Wetenschap
Onderzoekers onthullen de evolutionaire oorsprong van eetlust door het eenvoudige zenuwstelsel van Hydra te bestuderen
In de loop van de evolutie hebben levende organismen geleidelijk complexere zenuwstelsels ontwikkeld om steeds complexere sensorische, motorische en cognitieve functies te coördineren en het bijbehorende gedrag te controleren.
Onlangs hebben verschillende onderzoeksprojecten aangetoond dat zelfs eenvoudige wezens met een diffuus zenuwstelsel complex neuronaal gedrag kunnen vertonen, bijvoorbeeld de verwerking van visuele signalen of het zogenaamde geassocieerde leren.
Onderzoekers van de cel- en ontwikkelingsbiologiegroep van het Instituut voor Zoölogie van de Universiteit van Kiel bestuderen zo'n eenvoudig meercellig organisme, de zoetwaterpoliep Hydra.
In eerdere onderzoeken heeft het onderzoeksteam van het Collaborative Research Center (CRC) 1182 "Oorsprong en functie van metaorganismen" onder leiding van professor Thomas Bosch verbanden gevonden tussen het voedingsgedrag van Hydra en de betrokken neuronen.
De onderzoekers identificeerden bepaalde zenuwpopulaties van de zoetwaterpoliep die onder meer de mondopening van de dieren regelen. In een vervolgonderzoek observeerden ze dat gevoede dieren anders reageerden op voedselprikkels en ook een verminderde voortbeweging vertoonden na het voeren vergeleken met uitgehongerde individuen.
In een volgende stap willen de onderzoekers nu ontdekken hoe de dieren een complexe metabolische toestand zoals verzadiging integreren en hun gedrag dienovereenkomstig veranderen. In hun onderzoek kon het onderzoeksteam bewijzen dat het zenuwstelsel van Hydra daadwerkelijk de interne metabolische toestand kan 'meten'.
Ze ontdekten dat Hydra twee specifieke en indirect verbonden zenuwpopulaties heeft waarvan de activiteit verandert afhankelijk van het gevoel van verzadiging. Net als bij de veel complexere organismen van gewervelde dieren is één zenuwpopulatie verantwoordelijk voor de spijsvertering en een andere voor de integratie van verzadiging en gedragsveranderingen.
Alles bij elkaar genomen kunnen deze bevindingen duiden op vroege stadia van een gecentraliseerd zenuwstelsel. Het CRC 1182-onderzoeksteam, dat ook actief is in het Collaborative Research Center 1461 "Neurotronics", publiceerde zijn nieuwe resultaten in het tijdschrift Cell Reports .
Het gevoel van verzadiging in Hydra beïnvloedt de voeding en het daaraan gerelateerde gedrag
Eerst onderzochten de onderzoekers de directe invloed van voedselinname op het voedingsgedrag van Hydra. Dieren die hun natuurlijke voeding kregen, vertoonden tot acht uur daarna een beperkte reactie op voedselprikkels en openden hun mond aanzienlijk langzamer of helemaal niet.
In aanvullende experimenten observeerde het onderzoeksteam verdere gedragsveranderingen die indirect verband hielden met voedselinname. “Na het voeren van de dieren vertoonden ze bijvoorbeeld een significant lagere aantrekkingskracht op lichtprikkels en een even sterke onderdrukking van natuurlijke bewegingspatronen.
"Eén mogelijkheid is dat Hydra naar het licht beweegt op zoek naar voedsel en een salto-achtige voortbeweging uitvoert. Daarom remt het gevoel van verzadiging deze gedragspatronen, omdat gevoede dieren tijdelijk niet naar voedsel hoeven te zoeken", zegt Dr. Christoph Giez, onderzoeksmedewerker bij de onderzoeksgroep Cel- en Ontwikkelingsbiologie.
De activiteit van zenuwcellen hangt af van de interne metabolische toestand
In de volgende stap onderzochten de onderzoekers uit Kiel de vraag hoe de neuronale controle van deze uitgebreide gedragspatronen werkt en of de ‘waarneming’ van de metabolische toestand kan worden gedetecteerd in de activiteit van bepaalde zenuwcellen.
“Een specifieke zenuwpopulatie in de buitenste weefsellaag vertoont een verhoogde frequentie tijdens het voeren, ongeacht of er nog voedsel in de lichaamsholte zit of niet. Deze activiteit neemt na verloop van tijd weer af totdat het dier weer normaal eetgedrag vertoont”, zegt Giez. .
De activiteit van een andere zenuwpopulatie in de binnenste weefsellaag van de dieren wordt bepaald door het al dan niet aanwezig zijn van voedsel in het spijsverteringskanaal van het dier. Hun activering lijkt afhankelijk te zijn van mechanische stimulatie door de voedselcomponenten.
De onderzoekers voerden verdere functionele experimenten uit om een verband te onderzoeken tussen de activiteit van deze twee zenuwpopulaties in het zogenaamde endoderm en ectoderm en het gedrag van dieren, afhankelijk van hun verzadiging.
Toen ze experimenteel de neuronen in het ectoderm verwijderden, verloren de dieren het vermogen om zich voort te bewegen en zich op licht te oriënteren. De endodermale zenuwcellen daarentegen houden rechtstreeks verband met de voedselinname en -uitscheiding.
"We zouden hieruit kunnen afleiden dat de ectodermale populatie voornamelijk verantwoordelijk is voor de voortbeweging en voor de integratie van stimuli", zegt Giez. "Door deze subfunctionalisatie van neuronen in een eenvoudig systeem aan te tonen, konden we aantonen dat bepaalde zenuwpopulaties in Hydra al centrale functies kunnen overnemen die vergelijkbaar zijn met die in complexere zenuwstelsels."
Zenuwpopulaties die betrokken zijn bij het voedingsgedrag geven remmende neuropeptiden vrij
Ten slotte onderzocht het onderzoeksteam of bepaalde peptiden of neurotransmitters die verband houden met voedingsgedrag in verschillende mate worden geproduceerd bij uitgehongerde en verzadigde hydra's.
"We ontdekten dat een bepaald neuropeptide aanzienlijk wordt gedownreguleerd bij verzadigde dieren. Het was al bekend dat deze neurotransmitter ook betrokken is bij het controleren van de salto-achtige voortbeweging van de dieren, de weeën en het reguleren van de verzadiging bij andere neteldieren", zegt Giez. P>
Het is mogelijk dat dit peptide, dat alleen wordt geproduceerd door de zenuwpopulaties die betrokken zijn bij het voedingsgedrag, een belangrijke rol speelt bij de regulering van de eetlust bij Hydra, mogelijk door een rol te spelen in de indirecte communicatie tussen de binnenste en buitenste zenuwpopulaties.
Over het geheel genomen konden de onderzoekers van het CRC 1182 de neuronale regulatie van verzadiging in Hydra dus voornamelijk herleiden tot twee zenuwpopulaties en hun effecten op een heel spectrum van voedingsgerelateerde gedragspatronen.
"Dit bewijst dat een heel eenvoudig systeem, zoals het diffuse zenuwnetwerk van de zoetwaterpoliep, al in staat is zoiets complex als de interne metabolische toestand waar te nemen en het daarmee samenhangende gedrag dienovereenkomstig kan reguleren.
"Op basis van deze observaties zullen we meer kunnen leren over hoe deze modulatie werkt in complexere organismen en zo geleidelijk meer te weten komen over de evolutionaire oorsprong van het hongergevoel en de verdere ontwikkeling ervan", zegt het hoofd van de onderzoeksgroep. Professor Thomas Bosch.