Aufgrund ihrer einfachen Körperstruktur mit einer begrenzten Anzahl an Zelltypen können Süßwasserpolypen (Hydra) zur Untersuchung vieler grundlegender Prozesse des Lebens genutzt werden. In den letzten Jahren erlebte Hydra auch eine Renaissance als Modellorganismus für die Neurowissenschaften – dank der US-amerikanischen BRAIN-Initiative.
„Hydra haben ein sehr einfaches Nervensystem ohne zentrale Steuerung, also kein Gehirn. Das recht komplexe Verhalten des Polypen wird durch ein Nervennetzwerk gesteuert“, erklärt Hydra-Experte Prof. Bert Hobmayer vom Institut für Zoologie. „Das Spannende am Nervensystem der Hydra ist auch, dass es wie die Hydra ständig wächst. Allerdings ist noch nicht klar, wie die täglich neu produzierten Nervenzellen in das bestehende System integriert werden.“
Eine neue Studie kürzlich veröffentlicht im Tagebuch eLife unter der Leitung der LMU München informiert über Neuigkeiten zu diesem Thema. Obwohl die Nerven bei Hydra wie bei höher entwickelten Tieren über Neuriten verbunden sind, werden die Nervenimpulse nicht direkt von Neuritenspitze zu Neuritenspitze weitergeleitet, sondern Neuriten verschiedener Nervenzellen liegen nebeneinander und bilden Bündel.
„Die Bündel bestehen aus zwei bis sieben Neuriten, und die Informationsübertragung erfolgt über die gesamte Länge des Bündels“, hebt Hobmayer ein Ergebnis hervor, das die Forscher besonders überraschte.
Die Kombination aus hochauflösender Elektronenmikroskopie und neuen molekularbiologischen Methoden zeigte außerdem, dass die Kommunikation im Nervensystem hauptsächlich über Zell-Zell-Verbindungen, sogenannte Gap Junctions, erfolgt.
Durch diese spezielle Struktur können sich Reize mit relativ hoher Geschwindigkeit über das gesamte Nervensystem ausbreiten und das Verhalten des Polypen steuern. Die Forscher konnten außerdem zeigen, dass Hydra über zwei unabhängige Nervennetzwerke verfügt.
Antikörper mit Geschichte
Möglich wurden diese und weitere detaillierte Beobachtungen durch einen Antikörper, der vor mehr als 20 Jahren in einem Forschungsprojekt entdeckt wurde, an dem Hobmayer an der LMU München beteiligt war. „Wir haben den Antikörper für einen anderen Zweck hergestellt, nämlich um Cadherin zu lokalisieren. Dafür war er ungeeignet, aber es wurde damals schon beschrieben, dass er das Nervensystem anfärbt“, sagt der Wissenschaftler.
Genau dieser Antikörper wurde für die kürzlich veröffentlichte Studie verwendet, die unter der Leitung von Charles David, Hobmayers ehemaligem Doktorvater, durchgeführt wurde. Der Kontakt zwischen Mentor und Mentee wird seit Jahrzehnten gepflegt und es entsteht eine alte neue Zusammenarbeit.
Die Zoologen der Universität Innsbruck unterstützten die Studie vor allem durch ihre methodische Expertise im Umgang mit Hydra. „Die Betrachtung von Prozessen der Zellkommunikation in lebenden Organismen erfordert eine sehr individuelle und gute Vorbereitung des tierischen Gewebes“, sagt Hobmayer.
„Nur so können wir jedes einzelne Gewebe mit der bestmöglichen Auflösung im Elektronenmikroskop untersuchen.“ Die Forscher kombinierten die Daten des Transmissionselektronenmikroskops mit molekularen Daten und erhielten so ein viel besseres Bild davon, wie die Reizausbreitung in diesem evolutionär sehr ursprünglichen Nervensystem abläuft.
Relikte der Evolution
Doch das Verständnis des Nervensystems der Hydra bedeutet für die Wissenschaft noch mehr: Nämlich einen vergleichenden Einblick in die Evolution vielzelliger Tiere und ihrer Nervensysteme zu gewinnen.
Hydra sind Nesseltiere, die mehr als 600 Millionen Jahre alt sind. Nur Schwämme und Wabengelees sind noch älter; beide gelten als mögliche Ausgangspunkte für mehrzellige Tiere und verfügen über unterschiedliche Vorläufer von Nervensystemen, die sich beide von denen der Hydra unterscheiden.
„Man kann an diesen verschiedenen Gruppen erkennen, wie die Evolution experimentiert hat“, sagt Hobmayer und verweist in diesem Zusammenhang auf neuere Forschungen, die die Kammqualle, die zusammen mit Hydra zu den Coelenterata gehört, als Vorfahren aller vielzelligen Tiere einschätzt.
Mehr Informationen:
Athina Keramidioti et al., Ein neuer Blick auf die Architektur und Dynamik des Hydra-Nervennetzes, eLife (2024). DOI: 10.7554/eLife.87330.2