Zebrafisk giver overraskende indsigt i, hvordan hjernen reagerer, når temperaturen stiger

Hvilke organismer overlever, og hvilke bukker under, når klimaet ændrer sig? En lille larvefisk giver overraskende indsigt i, hvordan hjernen reagerer, når temperaturen stiger.

"Det var faktisk ret utroligt. Hele hjernen lyste op," siger ph.d.-studerende Anna Andreassen.

Levende organismer, hvad enten det er fisk eller mennesker, har en tendens til at fungere dårligere, når temperaturen omkring dem stiger. Det er noget, som mange mennesker sikkert har oplevet på en sommerdag, der er lidt for varm. Men hvad sker der præcist inde i kroppen, når temperaturen bliver ubehageligt varm?

Forskere ved NTNUs Biologiske Institut har kombineret genteknologi og neurofysiologiske metoder for at finde svaret. Deres undersøgelse vises i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Vi ville se på de mekanismer, der begrænser organismers termiske tolerance. Hvilke dyr vil overleve, når jordens temperatur stiger på grund af klimaændringer, og hvorfor? Vi valgte at se på hjernen," siger Andreassen.

Klimaændringer forårsager hedebølger

Hedebølger, der fejer hen over kontinenter, bliver mere almindelige, og dyr, der lever i vand, oplever temperaturer, der stiger til dødelige niveauer. At forstå, hvad der begrænser overlevelse ved ekstremt høje temperaturer, er afgørende for at kunne forudsige, hvordan organismer vil klare klimaændringer.

"Termisk tolerance er et emne, der er blevet forsket i i årtier, og tanken om, at temperatur påvirker hjerneaktiviteten, er en gammel idé. Det nye er, at vi nu kan bruge genteknologi og neurofysiologi til at studere fænomenet," siger Andreassen.

På NTNU i Trondheim brugte forskere nyudklækkede zebrafisklarver til at studere deres hjerneaktivitet, mens de gradvist øgede temperaturen omkring larvefiskene.

"Disse fisk er blevet genetisk modificeret, så neuronerne i hjernen afgiver fluorescerende lys, når de er aktive. Vi kan se dette lys under et mikroskop, mens larverne svømmer rundt. Disse larvefisk har også den fordel, at de er gennemsigtige. Vi kommer til at se direkte ind i hjernen på de levende larver,« siger Andreassen.

Mister evnen til at svare

På den måde kan forskerne følge hjerneaktiviteten, mens de gradvist øger temperaturen i vandet, som fiskene svømmer i.

"Vi kan se, hvordan larverne opfører sig, når det bliver varmere. Når det begynder at blive ekstremt varmt, mister de balancen og begynder at svømme rundt i cirkler, maven oppe."

Forskerne prikkede fiskelarverne for at kontrollere deres reaktion. De skubbede larvernes haler, hvilket normalt udløser en svømmereaktion.

"Ved en vis temperatur holdt fiskene op med at reagere på stikkene. De var stadig i live, men i økologisk forstand kunne de betragtes som døde. I den tilstand ude i naturen ville de ikke være i stand til at svømme væk fra rovdyr eller finde deres vej til koldere vand,« siger Andreassen, der tilføjer, at denne tilstand kun er midlertidig hos de små forsøgsfisk.

"De er i lige så god form, så snart vi får dem i køligere vand igen," siger Andreassen.

Varme slukker for hjernen

Indtil videre var forsøgene gået, som forskerne havde forventet. Ved at skinne lys foran fiskens øjne kunne de også tjekke, om hjernen opfattede synsindtryk. Da temperaturen steg, holdt hjernen helt op med at reagere på stimuli og var fuldstændig inaktiv. Men så, da de skruede lidt mere op for temperaturen, skete der noget.

"Hele hjernen lyste op. Det tætteste jeg kan komme på at beskrive det, vi så, var en slags anfald," siger Andreassen.

Normalt ser man kun hjerneaktivitet i form af små lyspletter i afgrænsede dele af hjernen. Nu kunne de forbløffede forskere under mikroskop observere, hvordan det fluorescerende lys spredte sig i løbet af få sekunder og dækkede hele hjernen på den lille fiskelarve.

"Vi ved, at zebrafiskhjerner har ret meget til fælles med den menneskelige hjerne - 70% af det genetiske materiale er det samme - og forskere har spekuleret i, om der kunne være en sammenhæng mellem det, vi så i disse fiskelarver, og det, du ser i hjernen på børn, der har feber,« siger Andreassen.

Dernæst ønsker forskerne at sætte en særlig type hjerneceller – gliaceller – under mikroskopet.

"Det, vi er spændte på at undersøge her, er gliacellernes aktivitet under opvarmning. Disse celler spiller en central rolle i ilttilførslen til hjernen – de kontrollerer både iltniveauet og regulerer blodgennemstrømningen og dermed ilttilførslen. Fordi vi kan se, at iltniveauet påvirker termisk tolerance, er en hypotese, at hjernen holder op med at fungere, fordi gliacellerne ikke længere er i stand til at regulere iltniveauet."

Forskelle fremmer udviklingen

For at se nærmere på, hvad der skete, begyndte forskerne i Trondheim at manipulere mængden af ​​ilt i vandet, fiskene svømmede i, og samtidig øge temperaturen.

"Til vores overraskelse fandt vi ud af, at iltniveauet spillede en rolle i styringen af ​​den termiske tolerance. Når vi tilførte ekstra ilt, klarede larvefiskene sig bedre ved høje temperaturer, havde højere hjerneaktivitet og kom sig også hurtigere efter at have været udsat for øvre termiske grænser. sammenlignet med fiskene med lavt iltindhold.

Undersøgelser af andre arter har givet kontrasterende resultater, når man tester effekten af ​​iltkoncentration på termisk tolerance.

"At være 'ufølsom' over for udsving i iltniveauet kan således være en evolutionær fordel, når temperaturen på Jorden stiger.

"Fundene viser, at termisk tolerance er noget, der varierer mellem arter. Dette kan være en egenskab, der afgør, om en art er i stand til at tilpasse sig klimaændringer eller vil bukke under for stigende temperaturer. Mange organismer lever i iltfattige miljøer, hvor temperaturer kan hurtigt blive højere end normalt. De vil være særligt sårbare," siger Andreassen.

Hun giver som eksempel organismer, der lever i lavvandede ferskvandsområder, i floder eller i tidevandszonen.

"Det er levesteder, hvor der kan opstå store udsving i iltniveauet, ofte samtidig med temperaturudsving. I disse levesteder vil fisk, hvis termiske tolerance er begrænset af iltniveauet sandsynligvis kæmpe mere end fisk, der ikke er påvirket af det. ."

"Dyr, der formår at opretholde nervefunktionen under lave iltniveauer, kan være dem, der vil tåle høje temperaturer bedst," siger Andreassen. + Udforsk yderligere

Lider fisk af iltsult?