Att ta en närmare titt på nervsystemen hos mantisräkor, toppleddjursrovdjur av korallrevet, forskare ledda av Nick Strausfeld vid University of Arizona och Gabriella Wolff, nu vid University of Washington, upptäckte hjärnstrukturer som – enligt lärobokens visdom – inte borde finnas där.

Kända som svampkroppar, dessa strukturer, som spelar en nyckelroll i att bilda minnen och lärande, hade bara hittats hos insekter — fram till nu. Fynden verkar ifrågasätta det vanligaste scenariot som visar hur hjärnstrukturer utvecklades hos leddjur.

Eftersom det har blivit allmänt accepterat att insekter utvecklats från kräftdjur, och svampkroppar är exklusiva för insekter (eller så verkade det), de flesta biologer är överens om att dessa unika hjärnstrukturer utvecklades efter att insektslinjen splittrades från kräftdjurslinjen.

Implikationerna av studien, som publiceras i tidskriften med öppen tillgång eLife , peka på ett av två möjliga scenarier, båda lika sannolikt kommer att väcka ett surr i det vetenskapliga samfundet. Enligt Strausfeld, en Regents' Professor vid UAs institution för neurovetenskap och seniorförfattaren på tidningen, en tolkning tyder på att svampkroppar är mycket äldre än forskare insåg och gick förlorade i nästan alla kräftdjur utom mantisräkor, en grupp känd som stomatopoder som är systergruppen av kräftdjur som räkor, hummer och krabbor. I det andra scenariot, svampkroppar utvecklades oberoende i stomatopoder och är analoga med deras motsvarigheter i insekter, genom en process som kallas konvergent evolution.

Omfattar mer än 4 miljoner arter, leddjur är den största och mest mångsidiga gruppen av djur, inklusive kräftdjur, insekter och spindlar. Alla leddjur tros härstamma från en gemensam förfader, troligen en varelse som bebodde havsbotten för mer än 550 miljoner år sedan. Den exakta förgreningen av leddjurssläktträdet vid den tidiga tiden förblir grumlig, en skissartad bild beslöjad av lagren av djup tid och luckor i fossilregistret.

Genom att visualisera celler och neurala förbindelser i hjärnan på mantisräkor, författarna till studien visar att bland kräftdjur, bara mantisräkor har äkta svampkroppar. Spännande nog, fastän, de hittade också några attribut för dessa ikoniska strukturer hos nära släktingar till mantisräkan:renare räkor, pistolräkor och landlevande eremitkräftor.

Detta kanske inte är en slump, författarna föreslår, hävdar att bland kräftdjur, mantisräkor och deras släktingar är den enda kända gruppen som är beroende av minnet av exakta platser. Det kanske därför inte är en slump att just dessa taxor har behållit svampkroppar eftersom "en föreslagen drivkraft för utvecklingen av stora svampkroppar är kravet att komma ihåg de exakta platserna och egenskaperna för platser varifrån man kan få mat, " som författarna skriver.

"Hos insekter, svampkroppar är nödvändiga för inlärning och minne, " Strausfeld säger. "Vi visade tidigare att kackerlackor är nödvändiga för att memorera plats. Detta kan vara sant för de flesta insekter. Att hitta denna struktur i ett kräftdjur är verkligen spännande, eftersom det antyder att det kan ha uppstått i djup tid:ett gammalt centrum, bevarat i över en halv miljard år, för att utföra denna funktion."

Med hjälp av en teknik som kallas immunhistokemi, Wolff och Strausfeld förberedde först mycket tunna sektioner av hjärnvävnad från mantisräkor och applicerade antikroppar som specifikt upptäcker vissa proteiner som är kända för att spela viktiga roller i inlärning och minne. Eftersom dessa antikroppar är kopplade till fluorescerande markörer, forskare kan spåra de exakta platserna för dessa proteiner när de beskriver nervsystemets anatomiska arkitektur.

"När vi studerar sektionerna färgade för inlärnings- och minnesproteiner under mikroskopet, de karakteristiska svampkroppsloberna som kännetecknar insektsvampkroppar lyser mycket intensivt, " säger Strausfeld.

Teamet är övertygat om att de strukturer de identifierade verkligen är svampkroppar. Medan tidigare bara tre neuroanatomiska karaktärer rutinmässigt användes för att identifiera dessa kännetecknande strukturer i insektshjärnor, teamet utökade denna serie av karaktärer till 14 och, enligt Strausfeld, "till vår glädje, liksom insekter, mantisräkor avslöjar var och en av dem."

Studiens författare erkänner att även om det är spännande, deras fynd ger ingen definitiv slutsats om exakt hur och när svampkroppar utvecklades. Hypotesen att identiska centra med en sådan häpnadsväckande komplexitet har utvecklats konvergent i stomatopoder och insekter är lika fascinerande som alternativet – den med svampkroppar som utvecklas tidigt i utvecklingen av alla leddjur. Strausfeld och hans medförfattare satsar inte på den ena som mer sannolikt än den andra.

"Vi kan inte utesluta konvergens, säger Wolff, "eftersom det är möjligt för komplexa strukturer att utvecklas flera gånger, även om det inte är det mest sannolika scenariot."

Som topprovdjur som använder sin formidabla syn för att förfölja och jaga bytesdjur över avsevärda avstånd, mantisräkor måste utvärdera och komma ihåg komplexa egenskaper i sin miljö, konstaterar författarna. Liknande, renare räkor, pistolräkor och landlevande eremitkräftor förlitar sig på avancerade rumsliga och tidsmässiga minnesförmåga som inte delas av andra kräftdjursarter, som kan ha förlorat sina svampkroppar under evolutionens gång.

I tidigare studier, Wolff och Strausfeld upptäckte strukturer som liknade svampkroppar i taxa som utvecklades före kräftdjur och insekter, som tusenfotingar, spindlar, även plattmaskar. Wolff säger:"Jag tror att det är mest troligt att dessa strukturer existerade i den sista gemensamma förfadern till leddjur, och de arter som inte har dem har i andra hand förlorat dem."

Författarna hoppas att studier av svampkroppstranskriptomer, mönstren för genuttryck som kännetecknar deras deltagande neuroner, kommer att fungera som den ultimata domaren.

"Frågan vi i slutändan vill besvara är:Vilken var den tidigaste hjärnan?" säger Strausfeld. "Vår forskning ger oss en inblick i en uråldrig hjärnstruktur. Den tidigaste hjärnan definierades inte bara som den främre änden av nervsystemet, men något mer utarbetat. Fossiliserade spår gjorda för över 520 miljoner år sedan visar oss att även de tidigaste hjärnorna kunde fatta beslut om vad de ska göra härnäst och vart de ska återvända, och dessa beslut kan mycket väl ha informerats, inte bara genom omedelbar sensorisk information utan också genom återkallelse."