Wat het brein van octopussen ons over ons eigen brein vertelt

Een blik terug in de evolutiegeschiedenis toont dat mensen en inktvissen een gemeenschappelijke voorouder hebben: een primitief, wormachtig wezen.

Octopussen worden beschouwd als zeer intelligent, althans voor ongewervelde dieren dieren. Samen met andere koppotigen, zoals inktvissen en pijlinktvissen, hebben octopussen de meest complexe hersenen en zenuwstelsels van alle ongewervelde dieren. Onderzoekers hebben zich vaak afgevraagd waarom juist deze weekdieren de enige waren die een grotere neurologische complexiteit ontwikkelden, terwijl dit fenomeen kenmerkend is voor de meeste gewervelde dieren.

Gemeenschappelijke voorouder van mens en octopus

Als je ver terugkijkt in de evolutiegeschiedenis, hebben mensen en octopussen een gemeenschappelijke voorouder: een primitief, wormachtig wezen met minimale intelligentie en eenvoudige ogen. Uit zijn nakomelingen ontstonden later de twee grote takken van het dierenrijk, de gewervelde dieren (met ruggengraat) en de ongewervelde dieren (zonder ruggengraat). Terwijl bij gewervelde dieren grote en complexe hersenen met aanzienlijke cognitieve vermogens ontstonden, was dit bij ongewervelde dieren niet het geval – met uitzondering van de koppotigen.

Een nieuwe studie van onderzoekers van het Max-Delbrück-Centrum en het Dartmouth College in de Verenigde Staten heeft nu onthuld op welke manier de hersenen van inktvissen lijken op die van hogere gewervelde dieren. De resultaten, gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Science Advances, tonen aan dat inktvissen in hun hersenen en zenuwweefsel een groot aantal verschillende genen hebben die coderen voor microRNA's (miRNA's) – wat overeenkomt met de trend die tijdens de evolutie van gewervelde dieren is waargenomen.

«Dat is dus wat ons met de octopus verbindt», zei co-auteur van de studie professor Nikolaus Rajewsky. Deze bevinding betekent waarschijnlijk dat miRNA's een fundamentele rol spelen bij de ontwikkeling van complexe hersenen.

microRNA's als sleutel tot complexiteit

miRNA's bestaan uit niet meer dan 23 nucleotiden en zijn kleine, enkelstrengige, niet-coderende RNA-moleculen die voorkomen in planten- en diercellen. Ze spelen een belangrijke rol bij de regulering van genexpressie, vooral doordat ze zich richten op boodschapper-RNA-moleculen en verhinderen dat deze de celkern verlaten om deel te nemen aan de eiwitsynthese.

In 2019 las professor Rajewsky een publicatie over genetische analyses die waren uitgevoerd bij octopussen. Onderzoekers hadden ontdekt dat er bij deze koppotigen veel RNA-bewerking plaatsvindt – dat wil zeggen, ze maken uitgebreid gebruik van bepaalde enzymen die de codering van hun RNA kunnen veranderen. «Dat bracht mij op het idee dat octopussen niet alleen goed zijn in bewerken, maar ook andere RNA-trucjes zouden kunnen hebben», aldus Rajewsky.

Hij begon een samenwerking met onderzoekers van het mariene onderzoeksstation Stazione Zoologica Anton Dohrn in Napels, die hem monsters stuurden van 18 verschillende weefselsoorten van dode inktvissen. Het onderzoeksteam stelde een profiel op van alle kleine RNA-moleculen in deze weefsels en stelde vast dat het aantal aanwezige miRNA-moleculen sterk is toegenomen in vergelijking met andere ongewervelde dieren. Met name waren er 42 nieuwe families van genen die coderen voor miRNA's aanwezig in de weefsels van de inktvissen.

90 nieuwe microRNA-families bij octopussen

«Dit is de op twee na grootste uitbreiding van microRNA-families in de Dierenwereld en de grootste buiten de gewervelde dieren», zei de hoofdauteur van de studie, dr. Grygoriy Zolotarov. «Om u een idee te geven van de omvang: oesters, die ook tot de weekdieren behoren, hebben sinds de laatste gemeenschappelijke voorouder die ze met octopussen deelden slechts vijf nieuwe microRNA-families verworven – terwijl de octopussen er 90 hebben verworven!» Oesters, voegt Zolotarov toe, staan «niet bepaald bekend om hun intelligentie».

Momenteel zijn de oorsprong en de selectiedruk voor het ontstaan van deze nieuwe miRNA-genen niet bekend. Omdat ze tijdens de evolutie van de koppotigen behouden zijn gebleven, concludeerde het team dat ze duidelijk voordelig en dus functioneel belangrijk zijn voor de dieren. Verdere analyses van embryonale inktviscellen in een laat stadium toonden aan dat veel van deze nieuwe miRNA's tijdens de ontwikkeling vooral tot expressie kwamen in zenuwcellen en -weefsels.

De resultaten van het team suggereren dat koppotigen een groter Hersencomplexiteit zich op dezelfde manier ontwikkelden als hersenen van gewervelde dieren, door veel meer regulerende miRNA's in te zetten voor het aansturen van genactiviteit. Er is echter meer onderzoek nodig om precies te begrijpen hoe de miRNA-moleculen werken en wat ze doen tijdens de neuronale ontwikkeling.

“Omdat octopussen geen typische modelorganismen zijn, waren onze moleculair-biologische instrumenten zeer beperkt”, zegt dr. Zolotarov. Men weet dus nog niet precies welke celtypen de nieuwe microRNA's tot expressie brengen. De onderzoekers zijn nu van plan een techniek toe te passen die in het lab van Rajewsky is ontwikkeld en die de cellen in inktvisweefsel op moleculair niveau zichtbaar moet maken.