Forskning på ribbemaneter peker mot tidligere opprinnelse til hjernelignende strukturer
Nye 3D-rekonstruksjoner av et viktig sanseorgan hos ribbemaneter avslører en uventet strukturell og funksjonell kompleksitet. Funnene tyder på at en elementær hjerne allerede kan ha eksistert hos våre eldste slektninger, noe som endrer vår forståelse av nervesystemets evolusjon hos dyr.
Hovedinnhold
Ribbemaneter – eller kammaneter – er gelatinøse dyr som dukket opp i havet for anslagsvis 550 millioner år siden. De skjøre dyrene har en spesialisert sensorisk struktur kalt aboral organ (AO), som gjør at de kan oppfatte tyngdekraft, trykk og lys. En ny morfologisk studie publisert i Science Advances avslører at dette organet er langt mer komplekst enn tidligere antatt.
«Vi viser at AO er et komplekst og funksjonelt unikt sensorisk system», sier Pawel Burkhardt, gruppeleder ved Michael Sars-senteret, Universitetet i Bergen. «Studien vår gir oss en betydelig bedre forståelse av utviklingen av atferdskoordinering hos dyr.»
Kartlegging av urgamle nevroner
For å avdekke den interne organiseringen av det aborale organet, samarbeidet forskerne med Maike Kittelmann ved Oxford Brookes University for å bruke toppmoderne volumelektronmikroskopi. Analysen av de høyoppløselige, tredimensjonale AO-rekonstruksjonene avdekket 17 forskjellige celletyper, inkludert 11 tidligere ukjente sekretoriske og cilierte celler. Denne ekstraordinære mangfoldigheten etablerer AO som et komplekst, multimodalt sanseorgan.
«Jeg ble nesten umiddelbart overrasket over den morfologiske mangfoldigheten i cellene i det aborale organet. Å jobbe med volum-EM-data føles som å oppdage nye spennende ting hver dag», sier Anna Ferraioli, postdoktor ved Michael Sars Centre og førsteforfatter av studien. «AO har en slående kompleksitet sammenlignet med apikale organer hos nesledyr og bilaterier. Det er så unikt!»
Et hybridkommuniksjonssystem
Utover cellulær mangfoldighet viste dataene at det aborale organet er tett integrert med kammanetens nervesystem – et sammenhengende nettverk av nevroner. Dette nervnettverket danner direkte synaptiske kontakter med celler i det aborale organet, og definerer en klar vei for gjensidig kommunikasjon mellom de to strukturene. Mange AO-celler inneholder også et høyt antall vesikler, noe som tyder på at de frigjør diffuse kjemiske signaler i en prosess som kalles volumoverføring. Samlet sett peker disse funnene mot et hybridsignalsystem som kombinerer synaptisk og ikke-synaptisk kommunikasjon.
«Jeg tror vårt arbeid gir et viktig perspektiv på hvor mye vi kan lære av å studere morfologi», forklarer Ferraioli. «Jeg vil si at AO definitivt ikke er som vår hjerne, men det kan defineres som det organet som ctenoforer bruker som hjerne.»
Forskerne undersøkte også hvordan konserverte utviklingsgener uttrykkes i ribbemaneter. Selv om mange gener som definerer kroppsorganiseringen hos andre dyr er til stede, er deres uttrykksmønstre svært forskjellige. Dette kan bety at det aborale organet ikke er direkte homologt med hjernen hos andre dyr. «Med andre ord», la Burkhardt til, «ser det ut til at evolusjonen har oppfunnet sentraliserte nervesystemer mer enn én gang.»
Kobling mellom struktur og atferd
Funnene bekreftes av komplementært arbeid ledet av Kei Jokura ved National Institute for Basic Biology i Japan, sammen med Prof. Gaspar Jekely fra Heidelberg University. I en separat studie som Burkhardt også bidro til, rekonstruerte teamet deres den komplette nevrale koblingen i ribbemanetens balanseorgan.
Ved å kombinere høyhastighetsavbildning med tredimensjonale rekonstruksjoner av over 1000 celler, viste de hvordan et nettverk av sammensmeltede nevroner koordinerer ciliærbevegelser på forskjellige sider av kroppen, slik at dyrene kan opprettholde orienteringen i vannet. «Likhetene med nevrale kretsløp i andre marine organismer tyder på at sammenlignbare løsninger for gravitasjonssansing kan ha utviklet seg uavhengig i fjernt beslektede dyrelinjer» sa Jokura.
Ny tenkning om hjernens opprinnelse
Sammen gir de to studiene nye bevis for at tidlige nervesystemer kan ha vært mer sentraliserte enn tidligere antatt. Ferraioli sier at neste trinn vil være å avdekke den molekylære identiteten til de nyoppdagede celletypene og å teste videre i hvilken grad det aborale organet modulerer atferd.