Die "schmutzigen" Gedanken der Fadenwürmer

18. Oktober 2015, 17:30
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Was man so alles über die komplexe Funktionsweise des Gehirns von Fadenwürmern lernen kann, zeigen aktuelle Studien aus Österreich und England

London/Wien – Britischen und amerikanischen Forschern gelang es, im Gehirn von männlichen Fadenwürmern ein Neuronenpaar zu identifizieren, das die Tiere nach Sex streben lässt – selbst wenn sie dafür auf Nahrung verzichten müssen.

Von einem Gehirn, wie wir es von höheren Tieren her kennen, kann man bei dem Fadenwurm Caenorhabditis elegans ja eigentlich nicht sprechen, eher von einem relativ einfach gebauten Nervensystem. Nichtsdestotrotz ist auch dieses aus Neuronen aufgebaut, die – wie bei uns auch – in einem Netzwerk zu Schaltkreisen verbunden sind und miteinander interagieren.

Bereits seit den 1960er Jahren ist der Nematode C. elegans aufgrund seiner leichten Handhabe, seiner raschen Entwicklung und seiner Zellkonstanz eines der Lieblingstiere der Entwicklungsbiologen. Neben der Taufliege Drosophila und dem Süßwasser-Polypen Hydra zählt er zu den am besten erforschten Tieren der Welt. So ist zum Beispiel sein aus genau 302 Zellen bestehendes Nervensystem durch hochauflösende Elektronenmikroskopie bis ins kleinste Detail kartiert.

Das Experiment: Erst Sex, dann Essen

Um die Auswirkungen des speziellen Neuronenpaars auf das Verhalten der Würmer zu testen, wurden in der jüngst im Fachblatt "Nature" publizierten Studie klassische Konditionierungsexperimente durchgeführt. Im ersten Schritt lernten die Würmer, dass eine salzreiche Umgebung mit Futtermangel zusammenhängt. In Folge versuchten die Tiere beider Geschlechter – es gibt Männchen und Hermaphroditen – später auch in anderen Umgebungen salzreiche Regionen zu vermeiden.

Im zweiten Schritt wurden die Tiere in eine salzreiche Umgebung ohne Nahrung, aber in Gegenwart eines Geschlechtspartners gesetzt. In diesen Fällen reagierten die Männchen in späteren Situationen genau konträr: Sie suchten – in der Hoffnung wieder einen Partner zu treffen – gezielt die salzreichen Regionen auf, den Nahrungsmangel nahmen sie dabei in Kauf. Dieses Verhalten trat nicht bei den Hermaphroditen auf und auch nicht bei Männchen, denen das Neuronenpaar künstlich entfernt worden war.

Mysteriöse Zellen der Männchen

Die Forscher um Michele Sammut vom University College in London nannten das Neuronenpaar die "mysteriösen Zellen der Männchen" (MCMs) und schlussfolgerten, das diese Zellen, durch die Veränderung bestimmter Schaltkreise im Gehirn, Unterschiede im Verhalten der Männchen bewirken. Bis dato wusste man noch sehr wenig über jene Unterschiede im Gehirn, die zu unterschiedlichen Vorlieben, Fähigkeiten und Urteilen bei den Geschlechtern führen.

Weiters konnte das Team zeigen, dass jene Zellen, aus denen sich die männlichen Neuronen entwickelt hatten, den Zellen sehr ähnlich sind, aus denen sich auch menschliche Hirnzellen entwickeln: Es handelt sich in beiden Fällen um Gliazellen. Das sind Zellen des Nervengewebes, die aber strukturell und funktionell von Nervenzellen abgegrenzt sind.

Koautor Scott Emmons: "Bis jetzt ist es nur bei dem kleinen Wurm C. elegans möglich, jede Synapse zu identifizieren. Nichtsdestotrotz eröffnen uns diese Erkenntnisse auch neue Perspektiven in der Studie der Vielfalt menschlicher Sexualität, sexueller Orientierung und Gender-Identifikation."

Gedankenlesen bei Fadenwürmern

Mit dem Nervensystem von C. elegans beschäftigt man sich auch am Forschungsinstitut für molekulare Pathologie in Wien (IMP). Die Forscher um Manuel Zimmer konnten erstmals zeigen, wie die Aktivität von Nervenzell-Netzwerken das Verhalten der Tiere steuert. Aus der aufeinander abgestimmten Aktivität einzelner Neuronengruppen konnten die Forscher die Verhaltensabsichten des Tieres eindeutig ablesen.

Bis dato konzentrierte sich die Forschung auf die Funktion und das Zusammenwirken weniger Nervenzellen, um Verhaltensweisen wie zum Beispiel Bewegung zu erklären. Mittels moderner 3D-Mikroskopiemethoden und dem Einsatz eines bei Aktivität im Organismus leuchtenden Kalziumsensors konnten nun aber schnelle gleichzeitige Messungen verschiedener Hirnareale durchgeführt werden.

Modell für grundlegende Prinzipien

Die Forscher setzten die Tiere verschiedenen Reizen aus und konnten zeitgleich beobachten, welche Neuronen im Gehirn aktiv waren und wie sie sich im Netzwerk koordinierten. Anhand von frei beweglichen Würmern konnte das Team sogar feststellen, welche Neuronen die Kommandos zur Ausführung einzelner Verhaltensabläufe erteilten. Nicht nur kurze Bewegungen, sondern auch wie diese im Gehirn – wie beispielsweise bei der Futtersuche – zu längeren Verhaltensstrategien zusammengefügt werden, konnten so analysiert werden.

Zimmer und seine Mitarbeiter sind überzeugt, dass im Fadenwurm – obwohl nur sehr entfernt verwandt mit den Säugetieren – grundlegende Prinzipien der Gehirnfunktion präzise beschrieben werden können. (APA/rede 18.10.2015)

  • Der Modellorganismus C. elegans und seine Hirnfunktionen stehen im Zentrum des wissenschaftlichen Interesses.
    foto: epa/mpg

    Der Modellorganismus C. elegans und seine Hirnfunktionen stehen im Zentrum des wissenschaftlichen Interesses.

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