 10.7554/eLife.84257