Nye spor fra hjernestrukturer hos mantisrejer

Ser man nærmere på mantis rejers neurale systemer, øverste leddyr rovdyr af koralrevet, forskere ledet af Nick Strausfeld ved University of Arizona og Gabriella Wolff, nu ved University of Washington, opdagede hjernestrukturer, der – ifølge lærebogens visdom – ikke burde være der.

Kendt som svampekroppe, disse strukturer, som spiller en nøglerolle i at danne minder og lære, kun var fundet hos insekter - indtil nu. Resultaterne synes at sætte spørgsmålstegn ved det mest almindeligt anvendte scenarie, der viser, hvordan hjernestrukturer udviklede sig i leddyr.

Da det er blevet universelt accepteret, at insekter udviklede sig fra krebsdyr, og svampekroppe er eksklusive for insekter (eller det så det ud til), de fleste biologer er enige om, at disse unikke hjernestrukturer udviklede sig, efter at insektslægten blev splittet fra krebsdyrsslægten.

Implikationerne af undersøgelsen, som er publiceret i open access-tidsskriftet eLife , pege på et af to mulige scenarier, begge er lige tilbøjelige til at sætte gang i en buzz i det videnskabelige samfund. Ifølge Strausfeld, en Regents' Professor i UA's Department of Neuroscience og seniorforfatteren på papiret, en fortolkning tyder på, at svampekroppe er meget ældre end videnskabsmænd var klar over og gik tabt i næsten alle krebsdyr undtagen mantis-rejer, en gruppe kendt som stomatopoder, der er søstergruppen af ​​krebsdyr såsom rejer, hummer og krabber. I det andet scenarie, svampelegemer udviklede sig uafhængigt i stomatopoder og er analoge med deres modstykker i insekter, gennem en proces kendt som konvergent evolution.

Omfatter mere end 4 millioner arter, leddyr er den største og mest forskelligartede gruppe af dyr, herunder krebsdyr, insekter og edderkopper. Alle leddyr menes at nedstamme fra en fælles forfader, højst sandsynligt et væsen, der beboede havbunden for mere end 550 millioner år siden. Den nøjagtige forgrening af leddyrstammens stamtræ på det tidlige tidspunkt forbliver uklar, et skitseagtigt billede tilsløret af lagene af dyb tid og huller i fossiloptegnelsen.

Ved at visualisere celler og neurale forbindelser i hjernen på mantis rejer, forfatterne af undersøgelsen viser, at blandt krebsdyr, kun mantis-rejer har ægte svampekroppe. Spændende nok, selvom, de fandt også nogle egenskaber ved disse ikoniske strukturer i nære slægtninge til mantis-rejen:renere rejer, pistolrejer og landlevende eremitkrebs.

Dette er måske ikke en tilfældighed, forfatterne foreslår, argumenterer for, at blandt krebsdyr, mantis-rejer og deres slægtninge er den eneste kendte gruppe, der afhænger af hukommelsen af ​​nøjagtige lokaliteter. Det kan derfor ikke være en tilfældighed, at netop disse taxaer har beholdt svampekroppe, fordi "en foreslået drivkraft for udviklingen af ​​store svampekroppe er kravet om at huske de nøjagtige placeringer og egenskaber af steder, hvorfra man kan få mad, " som forfatterne skriver.

"Hos insekter, svampekroppe er nødvendige for indlæring og hukommelse, " siger Strausfeld. "Vi viste tidligere, at kakerlakker er nødvendige for at huske sted. Dette kan være tilfældet for de fleste insekter. At finde denne struktur i et krebsdyr er virkelig spændende, fordi det antyder, at det kan være opstået i dyb tid:et gammelt centrum, bevaret i over en halv milliard år, at udføre denne funktion."

Ved at bruge en teknik kendt som immunhistokemi, Wolff og Strausfeld forberedte først meget tynde sektioner af mantis-rejehjernevæv og anvendte antistoffer, der specifikt detekterer visse proteiner, der vides at spille vigtige roller i indlæring og hukommelse. Fordi disse antistoffer er koblet til fluorescerende markører, forskere kan spore de nøjagtige placeringer af disse proteiner, da de skitserer nervesystemets anatomiske arkitektur.

"Når vi studerer sektionerne farvet til indlærings- og hukommelsesproteiner under mikroskopet, de karakteristiske svampekropslapper, der kendetegner insektsvampekroppe, lyser meget intensivt, " siger Strausfeld.

Holdet er overbevist om, at de strukturer, det identificerede, faktisk er svampekroppe. Mens der tidligere kun blev brugt tre neuroanatomiske karakterer rutinemæssigt til at identificere disse kendetegnende strukturer i insekthjerner, holdet udvidede denne suite af karakterer til 14 og, ifølge Strausfeld, "til vores glæde, ligesom insekter, mantis-rejer afslører hver enkelt af dem."

Undersøgelsens forfattere erkender, at selvom det er spændende, deres resultater giver ingen endelig konklusion på præcis hvordan og hvornår svampekroppe udviklede sig. Hypotesen om, at identiske centre med en så forbløffende kompleksitet har udviklet sig konvergent i stomatopoder og insekter, er lige så fascinerende som alternativet - den om svampekroppe, der udvikler sig tidligt i udviklingen af ​​alle leddyr. Strausfeld og hans medforfattere satser ikke på den ene som mere sandsynlig end den anden.

"Vi kan ikke udelukke konvergens, siger Wolff, "fordi det er muligt for komplekse strukturer at udvikle sig flere gange, selvom det ikke er det mest sandsynlige scenario."

Som top rovdyr, der bruger deres formidable syn til at forfølge og jage bytte over betydelige afstande, mantis-rejer skal vurdere og huske komplekse træk ved deres miljø, bemærker forfatterne. Tilsvarende renere rejer, Pistolrejer og landlevende eremitkrebs er afhængige af avancerede rumlige og tidsmæssige hukommelsesfærdigheder, som ikke deles af andre krebsdyrarter, som kan have mistet deres svampelegemer i løbet af evolutionen.

I tidligere undersøgelser, Wolff og Strausfeld opdagede strukturer, der ligner svampelegemer i taxa, der udviklede sig før krebsdyr og insekter, såsom tusindben, edderkopper, selv fladorme. Wolff siger:"Jeg tror, ​​det er mest sandsynligt, at disse strukturer fandtes i leddyrens sidste fælles forfader, og de arter, der ikke har dem, har sekundært mistet dem."

Forfatterne håber, at studier af svampekroppens transkriptomer, mønstrene for genekspression, der karakteriserer deres deltagende neuroner, vil fungere som den ultimative dommer.

"Spørgsmålet, vi i sidste ende ønsker at besvare er:Hvad var den tidligste hjerne?" siger Strausfeld. "Vores forskning giver os et indblik i en gammel hjernestruktur. Den tidligste hjerne blev ikke blot defineret som den forreste ende af nervesystemet, men noget mere udførligt. Fossilerede spor lavet for over 520 millioner år siden viser os, at selv de tidligste hjerner kunne træffe en beslutning om, hvad de næste skal gøre, og hvor de skal vende tilbage. og disse beslutninger kunne meget vel være blevet informeret, ikke blot ved øjeblikkelig sensorisk information, men også ved tilbagekaldelse."