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„Wir haben vermutet, dass Veränderungen der Schilddrüsenhormone wichtig für die normale Smolt-Entwicklung sind, aber wir wussten nicht, wie das Hormon aktiviert wird und welche Rolle es genau spielt“, sagt Lars Ebbesson. Die Forscher der Uni Research Environment haben nun wichtige Hinweise gefunden, die eine Antwort liefern könnten.

Eine neue Studie zeigt, dass Licht – die Zunahme der Tageslänge im Frühjahr – die Entwicklungsprozesse im Gehirn der Fische während der Smoltifikation beeinflusst. In einer neuen Studie, die soeben in Current Biology veröffentlicht wurde, fanden Ebbesson und seine Kollegen heraus, dass Licht die Produktion eines speziellen Enzyms, der Typ-2-Diodinase, erhöht, wodurch das Schilddrüsenhormon im Smolt-Gehirn aktiviert wird. Dieses Enzym stimuliert den Fisch, sich vorzubereiten, bevor er ins Salzwasser hinauswandert.

Sie fanden auch eine wichtige Veränderung des Typ-2-Deiodinase-Paralogs in den Kiemen. Die Kiemen sind wichtig für die Regulierung des Salzhaushalts im Fisch. In der Studie fanden sie heraus, dass dieser Deiodinase-Paralog, der das Schilddrüsenhormon in den Kiemen aktiviert, nur zunimmt, wenn der Fisch ins Salzwasser gelangt.

Die vorliegende Studie könnte erklären, warum frühere Arbeiten über Schilddrüsenhormone und Kiemenentwicklung bei Smolts, die sich auf die Süßwasser-Parr-Smolt-Transformation konzentriert haben, herausgefunden haben, dass Schilddrüsenhormone nur eine minimale Rolle spielen.

Kontrollveränderungen

„Unsere Ergebnisse erweitern unser Verständnis der organspezifischen Regulation und Aktivierung von Hormonen. Dadurch verstehen wir besser, wie Umweltsignale, wie Licht und Salz, physiologische Veränderungen steuern“, sagt Ebbesson. Er ist Gruppenleiter der Gruppe Integrative Fischbiologie an der Uni Research Environment.

Die aktuelle Arbeit ist eine Zusammenarbeit mit den Senior Researchern Tom Ole Nilsen und Sigurd Handeland aus seiner Gruppe, den Professoren David Hazlerigg von der Universität Tromsø und Sam Martin von der Universität Aberdeen. Die Gruppe arbeitet auch an dem FRIMEDBIO-Projekt „The smolt brain model: Unraveling nature’s regulation of neural plasticity“. Das dreijährige Projekt wird vom norwegischen Forschungsrat finanziert.

„In diesem Projekt untersuchen wir, wie Umwelt und Genetik die neurale Plastizität in der Lebensmitte regulieren“, sagt Ebbesson.

Neue Erkenntnisse

„Zusammengenommen bieten diese Ergebnisse neue Einblicke in die Art und Weise, wie die Smoltifikation reguliert wird und wie die Umwelt diesen speziellen Übergang vom Süßwasser zum Salzwasser beeinflusst“, sagt Ebbesson.

Ebbesson und seine Kollegen haben nun ein neues dreijähriges FRIMEDBIO-Projekt „Light & Salt — Thyroid hormone deiodinase paralogues & the evolution of complex life-history strategy in salmonids“ gestartet, um mehr über die Beziehung zwischen Licht, Salzregulation und der Umwandlung, bei der die Fische zu Smolt werden, zu erfahren.

Unter anderem hat die Integrative Fischbiologie an der Uni Research bereits herausgefunden, dass Lachse durch chronischen, leichten Stress gestört werden können. Sie fanden heraus, dass chronischer Stress dazu beitragen kann, dass Lachse nicht mehr in ihre Flüsse zurückfinden.

Das ist so, weil die Umwelt die Lernfähigkeit der Fische beeinflusst. Wenn die Umwelt über einen längeren Zeitraum schlecht ist, sinkt ihre Lernfähigkeit. Die Forscher wiesen nach, dass Fische, die einer schlechten Wasserqualität ausgesetzt waren, ein höheres Risiko hatten, chronischen, leichten Stress und beeinträchtigte neuronale Reaktionen zu entwickeln, wenn sie herausgefordert wurden. Wie geistig und physiologisch robust die Fische sind, liefert wichtige Informationen darüber, wie die Fische in Zukunft mit Herausforderungen umgehen werden. Dies ist ein neues Beispiel dafür, wie Ebbesson und seine Kollegen die integrative Neurobiologie nutzen, um einige der Rätsel der Biologie zu klären.

Wollen mehr Antworten finden

Die Forschungsgruppe soll nun anstreben, ein Exzellenzzentrum für integrierte Fisch-Neurobiologie zu werden. Das Ziel ist es, ein Umfeld zu schaffen, das eine wichtige Säule für Forscher in der Fischbiologie und -evolution sein wird, sowohl national als auch international.

„Das Gehirn ist der zentrale Regulator der meisten biologischen Prozesse, doch nur wenige verstreute Forschungsgruppen untersuchen in Norwegen, wie das Fischgehirn funktioniert. In einem Land, in dem Fisch eine so wichtige Rolle in der Gesellschaft spielt, wird ein Zentrum, das neue Einblicke in wichtige grundlegende Fragen zur Gehirnfunktion geben kann, auch einen Einfluss darauf haben, wie wir wilde Fischpopulationen managen und Aquakulturpraktiken verbessern können“, sagt Ebbesson.

Das Zentrum wird es den Forschern ermöglichen, spezifische Regulierungen und Funktionen in Fischgehirnen genauer zu betrachten. Durch die Forschung hier werden sie in der Lage sein, wichtige Antworten zu finden, die sowohl denen helfen, die mit Fischen arbeiten, als auch denen, die mit Menschen arbeiten. Hier werden sie auch technologische Ressourcen und neuroanatomische Datenbanken ausbauen und zentralisieren. Die Arbeit dazu ist bereits im Gange.

„Wir glauben nicht unbedingt, dass Fische und Menschen gleich sind, aber die Mechanismen im Gehirn laufen bei Fischen ähnlich ab wie bei Menschen. Wenn wir mehr davon verstehen, was im Gehirn des Fisches passiert, können wir auch mehr über das menschliche Gehirn verstehen“, sagt Ebbesson.

Das Smolt-Gehirn

Ebbesson betont auch, dass das Wissen darüber, wie das Gehirn der Fische funktioniert, für die Aquakulturindustrie wichtig sein wird. Unter anderem werden sie in der Lage sein, vorherzusagen und zu regulieren, wie die Fische durch Umweltveränderungen beeinflusst werden.

Die Forschungsgruppe in Bergen ist einzigartig, weil ihre Arbeit so interdisziplinär ist. Das neue Zentrum wird den Forschern völlig neue Erkenntnisse und Werkzeuge bieten.

Interdisziplinärer Ansatz

Das Exzellenzzentrum für integrierte Fischneurobiologie (SIFN) wird von Ebbesson geleitet. Er ist mit der Universität Bergen verbunden, seit er im Jahr 2000 als Post-Doc-Stipendiat nach Bergen kam. Im Jahr 2006 wurde er bei Uni Research eingestellt, und 2009 gründete er die Forschungsgruppe Integrative Fischbiologie und das Fish Neuroscience Network in Bergen.

Dieses entwickelte sich später zu NORDFORSK Behavioural Fish Neuroscience Network (BeFiNe), das nun Teil des EU-Projekts COPEWELL ist. Im Herbst 2015 strebt die Forschungsgruppe an, ein Exzellenzzentrum zu werden.

Das Zentrum wird evolutionäre und umweltbedingte Mechanismen untersuchen, die die Entwicklung und funktionelle Veränderungen im Gehirn der Fische steuern. Dies ist eine gemeinsame Initiative mit den Universitäten Bergen, Tromsø und Oslo in Zusammenarbeit mit dem Norwegischen Institut für Meeresforschung, dem Sars International Centre for Marine Molecular Biology und internationalen Experten aus Japan, den USA und Europa.

„Weltweit führend“

„Das Zentrum hier in Bergen wird weltweit führend werden“, sagt Ebbesson.

Der Schlüssel zum Erfolg liegt darin, dass das Zentrum Expertise aus verschiedenen Bereichen der Neurowissenschaften, der funktionellen Neuroanatomie, des Verhaltens, der Molekularbiologie, der Bioinformatik, der Ökologie und der Fischphysiologie vereinen wird.

„Diese Art von integrativem Ansatz ist wichtig, um Herausforderungen bei der Regulation von lebensgeschichtlichen Übergängen, der Verhaltensmotivation und der umweltbedingten und genetischen Modulation der Anpassung zu lösen. Derzeit gibt es nur wenige Forscher auf der Welt, die diese Art von integrativem Ansatz verfolgen können“, sagt Ebbesson.