Wissenschaftler erstellen eine umfassende Karte der neuronalen Schaltkreise von Meereswürmern

Forscher haben eine detaillierte Karte der Schaltkreise und mehr als 9.000 Zellen erstellt, aus denen der gesamte Körper und das Nervensystem einer drei Tage alten Larve des Meereswurms Platynereis dumerilii bestehen.

Die Studie wurde am 9. Juli veröffentlicht eLifewird von den Herausgebern als wichtiger Fortschritt zum Verständnis der Organisation und Entwicklung des tierischen Nervensystems beschrieben.

Sie weisen darauf hin, dass dies erst das dritte vollständige tierische Konnektom ist, das zusammengestellt wurde, und begrüßen die Fülle an hochwertigen Daten, die den Grundstein für zukünftige Studien zur Diversität und Konnektivität verschiedener Zelltypen sowie anderer Teile des Nervensystems legen System, ihre Funktionen und ihre Entwicklung.

Platynereis dumerilii ist eine Meereswurmart aus der Klasse der Polychaeten und wird zunehmend in Labors zur Untersuchung von Entwicklung, Verhalten und Meeresökologie eingesetzt.

Sein Lebenszyklus beginnt als frei schwimmende Larve, die dann mehrere Lebensstadien durchläuft, bevor sie sich niederlässt und sich zu einem erwachsenen Wurm entwickelt, mit einer einfachen, segmentierten Körperstruktur: ein Kopf mit Sinnesorganen, wiederholte Körpersegmente mit muskulösen Anhängseln, die Borsten tragen Bewegung und ein Schwanz.

Wissenschaftler greifen zunehmend auf diese Würmer zurück, um die Ursprünge des Zentralnervensystems zu erforschen.

„Platynereis-Larven sind ein hervorragendes Modell, um zu untersuchen, wie die Schaltkreise, die Zellen im Nervensystem verbinden, diesen Lebewesen helfen, sich zu bewegen“, sagt der Hauptautor der Studie, Csaba Verasztó von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne. „Sie erzählen uns von der Koordination des Nervensystems, die für Verhaltensweisen wie eine erschreckende Reaktion auf durch Wasser übertragene Vibrationen oder die Vermeidung der Exposition gegenüber UV-Strahlen notwendig ist.“ »

Verasztó und seine Kollegen nutzten Hochleistungselektronenmikroskope, um mehr als 9.000 Zellen und die Schaltkreise des Nervensystems, die sie verbinden, in einer drei Tage alten Platynereis-Larve zu kartieren. Sie identifizierten 202 Zelltypen im Nervensystem und mehr als 92 weitere Zelltypen, die mit ihnen interagieren.

Ihre Arbeit beschreibt, wie diese Schaltkreise zur Koordination zwischen Körpersegmenten beitragen, dabei helfen, mehrere Sinne zu integrieren, die linke und rechte Körperseite zu verbinden und Bewegungen anzutreiben.

Die Studie hat bereits wichtige neue Informationen zur Entwicklung komplexer Nervensysteme geliefert. Die Analyse des Teams legt beispielsweise nahe, dass sich bestimmte neuronale Schaltkreise in Meereswürmern, die durch Synapsen verbunden sind, parallel entwickelt haben und sich im Laufe der Zeit verdoppelt und differenziert haben. Dieser Prozess ermöglichte es den Würmern wahrscheinlich, speziellere sensorische Systeme und Verhaltensweisen zu entwickeln und so ihre Fähigkeit zur Interaktion mit ihrer Umgebung zu verbessern.

Diese Ergebnisse stützen auch eine seit langem bestehende Theorie, die sogenannte Balfour-Sedgwick-Theorie, die erstmals im späten 19. Jahrhundert vorgeschlagen wurde. Diese Theorie legt nahe, dass sich während der Embryobildung sich wiederholende Einheiten, sogenannte Somiten, nacheinander entwickeln, was letztendlich zu den charakteristischen segmentierten Körpern führt, die man bei Tieren wie Platynereis dumerilii sieht.

Darüber hinaus vermuteten die Autoren, dass das Nervensystem der Vorfahrenart, aus der sich der Meereswurm entwickelte, die Form eines Rings hatte, von dem Sinnesorgane ausgingen. In Übereinstimmung damit fanden die Autoren heraus, dass sich das Nervensystem von Platynereis dumerilii um seine sechs Körpersegmente wickelt und radial angeordneten mechanosensorischen Organen entspricht.

eLifeDie Herausgeber weisen darauf hin, dass die Menge an Informationen in der Studie möglicherweise schwer zu verdauen ist, dass sie jedoch eine Grundlage für zukünftige Studien bieten, die darauf abzielen, die zelluläre Vielfalt der Lebewesen, die Verbindungen zwischen und innerhalb ihrer Körpersegmente und die Strukturen in tiefer zu erforschen Ihr Gehirn ist an Lernen, Gedächtnis und vielem mehr beteiligt.

„Unsere Ganzkörperkarte ermöglichte es uns, mehrere neue Schaltkreise zu identifizieren und zu verstehen, wie die vielen Schaltkreise im gesamten Körper integriert sind“, schließt Hauptautor Gáspár Jékely, Professor am Zentrum für Organismische Studien der Universität Heidelberg.

„Keine der in unserer Studie gesammelten Informationen wäre ohne die vollständige Karte möglich, und wir hoffen, dass andere diese Arbeit nutzen können, um ihre eigenen Schlüsselfragen rund um die Zusammenhänge und die Entwicklung des Nervensystems zu untersuchen.“ »