Мозг кальмара развивается так же, как и мозг позвоночных

Головоногие моллюски известны своими удивительными способностями: они могут, например, искусно маскироваться в окружающей среде, использовать инструменты для решения проблем, обладают невероятной памятью и отличаются любопытством. И не зря: у них самый высокоразвитый мозг среди всех беспозвоночных. Исследователям из Центра системной биологии FAS при Гарвардском университете удалось проследить некоторые механизмы, приводящие к появлению этого необычного живого мозга: оказалось, что его развитие очень похоже на развитие позвоночных.

Класс головоногих моллюсков, к которому относятся кальмары, каракатицы и осьминоги, появился в конце кембрия, около 500 миллионов лет назад. Его представители развивались иначе, чем позвоночные. Однако они имеют большую и сложную нервную систему и глаза высокой четкости — характеристики, присущие роду позвоночных. «Размер нервных систем животных и разнообразие типов клеток, составляющих их, являются результатом жесткой регуляции клеточной пролиферации и дифференциации во время развития«, — объясняют исследователи в журнале Current Biology.

Однако процессы, определяющие размер нервной системы и приводящие к такому клеточному разнообразию, изучены недостаточно хорошо. Чтобы выяснить это, биолог Кристен Кениг и ее команда использовали новый метод визуализации, который позволил им наблюдать за созданием нейронов у эмбрионов кальмара вида Doryteuthis pealeii, который особенно многочислен в северо-западной части Атлантического океана, практически в режиме реального времени. Они следили за этими клетками на протяжении всего развития нервной системы сетчатки глаза животного.

Процесс, основанный на формировании определенной структуры

Команда использовала методы, аналогичные тем, которые применяются для изучения модельных организмов, таких как плодовые мушки и данио-рерио. Стволовые клетки (клетки-предшественники нейронов) были помечены флуоресцентным красителем, чтобы их можно было картировать и отслеживать; исследователи наблюдали за поведением каждой из них с помощью самых современных микроскопов, сфокусированных на сетчатке глаза эмбрионов кальмара, где сосредоточено две трети нервной ткани животного. Они делали снимки с высоким разрешением каждые 10 минут в течение нескольких часов.

Неожиданно команда обнаружила, что кальмар Doryteuthis pealeii использует в процессе нейрогенеза сетчатки глаза механизмы, характерные для процессов, наблюдаемых у позвоночных животных. «Наши результаты удивительны, поскольку многое из того, что мы знаем о развитии нервной системы у позвоночных, долгое время считалось специфичным для этой линии«, — говорит Кристен Кениг.

Процесс начинается с формирования особого типа структуры, называемой «псевдо-многослойным эпителием»: клетки удлиняются, образуя плотный скопление, но все остаются в контакте с базальной мембраной. Затем исследователи обнаружили, что клетки-предшественники сетчатки кальмара подвергаются ядерной миграции, пока не выйдут из клеточного цикла; ядро этих структур движется вверх и вниз, до и после деления. «Это движение важно для поддержания организованности тканей и обеспечения дальнейшего роста«, — сказали они.

Схема сложной нервной системы

Этот псевдомногослойный эпителий повсеместно наблюдался в развитии мозга и глаз у позвоночных, и из-за этого долгое время считалось, что это одна из причин, по которой нервная система позвоночных может стать такой большой и сложной. Это уже наблюдалось у других животных, но эпителий кальмаров оказался на удивление очень похож на эпителий позвоночных как по размеру, так и по организации и подвижности клеточных ядер.

Таким образом, хотя позвоночные и головоногие отделились друг от друга 500 миллионов лет назад, развитие их нервной системы основано на одних и тех же механизмах, и нервные клетки, кажется, следуют одному и тому же плану. Это говорит о том, что эти механизмы могут быть очень важными, даже необходимыми, для построения больших нервных систем, добавляет Кениг.

Команда планирует продолжить свои исследования, изучая, как возникают и развиваются различные типы клеток в мозге головоногих моллюсков. В частности, они планируют определить, экспрессируются ли они в разное время, как они «выбирают» стать одним типом нейронов, а не другим, и сходно ли это действие у всех видов.

«Один из главных уроков такой работы заключается в том, насколько ценно изучать разнообразие жизни. Изучая это разнообразие, можно действительно вернуться к фундаментальным идеям даже о нашем собственном развитии«, — говорит биолог.