Hvordan utviklet nervesystemene seg?

Nevroner og synapser oppstod ikke fra ingenting. Mange av de molekylære systemene som nevroner bruker i dag – for å sanse omgivelsene, kommunisere mellom celler, frigjøre signalstoffer og respondere på dem – har langt eldre evolusjonære røtter. Vi ønsker å forstå hvordan disse eldgamle cellulære mekanismene ble satt sammen, modifisert og tatt i bruk på nye måter under fremveksten av nevroner og nervesystemer, og hvordan de senere ga opphav til det bemerkelsesverdige mangfoldet av nervesystemer vi finner hos dyr.

Forskningen vår spenner fra molekylært og cellulært nivå til hele organismen. Vi undersøker den evolusjonære opprinnelsen til nevronale signalmekanismer, fremveksten av nevronlignende celletyper og synapser, samt funksjonen til ukonvensjonelle nervesystemer som utfordrer tradisjonelle forestillinger om hvordan nevroner skal være organisert og koblet sammen.

Vi er spesielt interessert i:

• De dype evolusjonære røttene til nevronal signalering – hvordan eldgamle systemer for sekresjon, eksitabilitet, celle–celle-kommunikasjon og sensorisk signalering ble til komponenter i nevroner og synapser.
• Fremveksten av nevroner og synapser – hvordan eksisterende molekylære moduler ble kombinert og reorganisert til spesialiserte signalceller og celleforbindelser.
• Nervesystemenes evolusjon og diversifisering – hvordan ulike dyregrupper utviklet forskjellige nevrale arkitekturer, signalstrategier og måter å bearbeide informasjon på.
• Hva ukonvensjonelle organismer kan lære oss om dyrebiologi – ved å bruke eksperimentelt tilgjengelige modellsystemer til å avdekke grunnleggende prinsipper for cellulær organisering, kommunikasjon, utvikling og plastisitet.

For å undersøke disse spørsmålene fokuserer vi på organismer som gir unike innblikk i den tidlige evolusjonen av cellulær kommunikasjon hos dyr. Disse inkluderer krageflagellater (choanoflagellater), de nærmeste nålevende encellede slektningene til dyr, og ribbemaneter (ctenophorer), dyr med svært særegne nevroner, synapser og nervesystemarkitekturer.

Vi kombinerer komparativ genomikk og studier av proteiners evolusjon med eksperimentelle tilnærminger for å undersøke det molekylære, cellulære og funksjonelle grunnlaget for nervesystemenes evolusjon.

Ved å sammenligne cellulære systemer på tvers av disse organismene ønsker vi å avdekke hvordan eldgamle former for cellekommunikasjon bidro til opprinnelsen til nervesystemer – og hvordan evolusjonen siden har fortsatt å finne nye måter dyreceller kan kommunisere, kobles sammen og styre atferd på.

Jeg er aktivt engasjert i forskningsformidling til et bredt publikum, med særlig fokus på evolusjonen av nervesystemer, ribbemaneter og krageflagellater, samt opprinnelsen til cellekommunikasjon hos dyr.

Forskningen vår har fått omfattende internasjonal medieomtale, blant annet i store internasjonale medier som The New York Times, CNN, BBC, The Guardian, Deutsche Welle og CBC, samt i ledende vitenskapsmedier som National Geographic, Nature, Science, Quanta Magazine, Scientific American og New Scientist. Blant nyere høydepunkter er Discover Magazine sitt sommernummer i 2026 med forsideartikkelen Brainless, i tillegg til omfattende internasjonal omtale av arbeidet vårt med det syncytiale nervesystemet hos ribbemaneter og reversert utvikling hos Mnemiopsis leidyi.

Sammen med forskningsgruppen min formidler jeg også forskning direkte til publikum gjennom utstillinger, forskningsfestivaler, skolebesøk, offentlige foredrag og samarbeid med museer og akvarier. Aktivitetene har blant annet omfattet Jellyfish Unveiled ved Universitetsmuseet i Bergen, samt samarbeid med Akvariet i Bergen og Paris Aquarium, der ribbemaneter fra vår egen fasilitet har vært vist fram for publikum.

Forskningsgruppen vår har også utviklet et eget ORIGINEURO-program for forskningsformidling, med interaktive aktiviteter om evolusjon, nervesystemer og ribbemaneter for målgrupper fra skoleelever til allmennheten.

Les mer om vår forskningsformidling og våre outreach-aktiviteter

Jeg underviser i følgende emner ved Universitetet i Bergen:

• BIO103 – Cell Biology & Genetics
• BIO210 – Evolutionary Biology
• MOL214 – Molecular Biology of the Nervous System
• MOL213 – Developmental Genetics

Selected publications

A complete publication list is available on Google Scholar and ORCID.

Ferraioli A, Burkhardt P (2026) Evolution: Ancient monoamines in a neuron-less animal. Current Biology 36: R850–R852.

Styfhals R, Burkhardt P (2026) Body-plan organizer in comb jellies hints at animal ancestry. Nature 655: 855–856.

Ferraioli A, Digel L, Sturm D, Colgren J, Le Goff C, Jan A, Soto-Angel JJ, Naumann B, Kittelmann M, Burkhardt P (2026) The 3D architecture of the ctenophore aboral organ and the evolution of complex integrative centers in animals. Science Advances 12: eaea8399.

Colgren JJ, Burkhardt P (2026) The evolutionary origins of synaptic proteins and their changing roles in different organisms across evolution. Nature Reviews Neuroscience 27: 7–22.

Jokura K, Jasek S, Niederhaus L, Burkhardt P, Jékely G (2026) Neural connectome of the ctenophore statocyst. eLife 14: RP108420.

Kim IV, Navarrete C, Grau-Bové X, Iglesias M, Elek A, Zolotarov G, Bykov NS, Montgomery SA, Ksiezopolska E, Cañas-Armenteros D, Soto-Angel JJ, Leys SP, Burkhardt P, Suga H, de Mendoza A, Marti-Renom MA, Sebé-Pedrós A (2025) Chromatin loops are an ancestral hallmark of the animal regulatory genome. Nature 642: 1097–1105.

Colgren J, Burkhardt P (2025) Electrical signaling and coordinated behavior in the closest relative of animals. Science Advances 11: eadr7434.

Soto-Angel JJ, Burkhardt P (2024) Reverse development in the ctenophore Mnemiopsis leidyi. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 121: e2411499121.

Burkhardt P, Colgren J, Medhus A, Digel L, Naumann B, Soto-Angel JJ, Nordmann EL, Sachkova MY, Kittelmann M (2023) Syncytial nerve net in a ctenophore adds insights on the evolution of nervous systems. Science 380: 293–297.

Burkhardt P (2022) Ctenophores and the evolutionary origin(s) of neurons. Trends in Neurosciences 45: 878–880.

Gahan JM, Kouzel IU, Jansen KO, Burkhardt P, Rentzsch F (2022) Histone demethylase Lsd1 is required for the differentiation of neural cells in Nematostella vectensis. Nature Communications 13: 465.

Sachkova MY, Nordmann EL, Soto-Angel JJ, Meeda Y, Górski B, Naumann B, Dondorp D, Chatzigeorgiou M, Kittelmann M, Burkhardt P (2021) Neuropeptide repertoire and 3D anatomy of the ctenophore nervous system. Current Biology 31: 5274–5285.

Musser JM, Schippers KJ, Nickel M, Mizzon G, Kohn AB, Pape C, Hammel JU, Wolf F, Liang C, Hernández-Plaza A, Achim K, Schieber NL, Francis WR, Vargas S, Kling S, Renkert M, Feuda R, Gaspar I, Burkhardt P, Bork P, Beck M, Kreshuk A, Wörheide G, Huerta-Cepas J, Schwab Y, Moroz LL, Arendt D (2021) Profiling cellular diversity in sponges informs animal cell type and nervous system evolution. Science 374: 717–723.

Göhde R, Naumann B, Laundon D, Imig C, McDonald K, Cooper BH, Varoqueaux F, Fasshauer D, Burkhardt P (2021) Choanoflagellates and the ancestry of neurosecretory vesicles. Philosophical Transactions of the Royal Society B 376: 20190759.

Burkhardt P, Jékely G (2021) Evolution of synapses and neurotransmitter systems: The divide-and-conquer model for early neural cell-type evolution. Current Opinion in Neurobiology 71: 127–138.

Laundon D, Larson BT, McDonald K, King N, Burkhardt P (2019) The architecture of cell differentiation in choanoflagellates and sponge choanocytes. PLoS Biology 17: e3000226.

Burkhardt P, Grønborg M, McDonald K, Sulur T, Wang Q, King N (2014) Evolutionary insights into premetazoan functions of the neuronal protein Homer. Molecular Biology and Evolution 31: 2342–2355.

Meijer M, Burkhardt P, de Wit H, Toonen RF, Fasshauer D, Verhage M (2012) Munc18-1 mutations that strongly impair SNARE-complex binding support normal synaptic transmission. The EMBO Journal 31: 2156–2168.

Burkhardt P, Stegmann CM, Cooper B, Klöpper TH, Imig C, Varoqueaux F, Wahl MC, Fasshauer D (2011) Primordial neurosecretory apparatus identified in the choanoflagellate Monosiga brevicollis. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 108: 15264–15269.

Burkhardt P, Hattendorf DA, Weis WI, Fasshauer D (2008) Munc18 controls SNARE assembly through its interaction with the syntaxin N-peptide. The EMBO Journal 27: 923–933.

ORIGINEURO – Tracking the deep evolutionary origins of neurons

European Research Council (ERC) Consolidator Grant | 2023–2027

ORIGINEURO undersøker hvordan nevroner og nervesystemer oppstod gjennom dyrenes evolusjon. Prosjektet kombinerer molekylære, cellulære og organismiske tilnærminger for å studere det uvanlige nervesystemet hos ribbemaneter og den dypere evolusjonære opprinnelsen til nevronale signalmekanismer. Ved å undersøke hvordan nervesystemer bygges opp, utvikles og fungerer hos disse tidlig forgrenende dyrene, søker ORIGINEURO å avdekke grunnleggende prinsipper for nervesystemenes opprinnelse og diversifisering.

Prosjektleder: Pawel Burkhardt
ERC Consolidator Grant, Grant Agreement No. 101044989

Decoding the gelatinous origins of brain evolution

Human Frontier Science Program (HFSP) Research Grant – Program | 2023–2026

Hvordan behandlet de første dyrenes nervesystemer informasjon og styrte atferd? Dette tverrfaglige prosjektet kombinerer eksperimentell nevrobiologi med teoretiske og beregningsbaserte tilnærminger for å undersøke nevral informasjonsbehandling hos ribbemaneten Mnemiopsis leidyi. Ved å integrere nervesystemets anatomi, atferd, nevral aktivitet og beregningsbasert modellering søker prosjektet å avdekke prinsipper som kan ha formet de tidligste formene for nevral informasjonsbehandling.

Samarbeidsprosjekt med Fred Wolf, University of Göttingen / Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization
HFSP Research Grant – Program, RGP025/2023