Wissenschaft

Was können uns Krakengehirne über menschliche Gehirne sagen?

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Ein Blick zurück in die Evolutionsgeschichte zeigt, dass Menschen und Tintenfische einen gemeinsamen Vorfahren haben – ein primitives, wurmähnliches Lebewesen.

Kraken gelten als sehr intelligent – zumindest für wirbellose Tiere. Zusammen mit anderen Kopffüßern, wie Tintenfischen und Kalmaren, haben Kraken die komplexesten Gehirne und Nervensysteme aller wirbellosen Tiere. Wissenschaftler haben sich oft gefragt, warum diese Weichtiere die einzigen waren, die eine größere neurologische Komplexität entwickelt haben, während dieses Phänomen für die meisten Wirbeltiere typisch ist.

Wenn man weit in die Evolutionsgeschichte zurückblickt, haben Menschen und Kraken einen gemeinsamen Vorfahren – ein primitives, wurmähnliches Wesen mit minimaler Intelligenz und einfachen Augen. Aus seinen Nachkommen entstanden später die beiden großen Zweige des Tierreichs, die Wirbeltiere (mit Rückgrat) und die Wirbellosen (ohne Rückgrat). Während sich bei den Wirbeltieren große und komplexe Gehirne mit beträchtlichen kognitiven Fähigkeiten entwickelten, war dies bei den wirbellosen Tieren nicht der Fall – mit Ausnahme der Kopffüßer zumindest.

Eine neue Studie von Forschern des Max-Delbrück-Centrums und des Dartmouth College in den Vereinigten Staaten hat nun eine Art und Weise aufgedeckt, in der die Gehirne von Tintenfischen den Gehirnen höherer Wirbeltiere, wie z. B. des Menschen, ähnlich sind. Ihre in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlichten Ergebnisse zeigen, dass Tintenfische in ihrem Gehirn und ihrem Nervengewebe eine Vielzahl verschiedener Gene haben, die für microRNAs (miRNAs) kodieren, was dem Trend entspricht, der während der Evolution der Wirbeltiere beobachtet wurde.

„Das ist es also, was uns mit dem Kraken verbindet“, sagte Studienmitautor Professor Nikolaus Rajewsky. Er erklärte, dass dieser Befund wahrscheinlich bedeutet, dass miRNAs eine grundlegende Rolle bei der Entwicklung komplexer Gehirne spielen.

miRNAs bestehen aus nicht mehr als 23 Nukleotiden und sind kleine, einzelsträngige, nicht codierende RNA-Moleküle, die in Pflanzen- und Tierzellen vorkommen. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Genexpression, vor allem indem sie auf Boten-RNA-Moleküle abzielen und verhindern, dass diese den Zellkern verlassen, um an der Proteinsynthese beteiligt zu sein.

Im Jahr 2019 las Professor Rajewsky eine Veröffentlichung über genetische Analysen, die an Kraken durchgeführt wurden. Wissenschaftler hatten herausgefunden, dass bei diesen Kopffüßern viel RNA-Editierung stattfindet – das heißt, sie machen ausgiebig Gebrauch von bestimmten Enzymen, die die Kodierung ihrer RNA verändern können. „Das brachte mich auf die Idee, dass Kraken nicht nur gut im Editieren sind, sondern auch andere RNA-Tricks drauf haben könnten“, so Rajewsky.

Er begann eine Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Meeresforschungsstation Stazione Zoologica Anton Dohrn in Neapel, die ihm Proben von 18 verschiedenen Gewebearten toter Tintenfische zusandten. Das Forschungsteam erstellte ein Profil aller kleinen RNA-Moleküle in diesen Geweben und stellte fest, dass die Anzahl der vorhandenen miRNA-Moleküle im Vergleich zu anderen wirbellosen Tieren stark gestiegen ist. Insbesondere waren 42 neue Familien von Genen, die für miRNAs kodieren, in den Geweben der Tintenfische vorhanden.

„Dies ist die drittgrößte Erweiterung von microRNA-Familien in der Tierwelt und die größte außerhalb der Wirbeltiere“, sagte der Hauptautor der Studie, Dr. Grygoriy Zolotarov. „Um Ihnen eine Vorstellung von der Größenordnung zu geben: Austern, die ebenfalls zu den Weichtieren gehören, haben seit den letzten Vorfahren, die sie mit Kraken geteilt haben, nur fünf neue microRNA-Familien erworben – während die Kraken 90 erworben haben! Austern“, fügt Zolotarov hinzu, „sind nicht gerade für ihre Intelligenz bekannt“.

Derzeit sind der Ursprung und der Selektionsdruck für die Entstehung dieser neuen miRNA-Gene nicht bekannt, aber da sie während der Evolution der Kopffüßer konserviert wurden, kam das Team zu dem Schluss, dass sie für die Tiere eindeutig von Vorteil und daher funktionell wichtig sind. Weitere Analysen von embryonalen Tintenfischzellen im Spätstadium zeigten, dass viele dieser neuen miRNAs während der Entwicklung vor allem in Nervenzellen und Geweben exprimiert wurden. Diese Ergebnisse veranlassten die Forscher zu der Annahme, dass die miRNAs für die Entwicklung komplexer Tiergehirne notwendig und eng mit ihnen verbunden sind.

Die Ergebnisse des Teams legen daher nahe, dass Kopffüßer eine größere Gehirnkomplexität auf die gleiche Weise entwickelten wie Wirbeltiergehirne, indem sie viel mehr regulatorische miRNAs zur Steuerung der Genaktivität einsetzten. Allerdings sind weitere Forschungen erforderlich, um genau zu verstehen, wie die miRNA-Moleküle funktionieren und was sie während der neuronalen Entwicklung tun.

„Da Kraken keine typischen Modellorganismen sind, waren unsere molekularbiologischen Werkzeuge sehr begrenzt“, sagt Dr. Zolotarov. „Wir wissen also noch nicht genau, welche Zelltypen die neuen microRNAs exprimieren.“ Die Forscher planen nun, eine in Rajewskys Labor entwickelte Technik anzuwenden, die die Zellen im Tintenfischgewebe auf molekularer Ebene sichtbar machen soll.