Kwallen zijn geavanceerder dan mensen denken. Uit een nieuw onderzoek van de Universiteit van Kopenhagen blijkt dat het leervermogen van Caribische kwallen, ondanks dat ze slechts duizend zenuwcellen en geen centraal brein hebben, veel complexer is dan gedacht. Deze ontdekking verandert ons fundamentele begrip van de hersenen en kan ons meer informatie geven over onze eigen mysterieuze hersenen.
Na meer dan 500 miljoen jaar op aarde bestaat er geen twijfel over het grote evolutionaire succes van kwallen. Desondanks hebben we ze altijd beschouwd als eenvoudige wezens met zeer beperkte leermogelijkheden.
Algemeen wordt aangenomen dat hoe beter het zenuwstelsel van een dier ontwikkeld is, hoe groter zijn leervermogen is. Kwallen en hun verwanten (gezamenlijk bekend als neteldieren) worden beschouwd als de eerste levende dieren met een zenuwstelsel, dat vrij eenvoudig is en geen centraal brein heeft.
Al meer dan tien jaar bestudeert neurobioloog Anders Garm dooskwallen, een groep kwallen die bekend staat als een van de meest giftige wezens ter wereld. Maar deze dodelijke kwallen zijn om nog een reden interessant: het blijkt dat ze niet zo eenvoudig zijn als ooit werd gedacht. Dit schudt ons begrip van eenvoudige zenuwstelsels op.
"Er werd ooit gedacht dat kwallen alleen het eenvoudigste leervermogen konden uitvoeren, inclusief gewenningsleren: het vermogen om te wennen aan een bepaalde stimulus, zoals een continu geluid of een voortdurende aanraking. Nu hebben we ontdekt dat de leermogelijkheden van kwallen veel verfijnder zijn en dat ze daadwerkelijk van hun fouten kunnen leren." Anders Garm, universitair hoofddocent bij de afdeling Biologie van de Universiteit van Kopenhagen, zei.
Een van de meest geavanceerde eigenschappen van het zenuwstelsel is het vermogen om gedrag te veranderen op basis van ervaring: geheugen en leren. Een onderzoeksteam onder leiding van Jan Bielecki en Anders Garm van de Universiteit van Kiel wilde dit vermogen testen in dooskwallen. De bevindingen zijn zojuist gepubliceerd in het tijdschrift Current Biology.
De dooskwal is een van de giftigste kwallen ter wereld. Ze gebruiken hun gif om vis en grote garnalen te vangen. De dooskwal (Tripedaliacystophora) heeft een mild gif en voedt zich met kleine roeipootkreeftjes.
Kistkwallen hebben geen gecentraliseerd brein zoals de meeste dieren. In plaats daarvan hebben ze vier parallelle hersenachtige structuren met elk ongeveer duizend zenuwcellen. Het menselijk brein heeft ongeveer 100 miljard zenuwcellen.
De dooskwal heeft vierentwintig ogen verspreid over vier hersenachtige structuren. Sommige van deze ogen kunnen beelden vormen, waardoor dooskwallen een geavanceerder zicht krijgen dan andere soorten kwallen.
Om zijn weg te vinden door de sombere mangroven, gebruikt Tripedaliacystophora zijn vier ogen om door het water te kijken en gebruikt hij het mangrovedak om te navigeren.
Tripedaliacystophora is een van de kleinste soorten kwallen, met een lichaamsdiameter van slechts ongeveer één centimeter. Het leeft in het Caribisch gebied en de centrale Indo-Pacific.
In tegenstelling tot veel kwallensoorten gebruikt de mannelijke kwal van Tripedaliacystophora zijn tentakels om het vrouwtje te vangen tijdens de paring. De eieren van het vrouwtje worden vervolgens bevrucht in hun darmstelsel, waar ze zich ontwikkelen tot larven.
De wetenschappers bestudeerden de Caribische dooskwal (Tripedaliacystophora), een kwal ter grootte van een vingernagel die leeft in Caribische mangrovemoerassen. Hier gebruiken ze hun krachtige visuele systeem, dat 24 ogen omvat, om op kleine roeipootkreeftjes in de wortels van mangroven te jagen. Hoewel boomwortelnetten een geweldige plek zijn om te jagen, kunnen ze ook een gevaarlijke plek zijn voor weekdierkwallen.
Dus als kwallen dicht bij de wortels van een mangrovebos komen, draaien ze zich om en zwemmen weg. Als ze te snel draaien, hebben ze niet genoeg tijd om de roeipootkreeftjes te vangen. Maar als ze te laat draaien, lopen ze het risico geraakt te worden en hun gelatine te beschadigen. Daarom is het inschatten van de afstand voor hen van cruciaal belang. Onderzoekers ontdekten dat contrast cruciaal is:
"Onze experimenten laten zien dat kwallen contrast gebruiken, de diepte van hun wortels ten opzichte van het wateroppervlak, om de afstand tot de wortels te beoordelen, waardoor ze op het juiste moment weg kunnen zwemmen. Wat nog interessanter is, is dat de relatie tussen afstand en contrast elke dag verandert als gevolg van de werking van regen, algen en golven", vervolgt Anders-Gam: "We kunnen zien dat de dooskwallen, wanneer elke dag een nieuwe jacht begint, de kwallen het huidige contrast leren door visuele indrukken te combineren met de sensaties van mislukte ontwijkingsbewegingen. Dus ook al hebben ze iets meer dan duizend zenuwcellen (onze hersenen hebben ongeveer honderd miljard zenuwcellen), ze kunnen de temporele convergentie van verschillende indrukken met elkaar verbinden en de verbanden leren - wat we associatief leren noemen, in feite in ongeveer hetzelfde tempo als geavanceerde dieren zoals fruitvliegjes en muizen.
Nieuwe onderzoeksresultaten breken het eerdere wetenschappelijke begrip van dieren met eenvoudige zenuwstelsels:
"Dit is enorm nieuws voor de fundamentele neurowetenschappen. Het biedt een nieuw perspectief op wat eenvoudige zenuwstelsels kunnen doen", aldus Anders-Gam. "Dit suggereert dat geavanceerd leren vanaf het begin een van de belangrijkste evolutionaire voordelen van zenuwstelsels kan zijn geweest."
Caribische dooskwallen leven en voeden zich onder water in mangrovewortels. Bron afbeelding: Anders Gramm
De onderzoekers repliceerden de omstandigheden in het mangrovemoeras in het laboratorium en plaatsten kwallen in een gedragsarena. Hier manipuleerden onderzoekers het gedrag van kwallen door contrasterende omstandigheden te variëren om te zien welk effect dit op hun gedrag had.
Ze leerden dat kwallen leren door mislukte ontsnappingen. Dat wil zeggen, ze leren door contrast verkeerd te interpreteren en tegen boomwortels aan te botsen. Hier leren ze wanneer ze moeten draaien door de visuele indruk van het raken van een boomwortel te combineren met de mechanische impact.
"Onze gedragsexperimenten tonen aan dat drie tot vijf mislukte ontwijkingsmanoeuvres voldoende zijn om het gedrag van de kwal te veranderen, zodat ze niet langer boomwortels raken. Interessant genoeg is dit ongeveer dezelfde herhalingsfrequentie die nodig is voor het leren van fruitvliegjes of muizen", zegt Anders-Gam.
Elektrofysiologie en klassieke conditioneringsexperimenten valideerden deze leermethode verder en lieten ook zien waar leren plaatsvindt in het kwallenzenuwstelsel.
De wetenschappers lieten ook zien waar leren plaatsvindt bij dooskwallen. Dit biedt hen nu een unieke kans om de precieze veranderingen te bestuderen die optreden in zenuwcellen terwijl ze deelnemen aan geavanceerd leren.
"We hopen dat dit een supermodelsysteem zal worden voor het bestuderen van de cellulaire processen van geavanceerd leren bij verschillende dieren. We proberen nu precies te bepalen welke cellen betrokken zijn bij leren en geheugenvorming", aldus Anders-Gam. "Op deze manier kunnen we ons verdiepen in welke structurele en fysiologische veranderingen optreden in cellen tijdens het leerproces."
Als het onderzoeksteam het exacte mechanisme kan identificeren waarmee kwallen betrokken zijn bij het leren, zal de volgende stap zijn om uit te zoeken of dit mechanisme specifiek is voor kwallen of dat het bij alle dieren voorkomt.
"Uiteindelijk zullen we bij andere dieren naar hetzelfde mechanisme zoeken om te zien of dit de manier is waarop het geheugen in het algemeen werkt", aldus de onderzoekers.
Anders-Gam is van mening dat deze baanbrekende kennis voor verschillende doeleinden kan worden gebruikt: “Het begrijpen van zoiets mysterieus en uiterst complex als de hersenen is op zichzelf iets heel opmerkelijks. Maar het heeft ook veel onvoorstelbaar bruikbare mogelijkheden. Een groot probleem voor de toekomst zullen ongetwijfeld de verschillende vormen van dementie zijn. Ik beweer niet dat we een geneesmiddel voor dementie hebben gevonden, maar als we beter kunnen begrijpen wat geheugen is, wat een kernprobleem is bij dementie, kunnen we misschien de basis leggen voor een beter begrip van de ziekte en misschien er tegen vechten."
Het onderzoek wordt vandaag (22 september) gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Current Biology.