Drei Herzen, blaues Blut, kein Skelett sowie Arme, die eher runden Zungen ähneln. Das sind nur einige der fremdartig wirkenden Merkmale von Kraken und anderen Mitgliedern der Klasse der Kopffüßer (Cephalopoda) wie Sepien und Kalmare – alltagssprachlich gemeinsam oft Tintenfische genannt, obwohl diese Wirbellosen keine Fische sind. Damit nicht genug, die Liste der Kuriositäten geht weiter: Ihre Haut kann Chemikalien schmecken, Licht wahrnehmen und Farbe sowie Beschaffenheit rasch ändern. Bei vielen Arten können sich sogar die mit Saugnäpfen bedeckten Arme nach Abtrennung regenerieren.

Die Cephalopoden haben sich vor mehr als 600 Millionen Jahren von der Entwicklungslinie der Wirbeltiere getrennt. Der letzte gemeinsame Vorfahr war wahrscheinlich ein wurmartiges Wesen mit einem rudimentären Nervensystem und Flecken aus lichtempfindlichen Zellen. Trotz jener tiefen evolutionären Kluft weisen die hoch spezialisierten Weichtiere merkwürdige Parallelen zu Wirbeltieren auf. Zum Beispiel ihre Augen. »Es ist geradezu unheimlich, wie ähnlich sie sich letztendlich entwickelt haben«, sagt der Neurowissenschaftler Cristopher Niell von der University of Oregon in Eugene. »Die konvergente Evolution des Auges verblüfft mich immer noch.«

Eine weitere Ähnlichkeit hat in den letzten Jahren einen Boom in der Neurowissenschaft der Kopffüßer ausgelöst: Vor etwa 400 Millionen Jahren trennten sich die acht- und zehnarmigen Tintenfische von den einzigen anderen heute noch lebenden Kopffüßern – den Perlbooten mit der Gattung Nautilus. Sie verloren daraufhin ihre schützenden Schalen und entwickelten die mit Abstand größten Gehirne unter den Wirbellosen sowie eine entsprechend hohe Intelligenz. Tintenfische verfügen über ein ausgezeichnetes Gedächtnis, benutzen Werkzeuge und sind geschickte Problemlöser; sie haben ein Zeitgefühl und sind in der Lage, Belohnungen aufzuschieben.

Kopffüßer gelten als die einzigen wirbellosen Tiere, die große Gehirne mit hoher Intelligenz besitzen, betont der vergleichende Neurowissenschaftler Cliff Ragsdale von der University of Chicago. Und das bietet eine einzigartige Chance. Vertreter seines Fachs haben zwar bereits viel darüber gelernt, wie das Gehirn von Wirbeltieren funktioniert, wenden sich aber nun zunehmend den Kopffüßern zu, um besser zu verstehen, wie große, hochfunktionale Nervensysteme zustande kommen.

»Hier handelt es sich ganz klar um ein kompliziertes Gehirn, das ausgeklügeltes Verhalten steuert«Carrie Albertin, Cephalopoden-Forscherin

»Für uns, die wir die Regeln der Hirnfunktion entschlüsseln wollen, ist das unglaublich spannend«, meint die Cephalopoden-Forscherin Carrie Albertin von der Harvard University in Cambridge (USA). »Hier handelt es sich ganz klar um ein kompliziertes Gehirn, das ausgeklügeltes Verhalten steuert.«

Entsprechend begannen Neurowissenschaftlerinnen und Neurowissenschaftler, die neurobiologischen und molekulargenetischen Werkzeuge – die hauptsächlich für Mäuse und andere Modelltiere entwickelt wurden – für den Einsatz an diesen rätselhaften Wirbellosen anzupassen. »Es gibt so viele biologische Fragen, die noch nicht mit einem modernen zellulären und molekularen Ansatz erforscht wurden«, sagt Ragsdale.

Wie entsteht ein leistungsfähiges Gehirn?

Bereits ein oberflächlicher Blick auf das Nervensystem der Kopffüßer zeigt, dass es offenbar mehr als einen Weg gibt, ein großes, intelligentes Gehirn zu konstruieren. So sind die Gehirne von Cephalopoden wie ein Donut um die Speiseröhre herum angeordnet (siehe »Hirnatomie der anderen Art«). Außerdem befindet sich ein beträchtlicher Teil der Neurone eines Kopffüßers – bei Kraken mehr als die Hälfte – als »Minigehirne« in den Nervensträngen, welche die Arme steuern.

Sogar Systeme, die erkennbare Funktionen erfüllen, wirken rätselhaft. Obwohl die Augen von Tintenfischen denen von Wirbeltieren ähneln, gilt dies nicht für das visuelle System im Gehirn. »Es ist schwer zu beschreiben, wie sehr es sich unterscheidet«, sagt Niell. »Wir haben einfach keine Ahnung, wie es funktioniert.«

»Das Nervenstrangsystem im Arm eines Oktopus sieht einfach aus wie ein wirrer, grauer Spaghettihaufen«, erklärt die Neurobiologin Robyn Crook von der San Francisco State University. »Alles ist winzig. Es gibt keine Bündel, es gibt keine großen und keine kleinen Zellen. Es ist einfach schrecklich unorganisiert. Und doch scheint es offensichtlich sehr sinnvoll zu sein.«

Diese Neurone sehen nicht nur anders aus als bei Wirbeltieren, sie kommunizieren auch auf mehrere auffallend unterschiedliche Weisen. So zeigten beispielsweise die Neurobiologen William Schafer und Amy Courtney vom britischen MRC Laboratory of Molecular Biology in Cambridge in einer Vorabveröffentlichung, dass das visuelle System des Oktopus einen Dopaminrezeptor enthält, der anders funktioniert als jene von Wirbeltieren. Beim Rezeptor des Oktopus handelt es sich um einen Ionenkanal, den Dopamin direkt öffnet, sodass Ionen hindurchfließen können. Dagegen wird der Rezeptor von Wirbeltieren aktiv, wenn sich Dopamin außen an ihn bindet, was biochemische Signale im Inneren der Neurone auslöst.

»Es gibt so viele biologische Fragen, die noch nicht mit einem modernen zellulären und molekularen Ansatz erforscht wurden«Cristopher Niell, Neurowissenschaftler

Die große Frage lautet, ob diese Unterschiede nur oberflächlich sind und das Gehirn von Kopffüßern nach denselben Prinzipien funktioniert wie das von Wirbeltieren. Die neuronalen Schaltkreise könnten sich, wenn sie irgendwann einmal kartiert sind, bei Kopffüßern und Säugetieren als vergleichbar organisiert erweisen, meint der Systemneurowissenschaftler Gilles Laurent vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main. Aber vielleicht müsse man auch abstrakter vorgehen und erst herausfinden, welche Berechnungen das Gehirn durchführt, bevor man Parallelen findet.

Unabhängig davon, ob die Gehirne von Kopffüßern so wie die von Wirbeltieren arbeiten, verspricht ihre Erforschung großen Erkenntnisgewinn. »Entweder wird sich herausstellen, dass es grundlegende Prinzipien gibt, die allen Gehirnen gemeinsam sind«, sagt die Neurobiologin Tessa Montague von der Columbia University in New York, »oder: Wenn sie tatsächlich anders funktionieren, dann wäre das auch ziemlich erstaunlich, denn das würde zeigen, dass es verschiedene Wege gibt, ein komplexes, funktionsfähiges Gehirn aufzubauen.«

Riesennervenfasern – ein klassisches Modell

Schon jetzt hat die Neurowissenschaft den Kopffüßern viel zu verdanken. Im Sommer 1929 entdeckte John Zachary Young, als er an der Zoologischen Station in Neapel mit Kalmaren arbeitete, eine Gruppe von Neuronen, aus denen bis zu einem Millimeter dicke Nervenfasern entspringen. Er erkannte sofort, dass sich in diese Riesenfasern Elektroden implantieren lassen. Das erlaubte es, zu entschlüsseln, wie Nervenzellen elektrische Impulse produzieren.

Young interessierte sich jedoch vor allem für die Kognition. Zusammen mit seinem Kollegen Brian Boycott fand er Verhaltenshinweise auf ein Kurz- und Langzeitgedächtnis beim Oktopus – genau wie andere Wissenschaftler jener Zeit beim Menschen. Aber trotz Youngs hochgelobter Arbeit wurden Tintenfische nie zu einem verbreiteten Modell für die Erforschung der Kognition. Ein Grund dafür war laut Ragsdale, dass die Untersuchung des Gehirns von Kopffüßern eine enorme technische Herausforderung darstellte. Boycott beispielsweise versuchte 17 Jahre lang vergeblich, neuronale Signale bei lebenden Tieren zuverlässig aufzuzeichnen, und war schließlich so frustriert, dass er die Forschung auf dem Gebiet aufgab.

Auch sonst sind Kopffüßer nicht einfach zu handhaben, sagt der Cephalopoden-Forscher Graziano Fiorito von der Zoologischen Station Neapel. Kraken pflanzen sich beispielsweise in Gefangenschaft praktisch nie fort, was bedeutet, dass Wissenschaftler auf wild gefangene Tiere angewiesen sind. Nach und nach erwiesen sich daher andere Modellarten wie der Zebrafisch als attraktiver. Ab den 1970er-Jahren boten zudem die Meeresschnecke Aplysia und weitere Organismen mit einfacheren Gehirnen besser handhabbare Modelle für die Erforschung des Gedächtnisses auf neuronaler Ebene.

Immerhin: In manchen spezialisierten Einrichtungen wie dem US-amerikanischen Marine Biology Laboratory in Woods Hole wurden Kopffüßer weiterhin untersucht. Und einige Neurowissenschaftler wechselten sogar von herkömmlichen Modellorganismen zur Erforschung von Kraken.

Alle Wege führen nach Rom

Ihre Arbeit zeigte, dass ein von Wirbeltieren drastisch abweichender Körperbau auch zu deutlichen Unterschieden im Nervensystem führt. Kopffüßer besitzen keine Knochen, die Kontraktion, Kraft oder Steifigkeit in ihren Armen ermöglichen. Infolgedessen unterliegt ihr motorisches System ganz anderen Einschränkungen als das eines Wirbeltiers, erklärt Benny Hochner. Der Neurowissenschaftler von der Hebräischen Universität Jerusalem erforscht seit den 1990er-Jahren die Bewegung und das Gedächtnis von Oktopoden. Diese Unterschiede führen zu grundlegend anderen Mechanismen für die Planung und Ausführung von Bewegungen.

Beim Gedächtnis gibt es jedoch einige auffällige Parallelen zwischen Kopffüßern und Wirbeltieren. So ließ sich beispielsweise zeigen, dass bestimmte Bereiche des Oktopushirns eine Form der synaptischen Verstärkung nutzen, die dem entsprechenden Prozess bei Säugetieren ähnelt. Dieser gilt als Grundlage für die Bildung neuer Erinnerungen. Dahinter stecken aber ganz verschiedene molekulare Mechanismen. »Ich sehe da eine schöne Konvergenz, die auf völlig unterschiedlichen Wegen erreicht wurde«, sagt Hochner.

Für ihre Studie stützte sich Hochners Team auf eine Methode aus der Forschung an Säugetieren: die neurophysiologische Untersuchung von Hirnschnitten, die in Kulturschalen am Leben gehalten werden. Das ist nur ein Beispiel dafür, wie Neurowissenschaftler heute versuchen, jene Technologien und Präzisionswerkzeuge anzupassen, die bereits routinemäßig in der Säugetierbiologie eingesetzt werden.

Einer der ersten Bausteine im modernen Werkzeugkasten für Kopffüßer war die Sequenzierung eines Oktopus-Genoms, die 2015 von Albertin, Ragsdale und weiteren Forschern veröffentlicht wurde. Sie stellten dabei unter anderem fest, dass zwei große Genfamilien, die bei Wirbeltieren eine entscheidende Rolle bei der Musterbildung des Nervensystems spielen, sich beim Oktopus in ähnlicher Weise etabliert hatten, wenngleich durch verschiedene Mechanismen. Darüber hinaus hat die Studie laut Ragsdale aber auch ein Signal an alle gesendet, die sich für diese Lebewesen interessieren: Der Oktopus war gewissermaßen im molekularbiologischen Zeitalter angekommen. Seitdem haben sich Fachleute mit unterschiedlichsten Spezialisierungen dem expandierenden Forschungsgebiet angeschlossen. Viele davon wollen herausfinden, wie ein Prozess, den sie bereits bei Mäusen und anderen Modellorganismen untersucht haben, bei Kopffüßern funktioniert.

Von Wirbeltieren zu Tintenfischen

So hat der Neurowissenschaftler Ivan Soltesz von der Stanford University in Palo Alto erforscht, wie Säugetiere mithilfe einer Gruppe von Neuronen im Hippocampus navigieren. Diese »Ortszellen« feuern, wenn sich das Tier an einer bestimmten Stelle befindet. Seine Fragen bezüglich Tintenfische waren ziemlich einfach: Wie navigieren sie? Haben sie Ortszellen?

Gilles Laurent wiederum analysierte bei Säugern, Fischen und Fliegen, wie deren Umgebung in Hirnbereichen repräsentiert ist, die sensorische Informationen verarbeiten. Nun erweitert er seine Studien, indem er die Tarnung von Tintenfischen betrachtet. Kopffüßer steuern die Farbe und das Muster ihrer Haut direkt durch neuronale Aktivität und können so ihr Äußeres an ihre Umgebung angleichen. Das gibt einen Einblick in die Hirnaktivität, die durch die Wahrnehmung hervorgerufen wird.

2023 zeigte Laurents Gruppe, dass sich Sepien innerhalb weniger Sekunden optimal an ihre Umgebung anpassen, indem sie mehrere Zyklen durchlaufen, die sich der bestmöglichen Lösung immer mehr annähern. Er erforscht inzwischen, wie die Tiere die Qualität jedes Anpassungsversuchs bewerten, um per Rückkopplung ihre Tarnung weiter zu verbessern. Wie ein japanisches Team im selben Jahr zeigte, durchlaufen Kraken im Schlaf Phasen schneller Hautfarbenwechsel, was darauf hindeutet, dass sie möglicherweise träumen.

Cristopher Niells Labor untersucht das Sehen sowohl bei Mäusen als auch bei Kraken. Bei Letzteren hat es sich auf den Sehlappen konzentriert, der als erste Station der visuellen Verarbeitung grob der Netzhaut von Wirbeltieren entspricht. 2022 analysierte sein Team die Genexpression einzelner Neurone in dieser Hirnregion und identifizierte dadurch sechs Hauptklassen von Zellen. Anhand der räumlichen Verteilung der Zellen entdeckten die Fachleute eine bisher unbekannte schichtartige Organisation. Daraufhin schauten sie sich die neuronalen Reaktionen auf visuelle Reize an.

Dabei offenbarten sich neben all den Unterschieden einige Ähnlichkeiten zwischen Kraken und anderen Tieren. So fanden die Forscher im Gehirn des Oktopus eine Karte des visuellen Raums, wie sie im Tierreich weitverbreitet ist. Und die Kopffüßer verfügen genau wie Säugetiere über Neurone, die spezifisch auf bestimmte visuelle Merkmale reagieren, etwa die Ausrichtung von Linien oder Gittern.

Als Benny Hochners Team ein partielles Konnektom – eine detaillierte Karte der synaptischen Verbindungen zwischen Neuronen – für den vertikalen Lappen des Oktopus erstellte, entdeckte es ebenfalls eine Verquickung von Bekanntem und Neuem. So gibt es dort zahlreiche kleine, einfache Nervenzellen, die eine ähnliche Funktion haben dürften wie einzelne Verästelungen komplizierter aufgebauter Neurone bei Säugetieren.

Alles ein bisschen schwieriger

Nicht jede bei anderen Tieren angewandte Technik ließ sich leicht auf Kopffüßer übertragen. Probleme bereitet beispielsweise eine Methode, die Signale von einer großen Anzahl einzelner Neurone aufzeichnen soll. Bei Säugern brachten solche In-vivo-Aufnahmen das Forschungsgebiet entscheidend voran. Mit diesen Techniken lässt sich untersuchen, wie Neurone auf Reize reagieren und Verhalten erzeugen.

Doch, wie Niell sagt und Boycott bereits vor Jahrzehnten feststellte, »ist bei Kopffüßern alles ein bisschen schwieriger«. Da Cephalopoden keinen Schädel haben, gibt es auch keine harte Oberfläche, an der Elektroden befestigt werden könnten. Zudem: Wenn etwas aus dem Kopf eines Oktopus herausragt, wird das Tier wahrscheinlich danach greifen und es entfernen. Grundlegender noch, so Ivan Soltesz, erschweren die geringe Größe der meisten Neurone von Kopffüßern und ihre elektrischen Eigenschaften die Aufzeichnung der Signale. Immerhin konnten seine Gruppe und andere in letzter Zeit gewisse Fortschritte beim Erfassen der gemittelten Aktivität kleiner Zellgruppen erzielen.

Es gibt außerdem weitere Besonderheiten. Viele Kopffüßerarten können ihre Farbe ändern, um sich zu tarnen. Aber da Kraken ausgesprochene Verrenkungskünstler sind, erschweren es ihre flexiblen Körper, Pigmentierungs- und Musterveränderungen zu verfolgen. Daher verwenden Tessa Montague und andere Fachleute Sepien, weil sich deren flache Körper leichter abbilden lassen.

»Das Nervenstrangsystem im Arm eines Oktopus sieht aus wie ein wirrer, grauer Spaghettihaufen«Robyn Crook, Cephalopoden-Neurobiologin

Neben den vielen methodischen Hürden birgt die Erforschung dieser leistungsstarken Gehirne auch eine Reihe ethischer Herausforderungen. In der wissenschaftlichen Forschung verwendete Wirbeltiere genießen starken rechtlichen Schutz, bei Wirbellosen sieht das jedoch anders aus. Die Gesetze zur Pflege und zum Wohlergehen von Kopffüßern variieren weltweit deutlich. »In Japan und den USA gibt es keine gesetzlichen Anforderungen bezüglich Ethik«, erklärt Courtney, »während in Europa und Großbritannien ziemlich strenge ethische Vorgaben gelten.« Die höheren Anforderungen entsprechen den gesetzlichen Schutzmaßnahmen für in der Forschung verwendete Wirbeltiere, einschließlich angemessener Betäubung und Schmerzlinderung bei Bedarf.

Ethisches Minenfeld

In Europa und im Vereinigten Königreich wurden in den 2010er-Jahren Schutzmaßnahmen eingeführt, wobei Fiorito und andere Fachleute Richtlinien für die Pflege von Kopffüßern zur Verfügung stellten. In den Vereinigten Staaten gerieten entsprechende Bemühungen jedoch ins Stocken, sodass Labore dort und anderswo nur begrenzten gesetzlichen Verpflichtungen unterliegen. Die für diesen Artikel interviewten Forscher aus den USA gaben allerdings an, sie hielten sich freiwillig an die europäischen Vorgaben.

Doch selbst die größten Bemühungen, eine Versorgung auf höchstem Niveau zu gewährleisten, stoßen an Grenzen. So lässt sich bei Kopffüßern beispielsweise nur eingeschränkt Schmerz lindern. Robyn Crooks Forschung stützt die Annahme, dass Kopffüßer Schmerzen empfinden. Aber, so sagt sie, keine der für Säugetiere entwickelten Schmerzmittel scheinen bei Cephalopoden zu funktionieren und auch Lokalanästhetika wirken nur begrenzt. Crook sucht nach Wirkstoffen, die Schmerzen bei Kopffüßern effektiver dämpfen, und findet, dass sich auch andere an diesen Bemühungen beteiligen sollten. Die Entwicklung eines Tiermodells ohne tieferes Wissen darüber, wie man Leiden minimiert, »ist ein ethisches Minenfeld«, meint sie.

Trotz solcher Bedenken arbeiten Crook und andere voller Begeisterung daran, Tiermodelle für Cephalopoden weiter zu etablieren. Im Gegensatz zu den nur allmählichen Fortschritten bei anderen Modellorganismen werden viele Techniken zeitgleich einsatzfähig. »Die Tatsache, dass sich alle gleichzeitig damit beschäftigen, finde ich faszinierend«, sagt Crook. »Das ist ein wirklich ganz anderer Weg, um ein neurowissenschaftliches Forschungsfeld aufzubauen.«