Als we de neurale systemen van bidsprinkhaangarnalen van dichtbij bekijken, top geleedpotige roofdieren van het koraalrif, onderzoekers onder leiding van Nick Strausfeld van de Universiteit van Arizona en Gabriella Wolff, nu aan de Universiteit van Washington, ontdekte hersenstructuren die - volgens leerboekwijsheid - er niet zouden moeten zijn.

Bekend als paddenstoelenlichamen, deze structuren, die een sleutelrol spelen bij het vormen van herinneringen en leren, was tot nu toe alleen bij insecten gevonden. De bevindingen lijken vraagtekens te zetten bij het meest gangbare scenario waarin wordt nagegaan hoe hersenstructuren zich bij geleedpotigen hebben ontwikkeld.

Aangezien het algemeen aanvaard is dat insecten uit schaaldieren zijn geëvolueerd, en paddenstoelenlichamen zijn exclusief voor insecten (althans zo leek het), de meeste biologen zijn het erover eens dat deze unieke hersenstructuren zijn geëvolueerd nadat de insectenlijn zich afsplitste van de schaaldierenlijn.

De implicaties van het onderzoek, die is gepubliceerd in het open-access tijdschrift eLife , wijzen op een van de twee mogelijke scenario's, beide hebben evenveel kans om een ​​buzz op te wekken in de wetenschappelijke gemeenschap. Volgens Strausfeld, een Regents' Professor in UA's Department of Neuroscience en de senior auteur van het papier, één interpretatie suggereert dat paddenstoelenlichamen veel ouder zijn dan wetenschappers zich realiseerden en verloren gingen in bijna alle schaaldieren behalve bidsprinkhaangarnalen, een groep die bekend staat als stomatopoden die de zustergroep zijn van schaaldieren zoals garnalen, kreeft en krabben. In het andere scenario paddenstoelenlichamen evolueerden onafhankelijk in stomatopoden en zijn analoog aan hun tegenhangers in insecten, via een proces dat bekend staat als convergente evolutie.

Met meer dan 4 miljoen soorten, geleedpotigen zijn de grootste en meest diverse groep dieren, inclusief schaaldieren, insecten en spinnen. Men denkt dat alle geleedpotigen afstammen van een gemeenschappelijke voorouder, hoogstwaarschijnlijk een wezen dat meer dan 550 miljoen jaar geleden op de oceaanbodem leefde. De exacte vertakking van de geleedpotige stamboom in die vroege tijd blijft duister, een schetsmatig beeld versluierd door de lagen van diepe tijd en gaten in het fossielenarchief.

Door cellen en neurale verbindingen in de hersenen van bidsprinkhaangarnalen te visualiseren, de auteurs van de studie laten zien dat onder schaaldieren, alleen bidsprinkhaangarnalen bezitten echte paddestoellichamen. Intrigerend, Hoewel, ze vonden ook enkele attributen van deze iconische structuren in naaste verwanten van de bidsprinkhaangarnaal:schonere garnalen, pistoolgarnalen en landlevende heremietkreeften.

Dit kan geen toeval zijn, de auteurs suggereren, met het argument dat onder schaaldieren, bidsprinkhaangarnalen en hun familieleden zijn de enige bekende groep die afhankelijk is van het geheugen van exacte locaties. Het kan daarom geen toeval zijn dat juist die taxa paddenstoelenlichamen hebben behouden, omdat "een voorgestelde aanjager van de evolutie van grote paddenstoellichamen de vereiste is om de exacte locaties en eigenschappen te herinneren van plaatsen waar voedsel wordt verkregen, " zoals de auteurs schrijven.

"Bij insecten, paddenstoelenlichamen zijn nodig voor leren en geheugen, "zegt Strausfeld. "We hebben eerder laten zien dat ze bij kakkerlakken nodig zijn om hun plaats te onthouden. Dit geldt misschien voor de meeste insecten. Het is heel spannend om deze structuur in een schaaldier te vinden, omdat het suggereert dat het in een verre tijd is ontstaan:een oud centrum, meer dan een half miljard jaar bewaard, om deze functie uit te voeren."

Met behulp van een techniek die bekend staat als immunohistochemie, Wolff en Strausfeld maakten eerst zeer dunne secties van hersenweefsel van bidsprinkhanengarnalen en pasten antilichamen toe die specifiek bepaalde eiwitten detecteren waarvan bekend is dat ze een belangrijke rol spelen bij leren en geheugen. Omdat deze antilichamen zijn gekoppeld aan fluorescerende markers, onderzoekers kunnen de exacte locaties van deze eiwitten traceren terwijl ze de anatomische architectuur van het zenuwstelsel schetsen.

"Wanneer we de secties bestuderen die gekleurd zijn voor leer- en geheugeneiwitten onder de microscoop, de karakteristieke paddestoellichaamlobben die de paddestoellichamen van insecten typeren lichten zeer intensief op, ' zegt Strausfeld.

Het team is ervan overtuigd dat de geïdentificeerde structuren inderdaad paddenstoellichamen zijn. Terwijl in het verleden slechts drie neuroanatomische karakters routinematig werden gebruikt om deze kenmerkende structuren in insectenhersenen te identificeren, het team breidde deze reeks personages uit tot 14 en, volgens Strausfeld, "tot onze vreugde, net als insecten, bidsprinkhaangarnalen onthullen ze allemaal."

De auteurs van de studie erkennen dat hoewel intrigerend, hun bevindingen bieden geen definitieve conclusie over hoe en wanneer paddenstoelenlichamen zijn geëvolueerd. De hypothese dat identieke centra van zo'n verbluffende complexiteit convergerend zijn geëvolueerd in stomatopoden en insecten is net zo fascinerend als het alternatief - die van paddenstoelenlichamen die zich vroeg in de evolutie van alle geleedpotigen ontwikkelen. Strausfeld en zijn co-auteurs gokken niet op de een als waarschijnlijker dan de ander.

"We kunnen convergentie niet uitsluiten, " zegt Wolff, "omdat het mogelijk is dat complexe structuren meerdere keren evolueren, hoewel het niet het meest waarschijnlijke scenario is."

Als toproofdieren die hun formidabele visie gebruiken om prooien te besluipen en te jagen over aanzienlijke afstanden, bidsprinkhaangarnalen moeten complexe kenmerken van hun omgeving evalueren en onthouden, merken de auteurs op. evenzo, schonere garnalen, pistoolgarnalen en op het land levende heremietkreeften vertrouwen op geavanceerde ruimtelijke en temporele geheugenvaardigheden die niet worden gedeeld door andere soorten schaaldieren, die in de loop van de evolutie mogelijk hun paddenstoelenlichaam hebben verloren.

In eerdere onderzoeken is Wolff en Strausfeld ontdekten structuren die lijken op paddestoellichamen in taxa die evolueerden vóór schaaldieren en insecten, zoals duizendpoten, spinnen, zelfs platwormen. Wolff zegt:"Ik denk dat het zeer waarschijnlijk is dat deze structuren bestonden in de laatste gemeenschappelijke voorouder van geleedpotigen, en de soorten die ze niet hebben, hebben ze in de tweede plaats verloren."

De auteurs hopen dat het bestuderen van transcriptomen van paddenstoelen, de patronen van genexpressie die hun deelnemende neuronen kenmerken, zal dienen als de ultieme arbiter.

"De vraag die we uiteindelijk willen beantwoorden is:wat was het vroegste brein?" zegt Strausfeld. "Ons onderzoek geeft ons inzicht in een oude hersenstructuur. De vroegste hersenen werden niet alleen gedefinieerd als het voorste uiteinde van het zenuwstelsel, maar iets uitgebreider. Gefossiliseerde sporen die meer dan 520 miljoen jaar geleden zijn gemaakt, laten ons zien dat zelfs de vroegste hersenen een beslissing konden nemen over wat te doen en waar terug te keren, en die beslissingen zouden heel goed kunnen zijn geïnformeerd, niet alleen door onmiddellijke sensorische informatie, maar ook door terugroeping."