Science hat zwei Studien veröffentlicht, die von einem kerbaskischen Forscher am Achucarro Basque Center for Neuroscience und UPV/EHU geleitet wurden und ihren einzigartigen Evolutionspfad aufdecken.
Das Pallium ist die Gehirnregion, in der sich bei Säugetieren der Neocortex entwickelt, der eine Schlüsselrolle bei kognitiven und komplexen Funktionen spielt, die den Menschen von anderen unterscheidenSpezies. Traditionell wurde das Pallium als eine strukturell vergleichbare Region bei Säugetieren, Vögeln und Reptilien angesehen, die sich vor allem in ihrer Komplexität unterscheidet.
Bisher wurde angenommen, dass diese Region ähnliche Arten von Neuronen und äquivalente Schaltkreise für die sensorische und kognitive Verarbeitung enthält. Frühere Studien identifizierten gemeinsame erregende und hemmende Neuronen sowie allgemeine Konnektivitätsmuster, was auf einen gemeinsamen evolutionären Verlauf dieser Neuronen schließen lässtWirbeltiere.
Zwei neue Studien haben jedoch gezeigt, dass das Pallium zwar in diesen Gruppen analoge Funktionen erfüllt, seine Entwicklungsmechanismen und die molekulare Identität seiner Neuronen sich jedoch im Laufe der Evolution deutlich voneinander unterschieden haben.
Die erste Studie, die von Eneritz Rueda-Alaña und Fernando García-Moreno in Achucarro mit Unterstützung eines multidisziplinären Teams von Mitarbeitern der baskischen Forschungszentren CICbioGUNE und BCAM, des in Madrid ansässigen CNIC, der Universität Murcia, Krembil (Kanada) und der Universität Stockholm durchgeführt wurde, zeigt, dass Vögel und Säugetiere zwar Schaltkreise mit ähnlichen Funktionen entwickelt haben, die Art und Weise, wie sich diese Schaltkreise während der Embryonalentwicklung bilden, jedoch radikal unterschiedlich ist.
„Ihre Neuronen werden bei jeder Art an unterschiedlichen Orten und zu unterschiedlichen Entwicklungszeiten geboren“, erklärt Dr. García-Moreno, Leiterin des Labors für Gehirnentwicklung und Evolution, „was darauf hindeutet, dass es sich nicht um vergleichbare Neuronen handelt, die von einem gemeinsamen Vorfahren stammen.“
Mithilfe räumlicher Transkriptomik und mathematischer Modellierung fanden die Forscher heraus, dass die Neuronen, die für die sensorische Verarbeitung bei Vögeln und Säugetieren verantwortlich sind, mithilfe unterschiedlicher Gensätze gebildet werden.
„Die genetischen Werkzeuge, die sie zur Feststellung ihrer zellulären Identität verwenden, variieren von Art zu Art und jede weist neue und einzigartige Zelltypen auf.“ Dies alles deutet darauf hin, dass diese Strukturen und Schaltkreise nicht homolog sind, sondern das Ergebnis einer konvergenten Evolution, was bedeutet, dass „sie diese wesentlichen neuronalen Schaltkreise unabhängig voneinander auf unterschiedlichen Evolutionspfaden entwickelt haben“.
Vergleich des Gehirns von Vögeln, Säugetieren und Reptilien
Die zweite Studie untersucht diese Unterschiede weiter. Es wurde an der Universität Heidelberg (Deutschland) durchgeführt und von Bastienne Zaremba, Henrik Kaessmann und Fernando García-Moreno gemeinsam geleitet. Es liefert einen detaillierten Zelltypatlas des Vogelgehirns und vergleicht ihn mit denen von Säugetieren und Reptilien.
„Wir konnten die Hunderte von Genen, die jeder Neuronentyp in diesen Gehirnen verwendet, Zelle für Zelle beschreiben und sie mit bioinformatischen Werkzeugen vergleichen.“
Die Ergebnisse zeigen, dass Vögel seit Hunderten von Millionen Jahren die meisten hemmenden Neuronen beibehalten haben, die in allen anderen Wirbeltieren vorhanden sind. Ihre erregenden Neuronen, die für die Informationsübertragung im Pallium verantwortlich sind, haben sich jedoch auf einzigartige Weise entwickelt. Nur wenige Neuronentypen im Vogelhirn wurden mit genetischen Profilen identifiziert, die denen von Säugetieren ähneln, etwa dem Claustrum und dem Hippocampus, was darauf hindeutet, dass einige Neuronen sehr alt sind und von allen Arten gemeinsam genutzt werden.
„Allerdings haben sich die meisten erregenden Neuronen bei jeder Art auf neue und unterschiedliche Weise entwickelt“, erläutert Dr. García-Moreno.
Die Studien, veröffentlicht inWissenschaftverwendeten fortschrittliche Techniken der räumlichen Transkriptomik, der Entwicklungsneurobiologie, der Einzelzellanalyse und der mathematischen Modellierung, um die Entwicklung der Gehirnschaltkreise bei Vögeln, Säugetieren und Reptilien zu verfolgen.
Die Evolutionsgeschichte des Gehirns neu schreiben
„Unsere Studien zeigen, dass die Evolution mehrere Lösungen für den Aufbau komplexer Gehirne gefunden hat“, erklärt Dr. García-Moreno. „Vögel haben durch ihre eigenen Mechanismen hochentwickelte neuronale Schaltkreise entwickelt, ohne den gleichen Weg wie Säugetiere zu gehen. Dies verändert unser Verständnis der Gehirnevolution.“
Diese Ergebnisse unterstreichen die evolutionäre Flexibilität der Gehirnentwicklung und zeigen, dass fortgeschrittene kognitive Funktionen über sehr unterschiedliche genetische und zelluläre Wege entstehen können.
Die Bedeutung der Untersuchung der Gehirnentwicklung
„Unser Gehirn macht uns zu Menschen, verbindet uns aber auch durch eine gemeinsame Evolutionsgeschichte mit anderen Tierarten“, erklärt Dr. García-Moreno.
Die Entdeckung, dass Vögel und Säugetiere unabhängig voneinander neuronale Schaltkreise entwickelt haben, hat erhebliche Auswirkungen auf die vergleichende Neurowissenschaft. Das Verständnis der unterschiedlichen genetischen Programme, die zur Entstehung spezifischer neuronaler Typen führen, könnte neue Wege für die Erforschung der neurologischen Entwicklung eröffnen.
Dr. García-Moreno plädiert für diese Art der Grundlagenforschung: „Nur wenn wir verstehen, wie sich das Gehirn bildet, sowohl in seiner Embryonalentwicklung als auch in seiner Evolutionsgeschichte, können wir wirklich verstehen, wie es funktioniert.“
Referenzen: „Evolutionäre Konvergenz sensorischer Schaltkreise im Pallium von Amnioten“ von Eneritz Rueda-Alaña, Rodrigo Senovilla-Ganzo, Marco Grillo, Enrique Vázquez, Sergio Marco-Salas, Tatiana Gallego-Flores, Aitor Ordeñana-Manso, Artemis Ftara, Laura Escobar, Alberto Benguría, Ana Quintas, Ana Dopazo, Miriam Rábano, María dM Vivanco, Ana María Aransay, Daniel Garrigos, Ángel Toval, José Luis Ferrán, Mats Nilsson, Juan Manuel Encinas-Pérez, Maurizio De Pittà und Fernando García-Moreno, 14. Februar 2025,Wissenschaft.
DOI: 10.1126/science.adp3411
von Céline Schneider, Julia Schmid, Snoville-Ganzo, Solo-Sotomyer Franchise, Nils Trost, Francesco Lamanna, Mary Sep,Wissenschaft.
DOI: 10.1126/science.adp5182
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