Intelligente Würmer: Evolution des Großhirns

Das Großhirn ist der faszinierendste Teil unseres Gehirns. Es macht uns Menschen aus: Kunst, Literatur und Wissenschaft existierten ohne diesen höchstenwickelten Teil unseres Gehirns nicht. Wie konnte das Großhirn im Verlauf der Evolution der Tiere entstehen, wie sah ein erster Vorläufer des Großhirns aus, was war seine Aufgabe und in welchen Tieren kam er vor?

Wissenschaftler am Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL) in Heidelberg haben eine unerwartete Entdeckung gemacht und berichten darüber heute in Cell: Ein echtes Gegenstück zum Großhirn findet sich bereits in einem Wirbellosen, dem Meeresringelwurm Platynereis dumerilii, einem entfernten Verwandten des Regenwurms. Die Forschungsergebnisse geben einen Hinweis darauf wie die ältesten hochentwickelten Gehirnregionen ausgesehen haben könnten, wann sie entstanden sind und welche Aufgaben sie hatten.

Nicht neu ist, dass wir — evolutionsbiologisch betrachtet —das Großhirn mit anderen Wirbeltieren teilen, unklar war bisher jedoch die frühe Evolution in wirbellosen Vorfahren. Selbst bei unseren nächsten wirbellosen Verwandten, dem Lanzettfischchen, konnte bislang keine dem Großhirn ähnliche Gehirnstruktur nachgewiesen werden. Jetzt haben EMBL Wissenschaftler im Meeresringelwurm, einem im Stammbaum der Tiere sehr viel weiter entfernt stehenden Lebewesen, Gehirnstrukturen entdecken, die dem Großhirn von Wirbeltieren ähneln und auf einen gemeinsamen Ursprung hinweisen. Dies ist umso erstaunlicher, da sich die Entwicklungspfade von Mensch und Wurm bereits vor etwa 600 Millionen Jahren trennten.

“Diese Ergebnisse sind in zweierlei Hinsicht verblüffend,“ sagt Forschungsgruppenleiter Detlev Arendt: „Erstens, das Großhirn ist wesentlich älter als man sich bisher vorstellen konnte, wahrscheinlich genauso alt wie die höheren Tiere selbst. Und zweitens wissen wir nun, dass sich diese besondere Struktur in Anpassung an das Leben in den Meeren des Präkambrium entwickelt hat.“

Zur Klärung der evolutionären Herkunft unseres Großhirns hat der verantwortliche Wissenschaftler, Raju Tomer, eine bestimmte Gehirnregion, die für die Verarbeitung von Geruchs- und anderen Sinnenreizen zuständigen sogenannten ‘Pilzkörper’, des Meeresringelwurms genauer untersucht. Dazu entwickelte er eine neue Technik, das sogenannte ‘Cellular profiling by image registration (PrImR)’, die es den Wissenschaftlern erstmalig ermöglicht, eine große Anzahl an Genen in einem kompakten Gewebe zu untersuchen und somit herauszufinden, welche Gene gleichzeitig in den selben Zelltypen aktiviert sind. Mit Hilfe dieser Technik gelang es Tomer, den ‘molekularen Fingerabdruck’ jeder einzelnen Zelle zu bestimmen und anhand der jeweils exprimierten Gene auf den Zelltypus zu schließen — eine wesentliche Verbesserung zu der gängigen Bestimmung von Zellarten anhand ihrer Lage und spezifischen Form.

“Der Vergleich der molekularen Fingerabdrücke der sich entwickelnden Pilzkörper im Wurm mit den verfügbaren Daten von Wirbeltieren war eindeutig. Pilzkörper und Großhirn müssen einen gemeinsamen Vorläufer in der Evolutionsgeschichte gehabt haben, da sie zu ähnlich sind, als dass sie unabhängig voneinander enstanden sein könnten,“ sagt Arendt.

Diese Urstruktur war höchstwahrscheinlich eine Ansammlung dichtgepackter Zellen, die Geruchsinformationen empfangen und weiterverarbeitet haben und zugleich Bewegungen kontrollierten. Die Urahnen orteten Nahrung mit Hilfe des Geruchssinns, verarbeiteten diese Information in ihrem Großhirnvorläufer und bewegten sich dann zielgerichet auf dem Meeresboden auf die Nahrungsquelle zu. Möglicherweise nutzten sie diese Erfahrungen in einer frühen Form des Lernens.

„Bisher hat man angenommen, dass sich die Pilzkörper der Wirbellosen und das Großhirn der Wirbeltiere voneinander unabhängig entwickelt haben, wir konnten jedoch zeigen, dass dies wohl nicht der Fall war,“ sagt Tomer. Und Arendt fasst zusammen: „Die Evolutionsgeschichte unseres Großhirns muss neu geschrieben werden.“

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