Den Übergang von Wasser ans Land haben nicht nur unsere Vorfahren geschafft, sondern erleben Kaulquappen auch in der Metamorphose zum Frosch. Nun wird geklärt, welche Nervenzellen für Schwimmen und Gehen essenziell sind.
Wer einem Kind zuschaut, wie es zuerst krabbeln, dann gehen lernt, überlegt vielleicht, welche Entwicklung dabei das Nervensystem durchmacht: Was müssen Motoneuronen leisten, die für komplexe Bewegungen wie Laufen zuständig sind? Oder aus der biologischen Sicht gefragt: Warum kann ein Frosch zwar schwimmen und hüpfen, aber nicht wie eine Maus im Rad laufen? Antworten darauf sucht das Team um Lora Sweeney am Institute of Science and Technology (IST) Austria in Klosterneuburg. Die Neurowissenschaftlerin kam 2020 aus Kalifornien nach Niederösterreich, um hier zu erforschen, wie wir uns bewegen. Nach dem Studium an den Universitäten Harvard und Stanford lockten sie „die unglaublichen Ressourcen hierher: Die Menschen und die technischen Möglichkeiten haben mir die Entscheidung leicht gemacht“, schwärmt Sweeney.
Die Entwicklung der Tiere
Sie vereint in ihrer Forschung die Frage der Entwicklung von einzelnen Tieren mit der Evolution. „Wie berechnet unser Nervensystem die Steuerung der Muskeln? Was unterscheidet einfache Bewegungen wie Schwimmen von komplexen wie Gehen? Das wollen wir auf dem Level von einzelnen Zellen herausfinden“, sagt Sweeney.
Während sie früher hauptsächlich an Mäusen und deren Nerven und Muskeln geforscht hat, züchtet ihr Team nun in Klosterneuburg auch Xenopus-Frösche. Denn die Amphibien erleben in ihrer Entwicklung den Übergang von Wasser ans Land so ähnlich, wie es unsere Vorfahren in der Evolution durchlaufen haben.
Jeder Frosch schlüpft zuerst als kleine Kaulquappe, die im Wasser schwimmt. Erst nach und nach wachsen die Haxerln, und eine Bewegung an Land wird mit abgeschlossener Metamorphose möglich. Sweeneys Team untersucht so genau wie nie zuvor, was im Nervensystem, vor allem im Rückenmark, bei dem Übergang von schwimmenden Kaulquappen zu hüpfenden Fröschen vor sich geht.
Das Projekt „Swim2limb“ wurde im Jänner mit 1,5 Millionen Euro vom Europäischen Forschungsrat (ERC Starting Grant) ausgezeichnet. „Dieser Übergang in den Fröschen ist genauso spannend wie der Vergleich zwischen den Tierarten“, sagt Sweeney. Welche Nervenzelltypen sind in Kaulquappen aktiv, die es vielleicht in Fischen auch gibt, und welche Zelltypen braucht es für die Bewegung an Land bei erwachsenen Fröschen, die es vielleicht bei Mäusen und Menschen gibt?
„Wir schauen in beide Richtungen der Evolution und vergleichen Fische mit Kaulquappen und Frösche mit Mäusen. Und das mit modernster Technik, die es vor einigen Jahren noch gar nicht gegeben hat“, erklärt Sweeney. Dabei meint sie zum Beispiel das „Single-Cell Sequencing“, das für jede einzelne Zelle im Rückenmark sichtbar macht, welche Gene und Moleküle aktiv und welche stillgelegt sind. Oder die Hightech-Anlage mit einem Multiphotonen-Mikroskop, das mittels Laser und Fluoreszenzen Live-Bilder aus dem Nervensystem ermöglicht.
„Wir können in Echtzeit sehen, welche Neuronen feuern, also aktiv sind, und wie die Nervenzellen im Rückenmark miteinander kommunizieren“, erklärt Sweeney. Sie beschreibt das Geflecht von Motoneuronen, Interneuronen, zentralen Nervenzellen und all ihren Molekülen und Schaltkreisen als „zelluläre Architektur, die jeweils unterschiedlich ist“. Die Übergänge in den einzelnen Kaulquappen zu Fröschen können demnach Licht ins Dunkel der Evolution bringen und erklären, welche Veränderungen im Nervennetzwerk den Schritt vom Wasser ans Land ermöglichen konnten.
Mäuse haben andere Nerven
„Dass ein Frosch nicht im Laufrad rennen kann, liegt vermutlich daran, dass ihm gewisse Nerven für diese Bewegung fehlen, die Mäuse und Menschen aber haben“, sagt Sweeney. Warum sie für diese Fragen nicht Exemplare aus dem Museum von ausgestorbenen Tieren, die in der Evolution von Wasser ans Land wichtig waren, unter das Mikroskop legt? „In fossilen Tieren kann man zwar die DNA und Gene untersuchen, aber keine Zellen als Ganzes. In fossilem Material sieht man nicht, welche Nervenzellen wofür zuständig waren.“
Da Sweeneys Arbeit harte Grundlagenforschung ist, sucht ihr Team nicht nach schnell umsetzbaren Anwendungen zum Wohle der Menschen. Doch ein Hintergrund dieser Ergebnisse ist auch, dass wir endlich verstehen, was in unserem Rückenmark für ein sicheres Gehen notwendig ist. Dieses Wissen könnte Basis sein für medizinische Hilfe bei Rückenmarksverletzungen und Querschnittslähmungen.
LEXIKON
Evolution beschreibt Veränderungen der Lebewesen in der Erdgeschichte (z. B. Fisch zu Frosch), während die Entwicklung eines Individuums Ontogenese heißt (Kaulquappe zu Forsch). Die ersten Wirbeltiere gingen vor rund 385 Millionen Jahren an Land.