Stockholms universitet logo, länk till startsida

Mosaikliknande hjärnutveckling hos fiskar kan förklara ryggradsdjurens kognitiva evolution

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) där storleken på hjärnans telencefalon, men inga andra regioner, skilde sig med 10 procent efter bara fyra generationer av riktat urval. Fynden kan ha stora konsekvenser för kunskaperna om kognitiv evolution hos andra ryggradsdjur, exempelvis primater och människor.

Guppyfiskar
Guppyfiskar. Foto: Paul Bentzen

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. 

Niclas Kolm
Niclas Kolm. Foto: Niklas Björling

– 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.

 

Storskaligt experiment

Experimentet genomfördes med ett storskaligt artificiellt urvalsexperiment med guppies av Stephanie Fong, som nyligen disputerade på detta forskningsprojekt. Efter fyra generationer där urvalet av fiskar skedde utifrån volymen på telencefalon i förhållande till resten av hjärnan, med 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, vilket stöder hypotesen om mosaikliknande evolution av fiskarnas hjärnor.

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.

 

Kan ha haft konsekvenser för den kognitiva evolutionen

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.
 

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