Wie Tintenfische und Oktopusse zu ihren großen Gehirnen kommen

Zusammenfassung: Die neuralen Stammzellen von Kopffüßern funktionieren während der Entwicklung des Nervensystems ähnlich wie die von Wirbeltieren.

Quelle: Harvard

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

Es ist kein Geheimnis, was dies möglich macht: Kopffüßer haben die komplexesten Gehirne aller Wirbellosen auf dem Planeten. Was jedoch ein Rätsel bleibt, ist der Prozess. Im Grunde haben sich Wissenschaftler schon lange gefragt, wie Kopffüßer überhaupt zu ihren großen Gehirnen kommen?

Das Harvard-Labor, das das visuelle System dieser Kreaturen mit weichem Körper untersucht – wo zwei Drittel des zentralen Verarbeitungsgewebes konzentriert sind – glaubt, dass sie kurz davor stehen, es zu entdecken. Sie sagen, dass der Prozess überraschend vertraut klingt.

Forscher des FAS-Zentrums für Systembiologie beschreiben, wie sie mithilfe einer neuen Live-Imaging-Technologie die Bildung von Neuronen in einem Embryo nahezu in Echtzeit beobachten konnten. Dann konnten sie diese Zellen durch die Entwicklung des Nervensystems in der Netzhaut verfolgen. Was sie sahen, überraschte sie.

Die neuralen Stammzellen, die sie verfolgten, verhielten sich auf unheimliche Weise mit der Art und Weise, wie sich diese Zellen in Wirbeltieren verhalten, als sich ihr Nervensystem entwickelte.

Es wird vermutet, 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 Zellen funktionieren, sich teilen und bilden, grundlegend den Bauplan zeichnen können, der für die Entwicklung dieses Typs erforderlich ist des Nervensystems.

„Unsere Schlussfolgerungen waren überraschend, weil man lange dachte, dass vieles von dem, was wir über die Entwicklung des Nervensystems bei Wirbeltieren wissen, dieser Linie eigen ist“, sagte Christine Koenig, Senior Fellow an der Harvard University und leitende Autorin der Studie.

„Indem er feststellte, dass der Prozess sehr ähnlich ist, deutete er uns an, dass diese beiden Systeme unabhängig voneinander zwei sehr große Nervensysteme entwickelt haben, die dieselben Mechanismen in ihrem Aufbau verwenden. Was dies zeigt, ist, dass diese Mechanismen – diese Werkzeuge – die Tiere während der Evolution verwenden, könnte für den Aufbau großer Nervensysteme wichtig sein.“

Wissenschaftler des Koenig-Labors konzentrierten sich auf die Netzhaut eines Tintenfischs mit dem Namen Doryteuthis pealeii, einfacher bekannt als eine Art Langflossen-Tintenfisch. Tintenfische werden fast einen Fuß lang und sind im Nordwestatlantik reichlich vorhanden. Als Föten sehen sie mit einem großen Kopf und großen Augen absolut hinreißend aus.

Die Forscher verwendeten Techniken, die denen ähneln, die sich verbreitet haben, um Modellorganismen wie Fruchtfliegen und Zebrafische zu untersuchen. Sie entwickelten spezielle Werkzeuge und verwendeten fortschrittliche Mikroskope, die stundenlang alle zehn Minuten hochauflösende Bilder aufnehmen konnten, um zu sehen, wie sich einzelne Zellen verhalten. Die Forscher verwendeten fluoreszierende Farbstoffe, um die Zellen zu markieren, damit sie sie kartieren und verfolgen konnten.

Diese Live-Bildgebungstechnologie ermöglichte es dem Team, Stammzellen, sogenannte neurale Vorläuferzellen, und ihre Organisation zu überwachen. Die Zellen bilden eine spezielle Art von Struktur, die als pseudogeschichtetes Epithel bezeichnet wird. Der Hauptvorteil besteht darin, dass die Zellen länglich sind, sodass sie dicht gepackt werden können.

Die Forscher sahen auch, dass sich die Kerne dieser Strukturen vor und nach der Mitose auf und ab bewegten. Diese Bewegung ist wichtig, um das Gewebe organisiert zu halten und für kontinuierliches Wachstum, sagten sie.

Diese Art von Struktur ist universell dafür, wie Wirbeltierarten ihre Gehirne und Augen entwickeln. Historisch gesehen wurde es als einer der Gründe angesehen, warum das Nervensystem von Wirbeltieren so groß und komplex wird. Wissenschaftler haben Beispiele für diese Art von Neuroepithel bei anderen Tieren beobachtet, aber das Tintenfischgewebe, das sie in diesem Fall untersuchten, war dem von Wirbeltieren in seiner Größe, Organisation und Art der Zellkernbewegung ungewöhnlich ähnlich.

Die Forschung wurde geleitet von Francesca R. Naples und Christina M. Daly, wissenschaftliche Mitarbeiter in Koenigs Labor.

Als nächstes will das Labor untersuchen, wie verschiedene Arten von Zellen im Gehirn von Kopffüßern vorkommen. Koenig möchte feststellen, ob es zu unterschiedlichen Zeiten exprimiert wird, wie sie sich entscheiden, eine Art von Neuron gegenüber einer anderen zu werden, und ob diese Aktion bei allen Arten ähnlich ist.

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

„Einer der wichtigsten Punkte bei dieser Art von Arbeit ist, wie wichtig es ist, die Vielfalt des Lebens zu studieren“, sagte Koenig. „Indem Sie diese Vielfalt studieren, können Sie wirklich auf grundlegende Ideen über unsere Entwicklung und unsere biomedizinischen Fragen zurückgreifen. Sie können wirklich über diese Fragen sprechen.“

Über diese Forschung in Neuroscience News

Autor: Juan Célesar
Quelle: Harvard
Kontakt: Juan Celezar – Harvard
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„Die Evolution der Netzhaut von Kopffüßern zeigt wirbeltierähnliche Mechanismen der NeurogeneseGeschrieben von Kristen Koenig et al. aktuelle Biologie

siehe auch

Zusammenfassung

Die Evolution der Netzhaut von Kopffüßern zeigt wirbeltierähnliche Mechanismen der Neurogenese

Höhepunkte

• Retina-Vorläuferzellen von Tintenfischen unterliegen einer interkinetischen Kernmigration
• Vorläuferzellen, postmitotische und transkriptionell differenzierte Zellen werden identifiziert
• Die Notch-Signalgebung kann sowohl den retinalen Zellzyklus als auch das Zellschicksal in Tintenfischen regulieren

Zusammenfassung

Koloide Kopffüßer, einschließlich Tintenfische, Tintenfische und Tintenfische, haben große, komplexe Nervensysteme und sehr scharfe, kameraartige Augen. Diese Merkmale sind nur mit den Merkmalen vergleichbar, die sich unabhängig voneinander in der Wirbeltierlinie entwickelt haben.

Die Größe des Nervensystems eines Tieres und die Vielfalt seiner Zelltypen sind das Ergebnis der strengen Regulierung der Zellproliferation und -differenzierung in der Entwicklung.

Veränderungen im Entwicklungsprozess während der Entwicklung, die zu einer Vielfalt von Neuronentypen und einer veränderten Größe des Nervensystems führen, sind nicht gut verstanden.

Hier leisteten wir Pionierarbeit bei Live-Bildgebungstechniken und führten eine funktionelle Befragung durch, um diesen Tintenfisch zu zeigen Doryteuthis pealeii Es nutzt Mechanismen bei der Bildung von Netzhautneuronen, die für Wirbeltierprozesse charakteristisch sind.

Wir finden, dass retinale Vorläuferzellen von Tintenfischen eine Kernmigration durchlaufen, bis sie den Zellzyklus verlassen. Wir bestimmen die entsprechende retinale Organisation von Vorläuferzellen, postmitotischen und differenzierten Zellen.

Schließlich stellen wir fest, dass Notch-Signale den retinalen Zellzyklus und das Zellschicksal regulieren können. Angesichts der konvergenten Evolution ausgeklügelter visueller Systeme bei Kopffüßern und Wirbeltieren zeigen diese Ergebnisse gemeinsame Mechanismen, die dem Wachstum von hochproliferativen neuronalen Primitiven zugrunde liegen.

Diese Arbeit beleuchtet Mechanismen, die das Maß der genetischen Varianz verändern und zur Entwicklung von Komplexität und Wachstum in tierischen Nervensystemen beitragen können.