Как кальмары и осьминоги получают свои большие мозги

Головоногие — включая осьминогов, кальмаров и их родственников каракатиц — способны на поистине харизматичное поведение. Они могут быстро обрабатывать информацию, чтобы изменять форму, цвет и даже текстуру, сливаясь с окружающей средой. Они также могут общаться, демонстрировать признаки пространственного обучения и использовать инструменты для решения проблем. Они настолько умны, что могут даже скучать.

Не секрет, что делает это возможным: у головоногих самый сложный мозг среди всех беспозвоночных на планете. Однако загадкой остаётся процесс развития. Учёные давно задавались вопросом, как головоногие вообще получают свои большие мозги. Лаборатория в Гарварде, изучающая зрительную систему этих мягкотелых существ (где сосредоточено две трети их центральной нервной ткани), считает, что близка к разгадке. Этот процесс, по их словам, выглядит удивительно знакомым.

В исследовании, опубликованном в Current Biology, учёные из FAS Center for Systems Biology описывают, как с помощью новой техники визуализации в реальном времени они наблюдали за созданием нейронов в эмбрионе. Затем они смогли проследить за этими клетками в процессе развития нервной системы в сетчатке. Увиденное удивило их.

Отслеживаемые нейральные стволовые клетки вели себя поразительно схожим образом с тем, как эти клетки ведут себя у позвоночных во время развития их нервной системы. Это говорит о том, что позвоночные и головоногие, несмотря на расхождение эволюционных путей 500 миллионов лет назад, не только используют схожие механизмы для создания своих больших мозгов, но и что этот процесс, а также то, как клетки действуют, делятся и формируются, могут, по сути, задавать необходимый план для развития такого типа нервной системы.

"Наши выводы были неожиданными, потому что многое из того, что мы знаем о развитии нервной системы у позвоночных, долгое время считалось особенностью этой линии", — сказала Кристен Кёниг, старший автор исследования.

"Наблюдая, что процесс очень похож, мы предположили, что эти две независимо эволюционировавшие очень большие нервные системы используют одни и те же механизмы для своего построения. Это говорит о том, что эти механизмы — эти инструменты, — которые животные используют во время развития, могут быть важны для построения больших нервных систем".

Учёные из лаборатории Кёниг сосредоточились на сетчатке кальмара вида Doryteuthis pealeii, более известного как один из видов лонгфин-кальмаров. Эти кальмары вырастают до 30 см в длину и распространены в северо-западной части Атлантического океана. В эмбриональном состоянии они выглядят очаровательно, с большой головой и большими глазами.

Исследователи использовали методы, аналогичные тем, что популярны для изучения модельных организмов, таких как плодовые мушки и рыбки данио. Они создали специальные инструменты и использовали современные микроскопы, которые могли делать снимки высокого разрешения каждые десять минут в течение многих часов, чтобы увидеть, как ведут себя отдельные клетки. Для маркировки и отслеживания клеток использовались флуоресцентные красители.

Эта техника визуализации в реальном времени позволила команде наблюдать за стволовыми клетками, называемыми клетками-предшественниками нейронов, и их организацией. Клетки формируют особый тип структуры — псевдомногослойный эпителий. Его ключевая особенность — удлинённая форма клеток, позволяющая плотно их упаковывать. Исследователи также увидели, как ядра этих структур перемещаются вверх и вниз до и после деления. Это движение важно для поддержания организации ткани и продолжения роста.

Такой тип структуры универсален для развития мозга и глаз у позвоночных. Исторически он считался одной из причин, позволяющих нервной системе позвоночных становиться такой большой и сложной. Учёные наблюдали примеры такого нейрального эпителия и у других животных, но рассмотренная в данном случае ткань кальмара была необычно похожа на ткань позвоночных по своим размерам, организации и характеру движения ядра.

Исследование возглавили Франческа Р. Наполи и Кристина М. Дейли, научные сотрудники лаборатории Кёниг.

Далее лаборатория планирует изучить, как возникают различные типы клеток в мозге головоногих. Кёниг хочет выяснить, экспрессируются ли они в разное время, как они "решают" стать одним типом нейрона, а не другим, и схож ли этот процесс у разных видов.

Кёниг воодушевлена потенциальными открытиями, которые ждут впереди.

"Один из главных выводов такой работы — понимание ценности изучения разнообразия жизни. Изучая это разнообразие, можно вернуться к фундаментальным идеям даже о нашем собственном развитии и наших биомедицинских вопросах. Можно действительно найти на них ответы".