Heute ist Weltelefantentag. Hier sehen Sie, wie einzigartige Gehirnstrukturen, die sich von denen anderer Säugetiere unterscheiden, für die besonderen Lern- und Gedächtnisfähigkeiten der Elefanten verantwortlich sind.
Afrikanischer Elefant Stier. Bild über Michelle Gadd / USFWS.
Von Bob Jacobs, Colorado College
Naturschützer haben den 12. August zum Weltelefantentag erklärt, um das Bewusstsein für die Erhaltung dieser majestätischen Tiere zu schärfen. Elefanten haben viele ansprechende Eigenschaften, von ihren unglaublich geschickten Stämmen bis zu ihren Gedächtnisfähigkeiten und ihrem komplexen sozialen Leben.
Aber es gibt viel weniger Diskussionen über ihr Gehirn, obwohl es naheliegt, dass solch ein großes Tier ein ziemlich großes Gehirn hat (ungefähr 12 Pfund). Tatsächlich war bis vor kurzem nur sehr wenig über das Elefantengehirn bekannt, was zum Teil darauf zurückzuführen ist, dass es äußerst schwierig ist, gut konserviertes Gewebe zu erhalten, das für mikroskopische Untersuchungen geeignet ist.
Diese Tür wurde durch die bahnbrechenden Bemühungen des Neurobiologen Paul Manger an der University of the Witwatersrand in Südafrika geöffnet, der 2009 die Erlaubnis erhielt, das Gehirn von drei afrikanischen Elefanten zu entnehmen und zu bewahren, die im Rahmen eines größeren Bevölkerungsmanagements getötet werden sollten Strategie. So haben wir in den letzten 10 Jahren mehr als je zuvor über das Elefantengehirn gelernt.
Die hier geteilte Forschung wurde 2009-2011 am Colorado College in Zusammenarbeit mit Paul Manger, dem Anthropologen der Columbia University, Chet Sherwood, und dem Neurowissenschaftler Patrick Hof von der Icahn School of Medicine am Mount Sinai durchgeführt. Unser Ziel war es, die Form und Größe von Neuronen im Elefantenkortex zu untersuchen.
Meine Arbeitsgruppe hat sich seit langem für die Morphologie oder Form von Neuronen in der Großhirnrinde von Säugetieren interessiert. Die Kortikalis bildet die dünne äußere Schicht von Neuronen (Nervenzellen), die die beiden Gehirnhälften bedecken. Es steht in engem Zusammenhang mit höheren kognitiven Funktionen wie der koordinierten freiwilligen Bewegung, der Integration sensorischer Informationen, dem soziokulturellen Lernen und der Speicherung von Erinnerungen, die ein Individuum definieren.
Diese Bilder veranschaulichen den Vorgang des Entfernens eines kleinen Teils der Großhirnrinde von der rechten Gehirnhälfte des Elefanten. Dieses Gewebe wird gefärbt und auf einen Objektträger gelegt, so dass man unter dem Mikroskop einzelne Neuronen sehen und in drei Dimensionen verfolgen kann. Bild über Robert Jacobs.
Die Anordnung und Morphologie der Neuronen in der Hirnrinde ist bei Säugetieren relativ einheitlich - so dachten wir nach jahrzehntelangen Untersuchungen an menschlichen und nichtmenschlichen Primatengehirnen sowie an Gehirnen von Nagetieren und Katzen. Wie wir festgestellt haben, als wir in der Lage waren, das Gehirn von Elefanten zu analysieren, unterscheidet sich die Morphologie der kortikalen Neuronen der Elefanten radikal von allem, was wir jemals zuvor beobachtet hatten.
Wie Neuronen visualisiert und quantifiziert werden
Der Prozess der Erforschung der neuronalen Morphologie beginnt mit der Färbung des Gehirngewebes, nachdem es für einen bestimmten Zeitraum fixiert (chemisch konserviert) wurde. In unserem Labor wenden wir eine über 125 Jahre alte Technik an, die Golgi-Färbung, benannt nach dem italienischen Biologen und Nobelpreisträger Camillo Golgi (1843-1926).
Diese Methodik legte den Grundstein für die moderne Neurowissenschaft. Beispielsweise benutzte der spanische Neuroanatom und Nobelpreisträger Santiago Ramon y Cajal (1852-1934) diese Technik, um eine Roadmap darüber zu erstellen, wie Neuronen aussehen und wie sie miteinander verbunden sind.
Die Golgi-Färbung imprägniert nur einen kleinen Prozentsatz der Neuronen, so dass einzelne Zellen mit einem klaren Hintergrund relativ isoliert erscheinen. Dies enthüllt die Dendriten oder Zweige, die die Aufnahmefläche dieser Neuronen bilden. So wie Äste eines Baumes Licht für die Photosynthese bringen, ermöglichen die Dendriten von Neuronen der Zelle, eingehende Informationen von anderen Zellen zu empfangen und zu synthetisieren. Je komplexer die dendritischen Systeme sind, desto mehr Informationen kann ein bestimmtes Neuron verarbeiten.
Sobald wir Neuronen angefärbt haben, können wir sie mit Hilfe eines Computers und einer speziellen Software unter dem Mikroskop dreidimensional verfolgen und die komplexe Geometrie neuronaler Netzwerke aufdecken. In dieser Studie haben wir 75 Elefantenneuronen verfolgt. Jede Verfolgung dauerte je nach Komplexität der Zelle ein bis fünf Stunden.
Wie Elefantenzellen aussehen
Auch nach jahrelanger Forschung bleibt es spannend, das Gewebe zum ersten Mal unter die Lupe zu nehmen. Jeder Fleck ist ein Spaziergang durch einen anderen Nervenwald. Bei der Untersuchung von Abschnitten des Elefantengewebes stellte sich heraus, dass sich die Grundstruktur des Elefantenrindes von der aller anderen bisher untersuchten Säugetiere unterschied - einschließlich seiner nächsten lebenden Verwandten, des Seekuhs und des Felsenhyrax.
Spuren des häufigsten Neurons (Pyramidenneuron) in der Großhirnrinde mehrerer Spezies. Beachten Sie, dass der Elefant weit verzweigte apikale Dendriten aufweist, während alle anderen Arten einen singuläreren, aufsteigenden apikalen Dendriten aufweisen. Der Maßstabsbalken beträgt 100 Mikrometer (oder 0,004 Zoll). Bild über Bob Jacobs.
Hier sind drei Hauptunterschiede, die wir zwischen kortikalen Neuronen des Elefanten und denen anderer Säugetiere gefunden haben.
Erstens ist das dominierende kortikale Neuron bei Säugetieren das pyramidenförmige Neuron. Diese sind auch im Elefantenkortex auffällig, haben aber eine ganz andere Struktur. Anstatt einen singulären Dendriten zu haben, der sich von der Spitze der Zelle löst (bekannt als apikaler Dendrit), verzweigen sich apikale Dendriten im Elefanten typischerweise weit, wenn sie zur Oberfläche des Gehirns aufsteigen. Anstelle eines einzigen langen Astes wie eine Tanne ähnelt der apikale Dendrit des Elefanten zwei menschlichen Armen, die nach oben greifen.
Eine Vielzahl von kortikalen Neuronen im Elefanten, die im Kortex anderer Säugetiere selten oder gar nicht beobachtet werden. Beachten Sie, dass alle von ihnen durch Dendriten gekennzeichnet sind, die sich seitlich aus dem Zellkörper ausbreiten, manchmal über beträchtliche Entfernungen. Der Maßstabsbalken beträgt 100 Mikrometer (oder 0,004 Zoll). Bild über Bob Jacobs.
Zweitens weist der Elefant eine viel größere Vielfalt an kortikalen Neuronen auf als andere Arten. Einige davon, wie das abgeflachte Pyramidenneuron, kommen bei anderen Säugetieren nicht vor. Ein Merkmal dieser Neuronen ist, dass sich ihre Dendriten über weite Strecken lateral vom Zellkörper erstrecken. Mit anderen Worten, wie die apikalen Dendriten von Pyramidenzellen erstrecken sich diese Dendriten auch wie menschliche Arme, die zum Himmel emporgehoben sind.
Drittens ist die Gesamtlänge der pyramidenförmigen Neuronendendriten bei Elefanten ungefähr gleich wie bei Menschen. Sie sind jedoch unterschiedlich angeordnet. Menschliche Pyramiden-Neuronen haben in der Regel eine große Anzahl kürzerer Äste, während der Elefant eine kleinere Anzahl sehr viel längerer Äste hat. Während pyramidenförmige Neuronen von Primaten dafür ausgelegt zu sein scheinen, sehr präzise Eingaben zu erfassen, legt die dendritische Konfiguration bei Elefanten nahe, dass ihre Dendriten eine sehr breite Palette von Eingaben aus mehreren Quellen erfassen.
Zusammengenommen deuten diese morphologischen Eigenschaften darauf hin, dass Neuronen in der Elefantenrinde eine größere Vielfalt von Eingaben synthetisieren können als die kortikalen Neuronen in anderen Säugetieren.
In Bezug auf die Wahrnehmung glauben meine Kollegen und ich, dass der integrative kortikale Schaltkreis im Elefanten die Vorstellung stützt, dass es sich im Wesentlichen um kontemplative Tiere handelt. Im Vergleich dazu scheinen die Gehirne von Primaten auf schnelle Entscheidungen und schnelle Reaktionen auf Umweltreize spezialisiert zu sein.
Ein stoßzähmloser Matriarch-Elefant zeigt Freundlichkeit gegenüber jungen Waisenelefanten, die versuchen, sich im kenianischen Busch zurechtzufinden.
Beobachtungen von Elefanten in ihrem natürlichen Lebensraum durch Forscher wie Dr. Joyce Poole legen nahe, dass Elefanten tatsächlich nachdenkliche, neugierige und schwerfällige Wesen sind. Ihr großes Gehirn mit einer solch vielfältigen Sammlung miteinander verbundener, komplexer Neuronen scheint die neuronale Grundlage für die hoch entwickelten kognitiven Fähigkeiten des Elefanten zu bilden, einschließlich sozialer Kommunikation, Werkzeugkonstruktion und -gebrauch, kreativer Problemlösung, Empathie und Selbsterkennung, einschließlich Theorie des Geistes.
Fazit: Zellen, die Nervenimpulse im Gehirn von Elefanten übertragen, die für Funktionen wie Lernen und Gedächtnis verantwortlich sind, sind anders aufgebaut als die anderer Säugetiere.
Bob Jacobs, Professor für Neurowissenschaften am Colorado College
Dieser Artikel wurde ursprünglich am veröffentlicht Die Unterhaltung. Lesen Sie den Originalartikel.