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- Maschinelles Lernen macht klar unterscheidbare räuberische Verhaltenszustände bei einem mikroskopisch kleinen Wurm sichtbar.
- Zwei gegensätzlich wirkende chemische Botenstoffe im Gehirn, Octopamin & Tyramin, bestimmen, ob der Wurm angreift oder passiv bleibt.
- Im Laufe der Evolution wurden spezifische sensorische Neuronen umfunktioniert, um diese aggressive Jagdstrategie zu ermöglichen.
- Veränderungen in neuromodulatorischen Schaltkreisen, und nicht neue Nervenzellen, führten zur Entstehung räuberischer Aggression.
- Die in Nature veröffentlichte Studie zeigt, wie Veränderungen in neuromodulatorischen Schaltkreisen die Evolution räuberischer Aggression bei Fadenwürmern ermöglichten.
Ein neues Fenster in die Evolution komplexen Verhaltens
Aggression ist im Tierreich weit verbreitet, doch wie sich komplexe Verhaltensweisen auf molekularer und neuronaler Ebene entwickeln, ist bislang nur unzureichend verstanden. Ein Forschungsteam am Max-Planck-Institut für Neurobiologie des Verhaltens hat nun die neuronalen Anpassungen identifiziert, die es ermöglichten, dass sich räuberische Aggression in einer Gruppe von Fadenwürmern herausbilden konnte. Die Studie zeigt, dass Veränderungen in der noradrenergen Signalübertragung – insbesondere darin, wie sensorische Neuronen auf die Neuromodulatoren Octopamin und Tyramin reagieren – zur Entstehung eines neuen, mit Räuberverhalten verbundenen Verhaltensrepertoires führten.
Vom bakterienfressenden Wurm zum Räuber: Zwei nahe verwandte Wurmarten im Vergleich
Räuberisches Verhalten ist bei Fadenwürmern bemerkenswert vielfältig. Während Caenorhabditis elegans ein harmloser Bakterienfresser ist, verfügt sein Verwandter Pristionchus pacificus über zahnähnliche Strukturen, mit denen er Beute beißen und angreifen kann. Dennoch führt nicht jede Begegnung zu einem Angriff, was darauf hindeutet, dass Räuberverhalten durch verschiedene Faktoren reguliert wird, darunter sowohl Umweltbedingungen als auch innere Zustände.
Um diese Zustände zu identifizieren, zeichnete das Team über mehrere hundert Stunden hinweg das Verhalten der Würmer auf und nutzte ein Modell des maschinellen Lernens, um konsistente Verhaltensmuster zu erkennen. Die Analyse ergab sechs klar unterscheidbare Verhaltenszustände, darunter drei spezifisch räuberische: räuberische Suche, räuberisches Beißen und räuberisches Fressen.
Leonard Böger, Ko-Erstautor der Studie, erklärt: „Es war wirklich aufregend zu sehen, wie diese drei Verhaltenszustände direkt aus den Daten hervorgetreten sind. Das zeigte uns nicht nur, dass Aggression bei P. pacificus tatsächlich besteht, sondern auch, wie sie sich durch diese drei intuitiven Verhaltenskomponenten äußert: Suchen, Beißen und Fressen. Ein beeindruckendes Set neuer Verhaltensweisen – besonders angesichts der großen Ähnlichkeit seines Gehirns mit dem von C. elegans.“
Zwei Neuromodulatoren bilden einen Verhaltensschalter
Mit diesem Verhaltensrahmen als Grundlage wandten sich die Forschenden den zugrunde liegenden neuronalen Mechanismen zu. Sie fanden heraus, dass Octopamin den Übergang in aggressive, räuberische Zustände stark fördert, während Tyramin diesem Antrieb entgegenwirkt und das Tier wieder in einen passiven Zustand zurückführt.
Mutanten, die kein Octopamin produzieren konnten, zeigten ein stark reduziertes räuberisches Beißverhalten. Dieser Phänotyp ließ sich wiederherstellen, wenn Tyramin gleichzeitig entfernt wurde. Umgekehrt führte die externe Zugabe von Octopamin zur Wiederherstellung aggressiven Verhaltens. Diese Ergebnisse zeigen, dass das Gleichgewicht zwischen diesen beiden Neuromodulatoren darüber entscheidet, ob das Tier in einen aggressiven oder einen passiven Zustand übergeht.
Güniz Eren, Ko-Erstautorin der Studie, sagt: „Was mich am meisten beeindruckt hat, war, wie stark Octopamin die Würmer in ein räuberisches Verhalten drängte – und wie effektiv Tyramin dieses Verhalten unterdrücken konnte. Dieses Push-und-Pull-Prinzip machte das gesamte System für mich plötzlich verständlich.“
Evolutionäre Umfunktionierung sensorischer Schaltkreise
Das Team entdeckte, dass dieses neuromodulatorische System auf sensorische Neuronen wirkt, deren Identität und Funktion sich im Laufe der Evolution der Fadenwürmer auseinanderentwickelt haben. Bei P. pacificus sind die Rezeptoren für Octopamin und Tyramin in bestimmten sensorischen Kopfneuronen lokalisiert, insbesondere in den IL2- und OL-Neuronen, die diese Rezeptoren bei C. elegans nicht exprimieren.
Die Ausschaltung der IL2-Neuronen beeinträchtigte die Fähigkeit der Tiere, räuberische Angriffe auszuführen. Dies zeigt, dass sensorische Schaltkreise evolutionär umfunktioniert wurden, um Beute zu erkennen und Aggression auszulösen.
Ein konservierter Mechanismus bei räuberischen Arten
Anschließend untersuchten die Forschenden eine zweite räuberische Art, Allodiplogaster sudhausi, und stellten fest, dass Octopamin auch dort räuberische Aggression fördert. Dies deutet darauf hin, dass diese noradrenerge Erneuerung, die Aggression reguliert, früh in der Evolution dieser Fadenwurmlinie entstanden ist.
Kleine Veränderungen mit großen Auswirkungen auf das Verhalten
Insgesamt zeigt die Studie, wie vergleichsweise kleine molekulare und zelluläre Veränderungen zu tiefgreifenden Verhaltensänderungen führen können. Anstatt neue Nervenzellen hinzuzufügen, wurde im Verlauf der Evolution verändert, an welchen Stellen neuromodulatorische Signale ansetzen. Diese Veränderungen ermöglichten die Entstehung einer komplexen, aggressiven Jagdstrategie.
Dr. Monika Scholz, Dr. James Lightfoot
https://www.nature.com/articles/s41586-025-10009-x
?si=fmTI83oAIvGj4uDy
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars, Students, Teachers and pupils
Biology, Environment / ecology
transregional, national
Research results
German
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