Under evolutionens gång har levande organismer gradvis utvecklat mer komplexa nervsystem för att koordinera allt mer komplexa sensoriska, motoriska och kognitiva funktioner och för att kontrollera det associerade beteendet.
Nyligen har olika forskningsprojekt visat att även enkla varelser med diffusa nervsystem kan uppvisa komplext neuronalt beteende, till exempel bearbetning av visuella signaler eller så kallad tillhörande inlärning.
Forskare från gruppen Cell and Developmental Biology vid Institutet för zoologi vid Kiel University studerar en sådan enkel flercellig organism, sötvattenpolypen Hydra.
I tidigare studier har forskargruppen från Collaborative Research Center (CRC) 1182 "Origin and Function of Metaorganisms" under ledning av professor Thomas Bosch funnit samband mellan ätbeteendet hos Hydra och de inblandade neuronerna.
Forskarna identifierade vissa nervpopulationer hos sötvattenpolypen som bland annat kontrollerar djurens munöppning. I en uppföljningsstudie observerade de att utfodrade djur reagerade olika på matstimuli och visade också minskad rörelse efter utfodring jämfört med svältande individer.
I ett nästa steg vill forskarna nu ta reda på hur djuren integrerar ett komplext metabolt tillstånd som mättnad och ändrar sitt beteende därefter. I sin studie kunde forskargruppen bevisa att Hydras nervsystem faktiskt kan "mäta" det interna metabola tillståndet.
De fick reda på att Hydra har två specifika och indirekt sammankopplade nervpopulationer vars aktivitet förändras beroende på mättnadskänslan. I likhet med de mycket mer komplexa organismerna hos ryggradsdjur är en nervpopulation ansvarig för matsmältningen och en annan för integrationen av mättnad och beteendeförändringar.
Sammantaget kan dessa fynd antyda tidiga stadier av ett centraliserat nervsystem. Forskargruppen CRC 1182, som också är aktiv i Collaborative Research Center 1461 "Neurotronics", publicerade sina nya resultat i tidskriften Cell Reports .
Först undersökte forskarna den direkta inverkan av matintag på utfodringsbeteendet hos Hydra. Djur som matades med sin naturliga föda visade en begränsad reaktion på matstimuli i upp till åtta timmar efteråt och öppnade munnen betydligt långsammare eller inte alls.
I ytterligare experiment observerade forskargruppen ytterligare beteendeförändringar som var indirekt relaterade till matintag. "Till exempel, efter att ha matat djuren visade de en betydligt lägre attraktion till ljusstimuli och ett lika starkt undertryckande av naturliga rörelsemönster.
"En möjlighet är att Hydra rör sig mot ljuset på jakt efter mat och utför en kullerbytta-liknande rörelse. Därför hämmar mättnadskänslan dessa beteendemönster, eftersom utfodrade djur tillfälligt inte behöver leta efter mat", säger Dr Christoph Giez, forskarassistent i forskargruppen för cell- och utvecklingsbiologi.
Nervcellers aktivitet beror på det interna metaboliska tillståndet
I nästa steg undersökte forskarna från Kiel frågan om hur den neuronala kontrollen av dessa omfattande beteendemönster fungerar och om "avkänningen" av det metabola tillståndet kan detekteras i vissa nervcellers aktivitet.
"En specifik nervpopulation i det yttre vävnadslagret visar en ökad frekvens under utfodring, oavsett om det fortfarande finns mat i kroppshålan eller inte. Denna aktivitet minskar igen med tiden tills djuret återgår till normalt utfodringsbeteende igen", säger Giez .
Aktiviteten hos en annan nervpopulation i djurens inre vävnadslager bestäms av om mat finns i djurets matsmältningskanal eller inte. Deras aktivering verkar vara beroende av mekanisk stimulering av matkomponenterna.
Forskarna genomförde ytterligare funktionella experiment för att undersöka ett samband mellan aktiviteten hos dessa två nervpopulationer i den så kallade endodermen och ektodermen och djurens beteende beroende på deras mättnad.
När de experimentellt tog bort neuronerna i ektodermen förlorade djuren förmågan att röra sig och orientera sig mot ljus. De endodermala nervcellerna är å andra sidan direkt relaterade till födointag och utsöndring.
"Vi kunde alltså dra slutsatsen att den ektodermala populationen är huvudsakligen ansvarig för förflyttning och för integrationen av stimuli", säger Giez. "Genom att demonstrera denna subfunktionalisering av neuroner i ett enkelt system kunde vi visa att vissa nervpopulationer i Hydra redan kan anta centrala funktioner som liknar dem i mer komplexa nervsystem."
Slutligen undersökte forskargruppen om vissa peptider eller neurotransmittorer associerade med ätbeteende produceras i olika grad i svälta och mättade hydras.
"Vi fann att en viss neuropeptid är avsevärt nedreglerad hos mättade djur. Det var redan känt att denna signalsubstans också är inblandad i att kontrollera djurens kullerbytta-liknande rörelse, sammandragningar och reglering av mättnad hos andra Cnidarians", säger Giez.
Det är möjligt att denna peptid, som endast produceras av de nervpopulationer som är involverade i ätbeteende, spelar en viktig roll i aptitregleringen i Hydra, möjligen genom att spela en roll i den indirekta kommunikationen mellan de inre och yttre nervpopulationerna.
Sammantaget kunde forskarna från CRC 1182 således spåra den neuronala regleringen av mättnad i Hydra huvudsakligen till två nervpopulationer och deras effekter på ett helt spektrum av matningsrelaterade beteendemönster.
"Detta bevisar att ett mycket enkelt system som sötvattenspolypens diffusa nervnätverk redan kan känna av något så komplext som det interna metabola tillståndet och kan reglera de relaterade beteendena därefter.
"Baserat på dessa observationer kommer vi att kunna lära oss mer om hur denna modulering fungerar i mer komplexa organismer och på så sätt gradvis lära oss mer om det evolutionära ursprunget till hungerkänslan och dess vidareutveckling", säger chefen för forskargruppen. Professor Thomas Bosch.
Mer information: Christoph Giez et al, Mättnad kontrollerar beteendet i Hydra genom ett samspel av pre-enteriska och centrala nervsystemliknande neuronpopulationer, Cell Reports (2024). DOI:10.1016/j.celrep.2024.114210
Journalinformation: Cellrapporter
Tillhandahålls av Kiel University
