Frühe Differenzierung höherer HirnstrukturenBetroffene von konkurrierenden Pathways

Sand - Wohnung und Rock - Wohnung Buntbarsche leben in Ostafrikas Malawisee teilen eine nahezu identische Genom , aber sehr unterschiedliche Persönlichkeiten. Die territorialen Felsbewohnerleben in Gemeinden, in denen soziale Interaktionen wichtig sind, während die Sandbewohnersind ambulante und weniger aggressiv .

Diese Unterschiede im Verhalten wahrscheinlich entstehen aus einem komplexen Bereich des Gehirns, die als Telencephalon , die die Kommunikation , Emotion , Bewegungs- und Speicher in Vertebraten regelt bekannt - einschließlich des Menschen , wobei ein Hauptteil des Telencephalon ist als der Hirnrinde bekannt. Eine Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift Nature Communicationszeigt, wie die Stärke und das Timing der konkurrierenden molekularen Signale, die während der Entwicklung des Gehirns hat natürliche und vermutlich adaptiven Unterschiede in der Telen viel früher als Wissenschaftler bisher angenommen hatten erzeugt.

In der Studie, die Forscher zunächst die wichtigsten Unterschiede in der Genexpression zwischen Fels- und SandbewohnerGehirn während der Entwicklung identifiziert und dann verwendet werden, kleine Moleküle zu Entwicklungspfaden zu manipulieren, um die natürliche Vielfalt zu imitieren.

"Wir haben gezeigt , dass die evolutionären Veränderungen in den Gehirnen dieser Fische kommen sehr früh in der Entwicklung ", sagte Todd Streelman , außerordentlicher Professor an der Fakultät für Biologie und der Petit -Institut für Bioengineering und Biowissenschaften an der Georgia Institute of Technology . "Es ist allgemein gedacht , dass die frühe Entwicklung des Gehirns muss stark gegen Änderung gepuffert Unsere Daten deuten darauf hin , dass FelsbewohnerGehirne unterscheiden sich von SandbewohnerGehirn - . . , Bevor es eine Gehirn"

Für den Menschen kann der Forscher führen , um subtile Veränderungen in Hirnstrukturen früher in den Entwicklungsprozess zu suchen. Dies könnte ein besseres Verständnis geben, wie Erkrankungen wie Autismus und Schizophrenie konnte in sehr frühen Entwicklung des Gehirns auftreten.

Die Forschung wurde von der National Science Foundation und online veröffentlicht 23. April von der Zeitschrift .

"Wir wollen verstehen, wie die Telenzephalon entwickelt , indem du Genetik und Entwicklungswege in nahe verwandten Arten aus natürlichen Populationen ", sagte Jonathan Sylvester, ein Postdoc-Forscher in der Georgia Tech School of Biology und führen Autor des Papiers. "Adult Buntbarsche haben eine enorme Menge an Variation im Telencephalon , und wir untersucht, den Zeitpunkt und die Ursache für diese Unterschiede . Im Gegensatz zu vielen früheren Studien im Labor Modellorganismen , die auf großen , qualitativen Effekte aus Ausschlagen einzelne Gene konzentrieren , haben wir gezeigt, dass die Gehirn Vielfalt entwickelt sich durch quantitative Abstimmung verschiedene Wege . "

Bei der Prüfung der Fisch von Embryonen bis zum Erwachsenenalter , fanden die Forscher , dass die mbuna oder Felsbewohner, neigten dazu, einen größeren Teil des ventralen Telen aufweisen , die so genannte subpallium - während die Sandbewohnereher um eine größere Version des dorsalen haben Struktur wie das Pallium bekannt. Diese Strukturen scheinen sich im Laufe der Zeit , um die Verhaltens- und ökologischen Bedürfnissen der Fische gerecht unterschiedlich entwickelt haben. Das Team hat gezeigt, dass eine frühe Veränderung der Aktivität der Entwicklungssignaleausgedrückt als komplementäre dorsal- ventralen Gradienten , technisch als " Flügelloser " und bekannt als " Igel ", sind bei der Schaffung dieser Unterschiede in der Neuralplatte Phase tätig , als ein einzelnes Blatt Nervengewebe Falten , die neurale Schlauch zu bilden.

Um diese zwei Wege gezielt zu manipulieren , entfernt Sylvester Fängen der zwischen 20 und 40 Eier aus brüten Buntbarschweibchen , die normalerweise inkubieren befruchtete Eier in den Mund . Bei etwa 36 bis 48 Stunden nach der Befruchtung wurden Gruppen von Eiern , um niedermolekulare Chemikalien, die entweder verstärkt oder abgeschwächt das Hedgehog -Signal oder verstärkt oder abgeschwächt die Wingless Signal ausgesetzt . Die chemische Behandlung kam, während die Strukturen , die das Gehirn werden würde es wenig mehr als ein Blatt von Zellen. Nach der Behandlung wurde das Wasser mit den Chemikalien durch Frischwasser ersetzt , und die Embryonen erlaubt, ihre Entwicklung fortzusetzen.

"Wir waren in der Lage, diese Wege in einer Weise, die wir denken, dass die Evolution könnte gearbeitet, um den Prozess der FelsbewohnerTelenzephalon Entwicklung SandbewohnerEntwicklung verlagern künstlich zu manipulieren und Behandlung umgekehrt. Mit kleinen Molekülen ermöglicht es uns unglaublich zeitliche und Dosis Präzision bei der Manipulation natürliche Entwicklung ", erklärte Sylvester . "Wir haben dann folgte die Entwicklung der Embryonen , bis wir in der Lage, die anatomischen Strukturen zu messen - die Größe des Pallium und subpallium - um zu sehen , dass wir einen in die andere verwandelt hatte . "

Die zwei verschiedenen Hirnregionen , die Rücken Pallium und ventralen subpallium , führen zu erregenden und hemmenden Nervenzellen im Vorderhirn . Änderung der relativen Größe dieser Regionen könnte das Gleichgewicht zwischen diesen neuronalen Typen zu ändern, was schließlich Verhaltensänderungen in der erwachsenen Fische.

" Die Evolution hat Feinabstimmung einige dieser Entwicklungsmechanismen , die Vielfalt zu produzieren ", sagte Streelman . "In dieser Studie haben wir herauszufinden, welche dachten . "

Die Forscher untersuchten sechs verschiedene Arten von ostafrikanischen Buntbarschen , und arbeitete auch mit Mitarbeitern am Kings College in London ähnliche Techniken in der Zebrafisch gelten .

In einem nächsten Schritt würden die Forscher gerne die Embryonen bis zum Erwachsenenalter zu folgen , um zu sehen , ob die Änderungen in der embryonalen und juvenilen Hirnstrukturen gesehen tatsächlich tun Wechselverhalten der Erwachsenen. Es ist möglich , die Streelman , dass spätere Entwicklungs Ereignisse können sich für die frühen Unterschiede auszugleichen .

Die Ergebnisse könnten von Interesse für Wissenschaftler, die menschliche neurologische Störungen , die aus einem Ungleichgewicht zwischen erregenden und hemmenden Neuronen führen können. Diese Erkrankungen gehören Autismus und Schizophrenie . " Wir denken, es ist besonders interessant , dass es möglicherweise einige adaptive Variation in den natürlichen Anteilen von erregenden gegenüber inhibitorischen Neuronen in den Arten, die wir studieren , mit ihren natürlichen Verhaltensunterschiede korreliert sein", sagte Streelman .