Im März 2019 war der Neurowissenschaftler in einem Zug Richtung Südwesten von München unterwegs Maximilian Bothe korrigierte seinen vorsichtigen Griff um die Kühlbox in seinem Schoß. Sein Mittagessen war nicht darin enthalten. Darin befand sich in Eis verpacktes Gewebe aus einem halben Dutzend Klapperschlangen-Rückenmarks – eine Sonderlieferung für seinen neuen Forschungsberater Boris Chagnaud, ein Verhaltensneurowissenschaftler mit Sitz auf der anderen Seite der Alpen. In seinem Labor an der Universität Graz in Österreich unterhält Chagnaud eine Menagerie von Wassertieren, die sich auf ungewöhnliche Weise fortbewegen – von Piranhas und Welsen, die Luftblasen trommeln, um Geräusche zu erzeugen, bis hin zu Schlammspringern, die auf zwei Flossen an Land herumhüpfen. Chagnaud untersucht und vergleicht die neuronalen Schaltkreise dieser Kreaturen, um zu verstehen, wie sich neue Bewegungsarten entwickeln könnten, und Bothe brachte seine Klapperschlangenstacheln mit, um sich dem Unterfangen anzuschließen.

Die Art und Weise, wie Tiere sich fortbewegen, ist ebenso vielfältig wie das Tierreich selbst. Sie gehen, rennen, schwimmen, krabbeln, fliegen und schlittern – und in jeder dieser Kategorien gibt es eine enorme Anzahl subtil unterschiedlicher Bewegungsarten. Eine Möwe und ein Kolibri haben beide Flügel, aber ansonsten sind ihre Flugtechniken und -fähigkeiten völlig unterschiedlich. Sowohl Orcas als auch Piranhas haben einen Schwanz, sie beherrschen jedoch sehr unterschiedliche Arten des Schwimmens. Sogar ein Mensch bewegt seinen Körper beim Gehen oder Laufen auf grundlegend unterschiedliche Weise.

Das Tempo und die Art der Bewegungen, die ein bestimmtes Tier ausführen kann, werden durch biologische Hardware bestimmt: Nerven, Muskeln und Knochen, deren Funktionen durch neurologische Einschränkungen eingeschränkt sind. Beispielsweise werden die Gehgeschwindigkeiten von Wirbeltieren durch Schaltkreise in ihren Wirbelsäulen bestimmt, die ohne bewusste Eingabe des Gehirns aktiviert werden. Das Tempo dieser Bewegung wird durch die Eigenschaften der neuronalen Schaltkreise bestimmt, die sie steuern.

Damit ein Tier eine neuartige Bewegungsweise entwickeln kann, muss sich etwas in seinen neurologischen Schaltkreisen ändern. Chagnaud möchte genau beschreiben, wie das geschieht.

„In der Evolution erfindet man nicht nur das Rad. Man nimmt Teile, die bereits vorhanden waren, und modifiziert sie“, sagte er. „Wie verändert man die Komponenten, die vielen verschiedenen Arten gemeinsam sind, um neue Verhaltensweisen hervorzurufen?“

Eine Antwort auf diese Frage fand sein Team kürzlich in Experimenten mit Bothes Klapperschlangen – einem Organismus, der über zwei unterschiedliche Bewegungstempos verfügt, die in einen langen, schlanken Körper integriert sind.

Ihre Ergebnisse, veröffentlicht Current Biology im Januar herausgefunden, wie man durch Herumbasteln an einem einzelnen Protein – einem Kaliumionenkanal – schnell feuernde Motoneuronen aus dem rasselnden Schwanz einer Schlange dazu bringen kann, sich eher wie die trägen Motoneuronen aus ihrem wellenförmigen Körper zu verhalten, und umgekehrt. Der Befund ist ein Beweis dafür, dass scheinbar geringfügige Veränderungen in der Physiologie eines Tieres denselben Befehl des Nervensystems in unterschiedliche Bewegungsarten umsetzen können.

„Was ich an dieser Studie besonders einzigartig und interessant fand, ist, dass sie sich auf Motoneuronen mit zwei sehr unterschiedlichen Aufgaben konzentrierte, aber innerhalb desselben Tieres“, sagte der Neurowissenschaftler Martha Bagnall der Washington University in St. Louis, der nicht an der Arbeit beteiligt war. „Wenn man sie innerhalb eines Tieres betrachtet, erhält man einen wirklich schönen, genauen Vergleich.“

Der Befund weist darauf hin, dass Tiere im gesamten Lebensbaum neue Verhaltensweisen entwickeln können. Das Optimieren des richtigen Teils der biologischen Maschinerie – in diesem Fall eines bestimmten Ionenkanals – kann die Leistung drastisch verändern, genau wie das Drehen des Lautstärkereglers an einem Lautsprecher. Evolution kann zunächst auf die Steuerung einwirken, anstatt die gesamte Maschine zu überarbeiten.

„Es war ein sehr sauberes Ergebnis“, sagte er Paul Katze, ein Verhaltensneurowissenschaftler an der University of Massachusetts, Amherst, der ebenfalls nicht an der Arbeit beteiligt war. „Und, wissen Sie, Klapperschlangen – die sind cool.“

Einstellschrauben

Chagnaud interessiert sich nicht für Klapperschlangen an sich. „Ich habe gerade eine interessante biologische Frage gesehen“, sagte er. „Ich bin ein Wissenschaftsopportunist.“

Sein Team untersucht Organismen, von denen sie glauben, dass sie das offenbaren werden, was sie als evolutionäres Verhalten bezeichnen Stellschrauben. Das deutsche Wort bedeutet wörtlich „Einstellschrauben“, obwohl das eine umständliche Übersetzung ist: Stellschrauben sind die kleinen Bedienelemente, die die Einstellungen einer größeren Maschine anpassen. Wenn die Maschine das Nervensystem ist und die Einstellungen direktes Verhalten sind, sind die Stellschrauben die biologischen Schalter, Auslöser und Knöpfe, die mit nur einer kleinen Änderung das Verhalten eines Tieres dramatisch genug verändern, um evolutionäre Konsequenzen zu haben.

Klapperschlangen bieten die Möglichkeit zu verstehen, wie die Biologie ihre Geschwindigkeitseinstellungen bei einem einzelnen Tier verändert. Forscher, die sich für solche Fragen interessieren, müssen oft verschiedene Arten mit unterschiedlichem Verhalten vergleichen – beispielsweise eine Möwe und einen Kolibri, die beide fliegen, aber unterschiedliche Bewegungen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit ausführen. In diesem Fall ist es jedoch schwierig zu bestimmen, welche der vielen biologischen Unterschiede zwischen den beiden Arten der Variation in einem einzelnen Bewegungsverhalten zugrunde liegen. Wenn man das langsame Gleiten einer Klapperschlange mit ihrem schnellen Rasseln vergleicht, vermeidet man das Problem, Äpfel mit Birnen oder Sardellen mit Orcas zu vergleichen.

Diese Erkenntnis – dass Klapperschlangen zwei Fortbewegungsmöglichkeiten in einem Körper haben – ist der Grund, warum Bothe mit einer Kühlbox voller Schlangenstacheln in einem Zug von München nach Graz saß.

Zurück in Graz bettete er das Rückenmarksgewebe der Klapperschlange in Agar, einer Art Gelatine, ein und fertigte hauchdünne Schnitte für die Mikroskopie an. Optisch schienen die Motoneuronen aus der Rassel und dem Körper der Schlange genau gleich zu sein. Doch als Bothe ihre elektrischen Eigenschaften mit einer Elektrode testete, stellte er auffällige Unterschiede fest.

Neuronen verändern ihre elektrische Aktivität mithilfe von Pumpen und Kanälen, die in ihre Zellmembranen eingebettet sind, um den Fluss geladener Ionen wie Kalium und Natrium zu steuern. Im Ruhezustand halten Neuronen ihr Inneres negativer geladen als ihre äußere Umgebung und halten eine Ruhemembranspannung von etwa –70 Millivolt aufrecht. Wenn dann Signale von anderen Neuronen diese Membranspannung erhöhen, „feuert“ die Zelle – sie öffnet die Schleusen ihrer Ionenkanäle und lässt positive Ionen ins Innere strömen, was zu einem schnellen Spannungsanstieg führt.

Diese Spannungsspitze, Aktionspotential genannt, wandert entlang der Zellmembran des Neurons, bis sie eine Synapse erreicht, die Schnittstelle zwischen einem Neuron und einer anderen Zelle, wo sie die Freisetzung von Botenstoffen, sogenannten Neurotransmittern, auslöst. Im Fall von Motoneuronen und einem Muskel veranlasst die Freisetzung des Neurotransmitters Acetylcholin den Muskel, sich zusammenzuziehen.

Bothe fand heraus, dass der elektrische Strom, der benötigt wird, um die Spannungsschwelle zu erreichen und das Motoneuron im Körper einer Schlange auszulösen, „viel geringer ist als bei den Rasselmotorneuronen“, sagte er. „Man muss viel mehr Strom in das [Rassel-]Neuron leiten, damit es feuert.“ Und im Vergleich zu Rassel-Motoneuronen reagierten Körper-Motoneuronen träger.

Da Rasselneuronen nur als Reaktion auf große, offensichtliche Signale feuern, ist die Wahrscheinlichkeit einer Fehlzündung aufgrund schwacher Schwankungen im neurologischen Hintergrundrauschen geringer. Sie sind weniger sprunghaft und präziser, wodurch sie höherfrequente Signale weiterleiten können.

Nachdem dieser Unterschied zwischen Rassel- und Körpermotorneuronen identifiziert wurde, bestand der nächste Schritt darin, die Stellschrauben zu finden, die ihn steuern.

Trial and Error

Neuronen sind Zellen, keine Maschinen, was bedeutet, dass sie über eine chaotische biologische Komplexität verfügen. Die „Schraube“, nach der Bothe und Chagnaud suchten, um die elektrischen Eigenschaften des Motoneurons zu steuern, könnte alles sein, von einer subtilen Änderung in der Struktur eines Membranproteins bis hin zur Expression eines völlig anderen Satzes von Ionenpumpen und Kanälen. Dennoch hatten die Forscher gute Gründe zu der Annahme, dass es sich bei ihren Stellschrauben um einen Kaliumionenkanal handeln würde. Frühere Studien an Neuronen hatten gezeigt, dass diese Kanäle für die Abstimmung der Präzision von Neuronen wichtig sind, ihre Rolle bei der Anpassung des Verhaltens von Motoneuronen im Besonderen war jedoch unklar.

„Es gibt, sagen wir mal, einen bestimmten Werkzeugkasten, der der Evolution zur Verfügung steht“, sagte Bothe. „Vielleicht sind es hier also die gleichen Ionenkanäle.“

Das Finden des genauen Kanals erforderte jahrelange Versuche und Irrtümer. Der Vergleich, wie Körper- und Rasselzellen Gene für Kaliumkanäle exprimierten, ergab keine signifikanten Unterschiede. Also machten Chagnaud und Bothe weiter und testeten die Wirkung von Medikamenten, die bestimmte Arten von Kanälen blockieren sollten. Schließlich fanden sie einen Kanal, der, wenn er blockiert war, unterschiedliche Bewegungsgeschwindigkeiten erzeugte: einen Kaliumkanal namens KV7_2/3.

Anschließend führte Bothe präzisere Experimente durch, bei denen er Medikamente einsetzte, um die Aktivität des Kanals zu verstärken oder zu hemmen. Als er den Kanal in Rassel-Motoneuronen einschränkte, feuerten diese langsamer und ungenauer, als wären sie Körper-Motoneuronen. Als er dann den Kaliumionenkanal verstärkte, beobachtete er den gegenteiligen Effekt: Die Motoneuronen des Körpers feuerten schnell und präzise, ​​wie Rassel-Motoneuronen.

Es war, als wäre dieser Ionenkanal ein Drehknopf, der einen Neuronentyp in den anderen verdrehen könnte. Aber was war eigentlich anders an diesem Protein im Körper und in der Rassel der Schlange?

Zunächst dachten die Forscher, dass Rasselmotorneuronen über zusätzliches KV7 verfügen müssten_2/3 Kaliumkanäle. Wenn die Rasselneuronen mehr Kanäle hätten, so vermuteten die Wissenschaftler, könnten sie Ionen schneller entladen und die Spannung wieder senken, um die Kanäle darauf vorzubereiten, schnell wieder zu feuern.

Um das herauszufinden, extrahierten und sequenzierten Bothe und Chagnaud RNA aus beiden Arten von Klapperschlangen-Motoneuronen und schickten die Daten an Jason Gallant, einem Evolutionsbiologen an der Michigan State University, damit er die Ausprägung des KV7 vergleichen konnte_2/3 Kanalgen zwischen den beiden Geweben. Das Gen für KV7_2/3 Kanäle sind in jeder Körperzelle des Tieres gleich – aber wenn die Rasselneuronen mehr KV7 hätten_2/3 Kanäle würden die Forscher eine höhere Genexpression in diesem Gewebe erwarten.

Leider konnte ihre einfache Erklärung nicht bewiesen werden. „Es gibt wirklich keinen Unterschied im Niveau der Genexpression in diesen Kaliumkanälen, was enttäuschend war“, sagte Gallant. „Aber ich denke, es eröffnet eine realistischere Sicht auf die Biologie.“

Variationen in der Expression des Gens hätten eine einfache und eindeutige Möglichkeit geboten, zu erklären, wie die evolutionären Schrauben an den Motoneuronen der Klapperschlange angepasst werden. Aber die Biologie bietet andere Möglichkeiten. Chagnaud und Bothe spekulierten, dass die Kanalproteine, nachdem sie aus dem genetischen Bauplan konstruiert wurden, in leicht unterschiedliche Formen umgewandelt werden könnten, die Ionen unterschiedlich verwalten. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um die Details zu bestimmen – um die Steuerung zu finden, die die Steuerung anpasst.

Katz seinerseits empfand das Ergebnis als keineswegs enttäuschend. „Sie sahen also keine [Änderung der] Genexpression. Das war die Antwort, die sie erwartet hatten“, sagte er. „Tatsache ist aber, dass das ein cooles Ergebnis ist.“

Seit vielen Jahrzehnten gehen Forscher davon aus, dass motorische Schaltkreise „so existieren, wie sie verwendet werden“, sagte Katz – was bedeutet, dass das Auslösen eines Verhaltens wie Gehen oder Schwimmen lediglich eine Frage des Einschaltens des richtigen Schaltkreises ist. Aus dieser Sicht würde die Entwicklung eines neuen Verhaltens ein völlig neues Schaltungslayout erfordern. Aber in Studien über so unterschiedliche Organismen wie Krebstiere, Seeschnecken und jetzt möglicherweise Schlangen, das finden Forscher heraus Wechselwirkungen mit Neuromodulatoren und andere Chemikalien können die Aktivität, die ein Schaltkreis hervorruft, modulieren und dazu führen, dass dieselben Zellnetzwerke deutlich unterschiedliche Verhaltensweisen hervorrufen.

Die neue Studie, sagte Katz, deutet darauf hin, dass das Spielen mit dieser Plastizität eine Möglichkeit sein könnte, neue Bewegungsverhaltensweisen zu entwickeln. Vielleicht hat der Unterschied zwischen Rasseln und Körperverhalten etwas mit subtilen Unterschieden in der chemischen Umgebung ihrer Zellen zu tun, nicht mit der Struktur oder Ausprägung des Ionenkanals selbst.

„Bei vielen evolutionären Modifikationen besteht Ihr Hauptziel darin, das Tier nicht zu zerstören, oder?“ Sagte Bagnall. „Alles, was Sie tun können, um Eigenschaften zu optimieren, ohne zu einem Ein-/Ausschalter zu werden, ist ein wirksames Mittel, um Veränderungen voranzutreiben, ohne zutiefst schädlich zu sein.“

Drehen und Stimmen

Diese neue Studie zeigt, dass es möglich ist, Motoneuronen durch die Optimierung eines einzelnen Proteins auf völlig unterschiedliche Verhaltensweisen einzustellen. Aber Motoneuronen sind nur ein Teil des Bewegungspuzzles. Sie sind das letzte Glied in einer Kette, die mit Schaltkreisen im Zentralnervensystem beginnt, die als zentrale Mustergeneratoren bekannt sind und die rhythmischen Muster beim Gehen oder Schwimmen erzeugen. Diese vorgelagerten Kreisläufe sind bei anderen Organismen wie Zebrafischen besser zu verstehen. Bei Klapperschlangen wäre es ein nächster logischer Schritt, sie zu enträtseln.

„Das wichtigste fehlende Glied“, sagte Katz, „ist, wie man die Frequenz für das Rasseln erzeugt?“ Woher kommt das?“

Chagnaud möchte unbedingt herausfinden, ob eine ähnliche Stellschraube die Motoneuronen einer anderen Spezies anregt, die wegen ihres Bisses gefürchtet ist. Wie Klapperschlangen führen Piranhas zwei rhythmische Bewegungen mit völlig unterschiedlichen Frequenzen aus: Sie schwimmen mit einer Frequenz von bis zu sechs Zyklen pro Sekunde und lassen ihre Schwimmblasen mit Frequenzen von bis zu 140 Zyklen pro Sekunde vibrieren, um Geräusche zu erzeugen, die wie Bellen, Jaulen usw. klingen Schlagzeugschläge. Im Gegensatz zu Klapperschlangen nutzen Piranhas jedoch denselben Abschnitt ihrer Wirbelsäule, um beide Bewegungsarten zu steuern.

„Ich bin gespannt, ob es KV7 sein wird_2/3? Wir haben keine Ahnung“, sagte Chagnaud. „Hat die Evolution die gleiche Lösung für das gleiche Problem gefunden?“

Er hat seine Zweifel. Obwohl er hofft, einen ähnlichen Mechanismus finden zu können, war die überraschende – und manchmal frustrierende – Entdeckung bei Klapperschlangen „ein Augenöffner“, sagte er. Evolution ist kein menschlicher Designer mit einem Ziel vor Augen. Seine Methoden sind mysteriös und sein Werkzeugkasten ist riesig. „Und man hat ganz unterschiedliche Stellschrauben, an denen man drehen kann.“