Guppyfiskar förklarar hur vår hjärna utvecklas

Forskare vid Stockholms universitet har genomfört den första experimentella studien som visar att hjärnans regioner kan utvecklas oberoende av varandra under kognitiv evolution. Denna så kallade mosaikliknande hjärnevolution verifierades i ett selektionsexperiment med guppyfiskar (Poecilia reticulata).

Studien pekar på att hjärnans evolution kan ske i form av förändringar i specifika hjärnregioner i ett mosaikmönster, där de olika delarna utvecklas oberoende av varandra. Forskarna visade att under starkt selektivt urval förändras den relativa storleken på telencefalon, en del av fiskarnas framhjärna, snabbt och på ett oberoende sätt gentemot deras andra hjärnregioner.

Fiskar avslöjar gradvis förändring av ryggradsdjurens hjärnor

– Resultatet har stor betydelse för våra kunskaper om hur ryggradsdjurens hjärnor utvecklas och kan hjälpa oss att förklara även den mänskliga hjärnans evolution. Det är möjligt att kognitiva krav i miljön har lett till gradvisa evolutionära förändringar i storleken på neocortex till dagens stora neocortex hos människor, säger Niclas Kolm, professor och ledare av projektet vid Zoologiska institutionen vid Stockholms universitet.

Stephanie Fong, som nyligen disputerade inom detta forskningsprojekt genomförde ett storskaligt artificiellt urvalsexperiment med guppies. Akvariefiskarna fick para sig utifrån volymen på telencefalon i förhållande till resten av hjärnan. Efter fyra generationer, och många hundratals dissektioner av hjärnor, konstaterade hon att det hade skett betydande förändringar i storleken på telencefalon hos både fiskhannar och honor. Men inga signifikanta förändringar skedde i andra regioner av fiskarnas hjärnor. Det stöder hypotesen om mosaikliknande evolution av fiskarnas hjärnor.

Olika delar av hjärnan kan utvecklas separat

Den hypotesen anger att om det finns ett selektionstryck, exempelvis kognitiva krav från omgivningen, att finna föda eller hitta en partner för att para sig, påverkar det en specifik region i hjärnan som kontrollerar just det beteendet. När sådana adaptiva förändringar uppstår, påverkar de inte storleken på andra delar av hjärnan. På det sättet kan hjärnans evolution ske i ett mosaikliknande mönster, på olika sätt och med olika hastighet. Det i sin tur sparar energi, jämfört med att ändra hela hjärnan samtidigt.

– Studien är unik genom att den visar att ett riktat urval avseende en viss region snabbt kan öka och minska dess storlek, utan stark koppling till andra regioner, säger Stephanie Fong.

Kostnadseffektiv evolution av hjärnan

Den generella strukturen hos ryggradsdjurens hjärnor är anmärkningsvärt väl bevarad, om man ser till de olika hjärnregionerna. Variationen i regionernas storlek skiljer sig dock enormt mellan olika arter. Och denna mosaikutveckling av ryggradsdjurens hjärnor kan också ha haft omfattande konsekvenser för den kognitiva evolutionen.

– Studien antyder att ett starkt urval kan förändra skilda regioner i hjärnan på ett oberoende sätt, vilket potentiellt kan leda till kostnadseffektiva neurala responser utifrån specifika kognitiva krav från omgivningen, säger Niclas Kolm.

Vetenskaplig artikel:

Rapid mosaic brain evolution under artificial selection for relative telencephalon size in the guppy (Poecilia reticulata), Science Advances.

Kontakt:

Niclas Kolm, professor vid Zoologiska Institutionen vid Stockholms universitet, niclas.kolm@zoologi.su.se