Doctoraatsprijs voor Astrid Deryckere
Om de drie jaar reikt PDL een prijs ter waarde van €1500 uit voor de beste doctoraatsthesis, afgelegd bij een promotor in het departement biologie. Het verdict van de externe juryleden was duidelijk: de winnaar voor 2019-2021 is Astrid Deryckere met de thesis 'Neurogenesis, neural migration and differentiation in the developing octopus brain' (promotor: Prof. Eve Seuntjens). Van harte gefeliciteerd, Astrid! Astrid is momenteel aan de slag als postdoctoraal onderzoeker aan de Columbia University in New York. Hieronder beschrijft ze waarover haar doctoraatsonderzoek ging.
Het geheim van de octopus: hoe de primus uit de oceaan net zo nieuwsgierig kon worden als jij en ik
De octopus was decennialang een gevreesd wezen in de populaire cultuur—denk aan Ursula in De kleine zeemeermin of Alien Heptapod in Arrival. Daar kwam de laatste jaren verandering in met hulpvaardige Hank uit de Disneyfilm Finding Dory en de octopuspaal in ons straatmeubilair rond scholen. Uiteindelijk sloot de Netflix-kijkende wereld het bijzonder nieuwsgierige en intelligente dier in zijn hart na het zien van My Octopus Teacher, dat in 2021 de Oscar voor beste documentaire won.
De octopus is een van de vreemdste en meest intrigerende ongewervelde dieren op onze planeet. Net zoals oesters en slakken is de octopus een weekdier. De octopus heeft echter een uitzonderlijk groot en complex brein, vergelijkbaar met de hersenen van andere intelligente dieren zoals papegaaien, honden en dolfijnen. Aristoteles merkte al op dat de dieren bijzonder nieuwsgierig zijn. Ondertussen weten we dat de octopus, net zoals wij, droomt tijdens zijn slaap, in de toekomst plant, gebruikmaakt van gereedschap en een uitstekend geheugen heeft. Nochtans stammen we beide af van een wormachtig beestje dat zo’n 600 miljoen jaar geleden op onze planeet vertoefde. En toch vond ik door mijn onderzoek een aantal gemeenschappelijke kenmerken tijdens de ontwikkeling van de hersenen van de octopus en zoogdieren, die kunnen duiden op hun essentiële rol in het ontstaan van complexe hersenen.
Wanneer we onze hersenen op microscopisch niveau bekijken, vinden we de neuronen die onder andere onze persoonlijkheid bepalen en ons in staat stellen om te praten, rekenen of gewoon de afwas te doen met verbazingwekkende nauwkeurigheid. Bij gewervelde dieren zoals de mens start de hersenontwikkeling vroeg in de embryonale ontwikkeling met een laagje stamcellen in de neurale buis. Die stamcellen vermenigvuldigen uitvoerig, eerst om meer stamcellen te maken en later om dochtercellen te produceren die niet meer delen. De dochtercellen migreren naar hun uiteindelijke bestemming. Eens die cellen hun plaats gevonden hebben, nemen ze een welbepaalde vorm aan en vormen ze een elektrisch netwerk met andere neuronen. Die processen van celproliferatie, -migratie en -differentiatie moeten perfect op elkaar afgestemd zijn, zodat onze hersenen naar behoren werken.
Hoe zit dat nu bij de gewone octopus (Octopus vulgaris), die een zenuwstelsel heeft van om en bij de 500 miljoen zenuwcellen? Het dunne laagje stamcellen waarmee de embryonale hersenontwikkeling start bij gewervelde dieren, ontbreekt bij ongewervelden zoals de octopus. En toch is het dier in staat om een gelijkaardig complex zenuwstelsel te vormen. Om dat te onderzoeken, nam ik de embryonale hersenontwikkeling van de octopus onder de loep. Daarvoor is het noodzakelijk dat we octopussenembryo’s kunnen kweken in het labo. Tot voor kort was dat uiterst complex, gezien het moederdier in de oceaan haar duizenden eitjes voortdurend reinigt en van zuurstof voorziet. In samenwerking met Eduardo Almansa in Tenerife, ontwierpen we een aquarium dat artificieel zeewater continu zuivert en van zuurstof voorziet en zo sterk stroomt dat de strengen met eitjes eindeloos heen en weer wiegen, om de natuurlijke omstandigheden zo goed mogelijk na te bootsen.
Met dat ingenieuze systeem konden we voortaan octopusseneitjes uitbroeden in het labo. Gebruikmakend van hedendaagse microscopische technieken, ontdekte ik nieuwe kernmerken om de embryonale ontwikkeling van de octopus zorgvuldig op te volgen en actualiseerde ik de atlas uit 1928 die die embryonale ontwikkeling beschrijft (Figuur 1). Dat werk werd gepubliceerd in het tijdschrift BMC Developmental Biology, zodat onderzoekers van over de hele wereld nu octopussenembryo’s kunnen bestuderen met dezelfde nauwkeurigheid en embryo’s van andere koppotigen (inktvissen en zeekatten) kunnen vergelijken met de octopus.
Figuur 1. Embryonale ontwikkeling van de octopus. Bovenaan: Lichtmicroscopische foto’s van octopussenembryo’s in hun eitje, met de meest belangrijke structuren benoemd. De octopus ontwikkelt op en rond de dooier, die aan het einde van de ontwikkeling opgenomen wordt. De ogen verzamelen pigment doorheen de ontwikkeling en evolueren van geel naar oranje, donkerrood tot zwart, wat een uitstekend kenmerk is om te bepalen hoe oud de embryo’s zijn. Onderaan: 3D-reconstructie van embryo’s na 'light sheet'-microscopie. (Bron: Deryckere et al., BMC Dev. Biol. 20, 7 (2020). https://doi.org/10.1186/s12861-020-00212-6; CC BY 4.0)
Eens er een gestandaardiseerd systeem is om de ontwikkeling van de octopus op te volgen, kunnen we de ontwikkeling van de hersenen bestuderen. De centrale hersenen van de octopus bevinden zich tussen de ogen en omringen de slokdarm. Tot voor kort was het een mysterie waar de stamcellen die bij de octopus neuronen vormen zich precies bevinden en hoe die stamcellen de hele waaier aan neuronen genereren. Daarom gebruikte ik in de eerste instantie moleculaire technieken om die stamcellen en hun dochtercellen te lokaliseren in octopussenembryo's. Zo keek ik naar de expressie van een aantal genen die sterk geconserveerd zijn in de evolutie en die bij gewervelde dieren zorgen voor de aanmaak van stamcellen en hun celdeling, aanwezig zijn in nieuw gevormde neuronen, of belangrijk zijn voor neuronale differentiatie. Tot onze verbazing vonden we dat de embryonale hersenen zelf geen stamcellen bevatten, zelfs niet in de periode waarin de hersenen het meeste groeien. De neurale stamcellen in het octopussenembryo blijken zich rond de ogen te bevinden, in een regio die we de “laterale lippen” doopten (Figuur 2).
Figuur 2. Stamcelzone en hersenen van het octopussenembryo. Links: Overzichtsfoto van het octopussenembryo. De stippellijn duidt het snijvlak aan voor de twee rechterfoto’s. Midden: Cellen die een stamcelspecifiek gen tot expressie brengen zijn paars gekleurd en bevinden zich voornamelijk in de laterale lippen. Rechts: Cellen die een neuronspecifiek gen tot expressie brengen zijn paars gekleurd en bevinden zich in de centrale hersenen, rond de dooier en tussen de ogen. (Bron: Deryckere et al., eLife 10, e69161 (2021). https://doi.org/10.7554/eLife.69161; CC BY 4.0)
Vervolgens injecteerde ik een fluorescente kleurstof door de eischaal in de laterale lippen. Die fluorescente kleurstof wordt plaatselijk opgenomen en wordt door de stamcel doorgegeven aan haar dochtercellen. Door dat stofje op precieze plaatsen in de laterale lippen te injecteren, ontdekte ik twee fundamentele processen. Ten eerste vond ik dat de pas aangemaakte neuronen in de laterale lippen een lange reis naar de centrale hersenen ondernemen. Zo'n omvangrijke migratie is uniek onder de ongewervelde dieren en blijkt nu essentieel voor het bouwen van complexe hersenen. Omdat dat proces belangrijk is voor het vormen van complexe hersenen bij zowel de octopus als gewervelde dieren, die evolutionair zo ver van elkaar verwijderd zijn, hebben we hier te maken met convergente evolutie. Ten tweede tonen de experimenten aan dat de neuronen al weten naar welke hersenregio ze moeten migreren nog voor ze vertrekken en dat hun bestemming niet noodzakelijk de dichtstbijzijnde plaats is. Dit werk werd gepubliceerd in het tijdschrift eLife.
Met mijn doctoraatsthesis hebben we bijgedragen aan het op de kaart zetten van de octopus als wetenschappelijk proefdier. Onze resultaten tonen verder aan dat, hoewel de octopus evolutionair mijlenver van gewervelde dieren zoals mensen staat, zijn hersenontwikkeling gelijkaardige mechanismen vertoont. Dat bekrachtigt dat mechanismen zoals neuronale migratie over grote afstand essentieel zijn voor het vormen van complexe hersenen en hoeveel we kunnen leren van de verschillende diersoorten op onze planeet. Het maakt ook duidelijk hoe weinig we nog maar weten over wat volgens mij een van de mooiste en meest gesofisticeerde processen van Moeder Natuur is.
Astrid Deryckere
