Ruth Styfhals onderzoekt de hersenen van octopussen. Die dieren hebben een heel grote cognitie, maar ze beschikken over heel andere hersenen dan de onze. Styfhals wil zo de essentie van het brein ontdekken.
Octopussen gedragen zich heel bijzonder, dat weten we al minstens 2.500 jaar. Ze zijn ontsnappingskoningen die zowat elke kooi openkrijgen, gebruiken werktuigen en zijn enorm nieuwsgierig. ‘Zelfs Aristoteles heeft dat al beschreven’, vertelt Ruth Styfhals. Al vond de Griekse filosoof ze domme dieren. ‘Doordat ze naar mensen toekomen, kan je ze immers gemakkelijk vangen.’
De bioloog bracht in haar doctoraatsonderzoek de hersenen van octopuslarven in kaart met single cell RNA-analyse. Met haar publicatie van de atlas van het octopusbrein in Nature Communications haalde ze vorig jaar het nieuws. Wat de Leuvense onderzoeksgroep vond, had voordien nog niemand beschreven.
‘We wisten dat octopussen een grote cognitie hebben: ze redeneren, combineren en anticiperen. Maar hoe hun hersenen eruitzien en werken, daarover wisten we nog niet veel.’ Vroeger bestond het onderzoek vooral uit gedragsstudies. ‘Wetenschappers zagen wel dat die dieren een grote leercapaciteit hebben, en een goed geheugen, maar het bewijs was heel anekdotisch.’
Weefselstudies van octopushersenen brachten al wat meer opheldering. ‘Ze toonden aan dat de hersenen van octopussen niet alleen veel cellen bevatten, maar ook een complexe structuur hebben. ‘Er bestaan verschillende deelgebieden met andere structuren en verbindingen. Sommige celtypes kunnen we vergelijken met de hersencellen van gewervelde dieren, zoals wij, andere dan weer niet.’
Complexe hersenen
Andere weekdieren, zoals de mossel en de slak, hebben een heel klein brein. ‘Als je al van een brein kan spreken.’ In dezelfde evolutieve lijn is dan merkwaardig genoeg ook zo’n complex octopusbrein ontstaan? ‘Dat is misschien opmerkelijk, maar niet uniek. De theorie is dat er in de evolutie vier keer onafhankelijk complexe gecentraliseerde hersenen zijn ontstaan, in de ringwormen, de geleedpotigen, de weekdieren en de chordadieren.’
Wanneer een octopus uit het ei komt, heeft die ongeveer 200.000 hersencellen, ongeveer zoveel als een volwassen fruitvlieg
Bij de geleedpotigen hebben bijvoorbeeld de fruitvliegen complexe hersenen, bij de ringwormen de borstelworm Platynereis dumerilii, bij de weekdieren de octopussen. En bij de chordadieren zijn het de gewervelden. ‘Wij dus, al gebruiken we in het onderzoek meestal muizen als voorbeeld.’ De grootte van het octopusbrein is voor de duidelijkheid niet te vergelijken met dat van wormen of vliegen. ‘Het aantal hersencellen is vergelijkbaar met dat van een klein zoogdier.’
Styfhals werkt op de moleculaire evolutie van de complexe octopushersenen. ‘Ik wil weten hoe die kunnen ontstaan uit zo’n eenvoudig zenuwstelsel als dat van de slak en de mossel.’ De onderzoeker vergelijkt ook de evolutie van de octopushersenen met die van de fruitvlieg of van de muis. ‘Zo kunnen we achterhalen of er een gemeenschappelijke noemer is.’
Want hoe hersenen eigenlijk ontstaan zijn, dat is nog lang niet zeker. Zo is er nog altijd veel discussie over wanneer en hoe neuronen zijn ontstaan. ‘En of de sponzen die verloren hebben!’ Ook hoe de zenuwstelsels meer centrale systemen werden, is nog niet duidelijk. ‘We weten bijvoorbeeld niet of het zenuwkoord bestond bij de vroege gewervelden en ongewervelden. Of dat dus bij beide groepen dezelfde structuur is, met dezelfde oorsprong.’
Honderdduizend eitjes
Voor haar onderzoek werkte de neurobioloog met heel jonge octopussen. ‘Ik kijk naar het eindpunt van embryonale ontwikkeling, dus op het moment dat het dier uit het ei komt. Anderen in ons lab zijn bezig met gedragsexperimenten, en die gebeuren natuurlijk op vrij rondzwemmende octopussen, maar ook nog heel jonge.’
Een octopus legt heel veel eitjes, wel honderdduizenden. Daarvan overleven er maar weinig tot volwassen octopus. ‘Die eitjes zijn heel klein, je kan ze amper zien.’ Wanneer een octopus uit het ei komt, heeft die ongeveer 200.000 hersencellen, ongeveer zoveel als een volwassen fruitvlieg. ‘Dat maakt het doenbaar om een atlas te maken van alle cellen in dat brein. Want een volwassen octopus heeft zo’n tweehonderd miljoen hersencellen, dat zou een andere opdracht zijn.’
‘Vroeger konden we enkel kijken naar de grote hersenregio’s. Maar nu kunnen we het hele transcriptoom, dus al het RNA, in elke cel sequencen.’ Het RNA dat tot expressie komt, gaat de functie van de cel bepalen. ‘Zo kunnen we dus een type op elke cel plakken, en dan kunnen we alle cellen in dat brein clusteren per functie. En dat is heel nieuw.’
Sommige cellen in de octopushersenen zijn ook terug te vinden bij muis en fruitvlieg, zoals de gliacellen en de cellen die voorkomen in de zogeheten verticale lob. ‘Die laatste zijn belangrijk voor geheugen en leervermogen.’ Maar de onderzoekers vonden ook celtypes die geen match hadden met vlieg of muis. ‘We zagen dat die andere genen tot expressie brachten, nieuwe genen. Wat die doen, dat weten we nog niet.’
Octopussen zijn anders
Volgens Styfhals is de octopus een ideaal model om na te gaan hoe complexe hersenen ontwikkelen en eruitzien in een totaal andere context dan de onze. ‘Heb je de film My Octopus Teacher gezien? Ik vond de documentaire goed omdat hij je doet aanvoelen wat intelligentie kan zijn met compleet andere hersenen dan de onze. Wij werken met dezelfde soort octopus als die in de film.’
Bij het ontstaan van de neurobiologie bestudeerden onderzoekers heel veel verschillende diersoorten. ‘Daardoor zijn belangrijke dingen ontdekt, zoals wat een neuron is. Intussen hebben we de mogelijkheden om opnieuw andere diersoorten te bestuderen door die single cell RNA-sequencing. Dat kun je toepassen op elk dier. We kunnen dus opnieuw naar zo’n divers basisonderzoek van hersencellen gaan.’
Zelf wil de neurobioloog na haar PhD alvast een andere diersoort onderzoeken. ‘Het is moeilijk om te stoppen met octopussen, want er is nog veel dat we niet weten. Hier in het lab gaat het onderzoek zeker verder. Maar ik vind de evolutie van celtypes en welke cellen de basis vormen van complexe breinen erg interessant. Ik zou dus graag willen werken op de kamkwallen. De hypothese luidt dat die de zustergroep vormen van alle dieren. Ze zouden dus een hersensysteem hebben ontwikkeld onafhankelijk van ieder ander dier. Ik wil weten hoe ze dat gedaan hebben, want dat gaat ons veel leren over de algemene principes van hersenen.’
