Ähnlich und doch anders: Vergleichende Neuroanatomie der chemo- und mechanosensorischen Systeme beim Kammorgan der Skorpione

• Antragsteller: Dr. Torben Stemme
• Fachliche Zuordnung: Systematik und Morphologie der Tiere ; Evolutionäre Zell- und Entwicklungsbiologie der Tiere
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 418446511

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Sinneswahrnehmungen sind für Navigation, Überleben und Reproduktion der meisten Tiere von entscheidender Bedeutung. Während Insekten, Krebstiere und Myriapoden chemosensorische Anhänge am zweiten Kopfsegment aufweisen, evolvierten Vertreter des verbliebenen Arthropoda-Taxons, die Chelicerata, idiosynkratische sensorische Organe an verschiedensten Körperregionen. Ein faszinierendes Beispiel liefern hier die Skorpione, welche so genannte Kammorgane an der ventralen Körperseite besitzen, direkt hinter dem letzten Laufbeinpaar. Diese Organe fungieren als bimodale Sensoren für chemo- und mechanosensorische Reize des Substrates. Kammorgane übernehmen somit eine ähnliche Funktion wie Antennen, wenn auch in einer gänzlich anderen Körperposition. Eine detaillierte Untersuchung der entsprechenden neuronalen Bahnen ist für unser Verständnis sensorischer Verarbeitung unabdingbar, nicht zuletzt im Vergleich zur neuronalen Verschaltung der Antennen anderer Arthopodengruppen. Zur Analyse der generellen Anatomie der Kammorgan-Neuropile, deren Innervation durch bimodale chemo- und mechanosensorische Kammorgan-Sensillen sowie durch unimodale mechanosensorische Haarsensillen verwendeten wir moderne neuroanatomische Methoden, inklusive Kombinationen von Immunmarkierungen, anterograden und lipophilen Tracing-Techniken, konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie und computergestützter 3D-Rekonstruktion. Des Weiteren untersuchten wir die Neuroanatomie der Pilzkörper von Skorpionen, welche als höheres Integrationszentrum für Signale aus den Kammorgan-Neuropilen gelten. Zur Darstellung von artspezifischen Unterschieden der Kammorgan-Bahnen und höheren Integrationszentren untersuchten wir Skorpionsarten aus unterschiedlichen Habitaten und mit unterschiedlicher systematischer Stellung. Neben grundsätzlichen Gemeinsamkeiten konnten wir sowohl in der Anatomie der Kammorgan-Neuropile als auch der Pilzkörper artspezifische Unterschiede beobachten. Dies legt die Schlussfolgerung nahe, dass die Neuroanatomie der Kammorgan-Bahn nicht nur phylogenetische Beziehungen widerspiegelt, sondern auch Modifikationen in Bezug auf das Habitat und den Grad des Sozialverhaltens. Weiterhin konnten wir zeigen, dass Afferenzen von Neuronen unimodaler Haarsensillen in spezifische Bereiche des Nervensystems projizieren. Dies lässt die Einbindung in reflexartige Anpassung der Körperhöhe und Vermeidung von Hindernissen sowie die akkurate Ausrichtung der Kammorgane zur Aufrechterhaltung ihrer Funktion vermuten. Bezüglich bimodaler Kammorgan-Sensillen fanden wir klare Hinweise, dass deren chemo- wie mechanosensorische Afferenzen das Kammorgan-Neuropil somatotopisch innervieren. Auch wenn diese Beobachtung weiterer Prüfung bedarf, ist dies ein faszinierendes Ergebnis, da diese Art afferenter Projektionen unseres Wissens nach einzigartig ist.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Chemosensory pathways in scorpions and sun spiders. Gordon Research Conference 2019 on Behavior, Evolution and Neurobiology (Multimodal Strategies for Behavioral Control: Molecules, Neurons, Circuits and Behavior), Mount Snow, Vermont (USA) 28/07-02/08/2019.
  Wolf H., Drozd D. & Stemme T.
  
• Histaminergic interneurons in the ventral nerve cord: assessment of their value for Euarthropod phylogeny. Zoological Letters, 5(1).
  Maurer, Maite; Hladik, Janina; Iliffe, Thomas M. & Stemme, Torben
  
• Map-like representation of chemosensory input in the synganglion of two scorpion species. 30th NeuroDoWo, University of Würzburg (Germany) 28-31/08/2019.
  Drozd D., Wolf H. & Stemme T.
  
• Size Matters - Territoriality and Shelter Selection in a Scorpion. 112th Annual Meeting of the German Zoological Society, Jena (Germany) 10-13/09/2019.
  Hladik J. & Stemme T.
  
• Non-visual homing and the current status of navigation in scorpions. Animal Cognition, 23(6), 1215-1234.
  Prévost, Emily Danielle & Stemme, Torben
  
• Structure of the pecten neuropil pathway and its innervation by bimodal peg afferents in two scorpion species. PLOS ONE, 15(12), e0243753.
  Drozd, Denise; Wolf, Harald & Stemme, Torben
  
• Anatomy of the Nervous System in Chelifer cancroides (Arachnida: Pseudoscorpiones) with a Distinct Sensory Pathway Associated with the Pedipalps. Insects, 13(1), 25.
  Stemme, Torben & Pfeffer, Sarah E.
  
• Comparison of chemosensory pathways in Arachnida – insights from a neuroanatomical and behavioral approach. 113th Annual Meeting of the German Zoological Society, virtual format, 30/08-03/09/2021.
  Stemme T.
  
• Home sweet home: Effect of size and scent on shelter selection in two scorpion species. 113th Annual Meeting of the German Zoological Society, virtual format, 30/08-03/09/2021.
  Hladik J. & Stemme T.
  
• Innervation areas of mechanosensory hair sensillae on the scorpion pectines. 113th Annual Meeting of the German Zoological Society, virtual format, 30/08-03/09/2021.
  Drozd D., Wolf H. & Stemme T.
  
• Feels like home: influence of size and chemosensory cues on scorpion shelter choice. International Congress of Neuroethology, Lisbon (Portugal) 24- 29/07/2022.
  Hladik J. & Stemme T.
  
• Mechanosensory pathways of scorpion pecten hair sensillae—Adjustment of body height and pecten position. Journal of Comparative Neurology, 530(16), 2918-2937.
  Drozd, Denise; Wolf, Harald & Stemme, Torben
  
• Unravelling the sensory capabilities of scorpion pectines with a neuroanatomical and behavioural approach. International Congress of Neuroethology, Lisbon (Portugal) 24-29/07/2022.
  Stemme T. & Wolf H.
  
• No evidence for regeneration of pectines in the scorpion Euscorpius italicus (Herbst, 1800). Acta Zoologica, 105(3), 281-293.
  Stemme, Torben