Wie Tintenfische und Oktopusse zu ihren großen Gehirnen kommen

Kopffüßer – zu denen Tintenfische, Tintenfische und ihre Cousins ​​​​mit Tintenfischen gehören – sind zu einigen wirklich charismatischen Verhaltensweisen fähig. Sie können Informationen schnell verarbeiten, um Form, Farbe und sogar Textur zu verändern und sich an ihre Umgebung anzupassen. Sie können auch kommunizieren, Anzeichen von räumlichem Lernen zeigen und Werkzeuge zur Lösung von Problemen verwenden. Sie sind so schlau, dass sie sich sogar langweilen können.

Es ist kein Geheimnis, was es möglich macht: Kopffüßer haben die komplexesten Gehirne aller Wirbellosen auf dem Planeten. Rätselhaft bleibt jedoch der Entstehungsprozess. Grundsätzlich haben sich Wissenschaftler schon lange gefragt, wie Kopffüßer überhaupt zu ihren großen Gehirnen kommen. Ein Harvard-Labor, das das visuelle System dieser Kreaturen mit weichem Körper untersucht – auf das sich zwei Drittel ihres zentralen Verarbeitungsgewebes konzentrieren – glaubt, dass sie es fast geschafft haben, es herauszufinden. Der Prozess, sagen sie, kommt ihnen überraschend bekannt vor.

In einer Studie veröffentlicht in Aktuelle Biologie, beschreiben Forscher des FAS Center for Systems Biology, wie sie mithilfe einer neuen Live-Imaging-Technik die Bildung von Neuronen im Embryo fast in Echtzeit beobachten konnten. Sie waren dann in der Lage, diese Zellen durch die Entwicklung des Nervensystems in der Netzhaut zu verfolgen. Was sie sahen, überraschte sie.

Die neuralen Stammzellen, die sie verfolgten, verhielten sich unheimlich ähnlich wie diese Zellen in Wirbeltieren während der Entwicklung ihres Nervensystems. Es deutet darauf hin, dass Wirbeltiere und Kopffüßer, obwohl sie sich vor 500 Millionen Jahren voneinander unterschieden, nicht nur ähnliche Mechanismen verwenden, um ihre großen Gehirne herzustellen, sondern dass dieser Prozess und die Art und Weise, wie die Zellen agieren, sich teilen und geformt sind, im Wesentlichen die Ursache dafür sein könnten Blaupause erforderlich, um diese Art von Nervensystem zu entwickeln.

„Unsere Schlussfolgerungen waren überraschend, denn vieles, was wir über die Entwicklung des Nervensystems bei Wirbeltieren wissen, galt lange Zeit als speziell für diese Linie“, sagte Kristen Koenig, John Harvard Distinguished Fellow und leitende Autorin der Studie.

„Durch die Beobachtung der Tatsache, dass der Prozess sehr ähnlich ist, deutet es uns an, dass diese beiden unabhängig voneinander entwickelten, sehr großen Nervensysteme dieselben Mechanismen verwenden, um sie aufzubauen. Das deutet darauf hin, dass diese Mechanismen – diese Werkzeuge – die Tiere verwenden während der Entwicklung kann für den Aufbau großer Nervensysteme wichtig sein.“

Die Wissenschaftler des Koenig-Labors konzentrierten sich auf die Netzhaut eines Tintenfischs namens Doryteuthis pealeii, einfacher bekannt als eine Art Langflossen-Tintenfisch. Die Tintenfische werden etwa einen Fuß lang und sind im Nordwestatlantik reichlich vorhanden. Als Embryonen sehen sie bezaubernd aus, mit großen Köpfen und großen Augen.

Die Forscher verwendeten ähnliche Techniken wie die populären, um Modellorganismen wie Fruchtfliegen und Zebrafische zu untersuchen. Sie entwickelten spezielle Werkzeuge und verwendeten hochmoderne Mikroskope, die stundenlang alle zehn Minuten hochauflösende Bilder aufnehmen konnten, um zu sehen, wie sich einzelne Zellen verhielten. Die Forscher verwendeten fluoreszierende Farbstoffe, um die Zellen zu markieren, damit sie sie kartieren und verfolgen konnten.

Diese Live-Imaging-Technik ermöglichte es dem Team, Stammzellen, sogenannte neurale Vorläuferzellen, und ihre Organisation zu beobachten. Die Zellen bilden eine spezielle Art von Struktur, die als pseudostratifiziertes Epithel bezeichnet wird. Sein Hauptmerkmal ist, dass die Zellen länglich sind, sodass sie dicht gepackt werden können. Die Forscher sahen auch, wie sich der Kern dieser Strukturen vor und nach der Teilung auf und ab bewegte. Diese Bewegung ist wichtig, um das Gewebe organisiert zu halten und das Wachstum fortzusetzen, sagten sie.

Diese Art von Struktur ist universell dafür, wie Wirbeltierarten ihr Gehirn und ihre Augen entwickeln. In der Vergangenheit galt dies als einer der Gründe, warum das Nervensystem von Wirbeltieren so groß und komplex werden konnte. Wissenschaftler haben Beispiele dieser Art von neuralem Epithel bei anderen Tieren beobachtet, aber das Tintenfischgewebe, das sie in diesem Fall untersuchten, war in seiner Größe, Organisation und der Art und Weise, wie sich der Zellkern bewegte, ungewöhnlich ähnlich wie Gewebe von Wirbeltieren.

Die Forschung wurde von Francesca R. Napoli und Christina M. Daly, wissenschaftliche Mitarbeiter im Koenig Lab, geleitet.

Als nächstes will das Labor untersuchen, wie verschiedene Zelltypen im Gehirn von Kopffüßern entstehen. Koenig möchte feststellen, ob sie zu unterschiedlichen Zeiten exprimiert werden, wie sie sich entscheiden, eine Art von Neuron gegen eine andere zu werden, und ob diese Aktion bei allen Arten ähnlich ist.

Koenig ist gespannt auf die potenziellen Entdeckungen, die vor ihm liegen.

„Einer der großen Erkenntnisse aus dieser Art von Arbeit ist, wie wertvoll es ist, die Vielfalt des Lebens zu studieren“, sagte Koenig. „Indem Sie diese Vielfalt studieren, können Sie wirklich auf grundlegende Ideen zurückkommen, sogar über unsere eigene Entwicklung und unsere eigenen biomedizinisch relevanten Fragen. Sie können wirklich zu diesen Fragen sprechen.“