Niall Firth
Stefan Siebert a Charles David
Bylo živě zaznamenáno blikání každého neuronu v těle zvířete. Průlom v zobrazování nervové soustavy hydry – drobného průhledného tvora příbuzného medúzám – při jejích záškubech a pohybech umožnil nahlédnout do toho, jak taková jednoduchá zvířata ovládají své chování.
Podobné techniky by nám jednoho dne mohly pomoci hlouběji pochopit, jak funguje náš vlastní mozek. „Mohlo by to být důležité nejen pro lidský mozek, ale pro neurovědu obecně,“ říká Rafael Yuste z Kolumbijské univerzity v New Yorku.
Místo mozku má hydra nejzákladnější nervový systém v přírodě, nervovou síť, v níž jsou neurony rozprostřeny po celém jejím těle. Přesto vědci stále nevědí téměř nic o tom, jak několik tisíc neuronů hydry vzájemně působí a vytváří její chování.
Reklama
Aby to zjistili, Yuste a jeho kolega Christophe Dupre geneticky upravili hydry tak, aby jejich neurony v přítomnosti vápníku zářily. Protože koncentrace vápenatých iontů stoupá, když jsou neurony aktivní a vysílají signál, Yuste a Dupre dokázali propojit chování s aktivitou ve svítících obvodech neuronů.
Například obvod, který se zřejmě podílí na trávení v dutině podobné žaludku hydry, se aktivoval, kdykoli zvíře otevřelo ústa, aby se nakrmilo. Tento obvod může být předkem naší střevní nervové soustavy, naznačuje dvojice.
Neurální kód
Druhý obvod se spustí, když hydra stáhne své tělo do klubíčka, aby se ukryla před predátory. Třetí z nich zřejmě vnímá světlo a může zvířeti pomoci poznat, kdy má jíst – přestože jsou hydry slepé, potřebují k lovu světlo a více toho dělají ráno.
Tým zjistil, že žádný neuron nebyl členem více než jednoho okruhu. To naznačuje, že se u zvířete vyvinuly odlišné sítě pro každý reflex – primitivní uspořádání, mnohem méně složité než naše vlastní propojené nervové soustavy.
Přesto je hydra prvním krokem k prolomení nervového kódu – způsobu, jakým nervová aktivita určuje chování, říká Yuste. „Hydry mají nejjednodušší ‚mozek‘ v historii Země, takže bychom mohli mít šanci pochopit nejprve ty a pak tyto poznatky aplikovat na složitější mozky,“ říká.
Yuste doufá, že pozorování fungování obvodů v reálném čase by mohlo vést k novým poznatkům o lidském mozku a říci nám více například o duševních chorobách, jako je schizofrenie. „Nemůžeme pacienty léčit, dokud nebudeme vědět, jak systém funguje,“ říká.“
Yuste byl jedním z několika neurovědců, včetně George Churche z Harvardovy univerzity, kteří v roce 2012 zahájili projekt Mapy mozkové aktivity. Byla to výzva k neurovědcům, která je vyzývala, aby zaznamenávali aktivitu každého neuronu v lidském mozku. Projekt tvoří hlavní pilíř miliardové iniciativy BRAIN, kterou v roce 2013 zahájila administrativa prezidenta Obamy.
Aha moment
Hydra je nyní prvním živočichem, který má jednu z těchto map vytvořenou pro celé tělo, i když podobným způsobem byla zmapována i aktivita celého mozku zebřiček. Tato práce je „úžasným milníkem, který stojí za oslavu“, říká Church. Rozšíření na hlodavce nebo primáty však podle něj bude velmi náročné.
Dale Purves, neurovědec z Duke Institute for Brain Sciences v Severní Karolíně, pochybuje, zda se zvíře ukáže jako užitečné pro pochopení nás samých. „Musíte se ptát: je to zvíře, které se připojí k ovocné mušce, červu a myši jako modelový organismus, na který se budeme dívat při snaze o lepší pochopení nervové soustavy?“ říká. „Moje odpověď by bohužel zněla ne.“
Ale Yuste nyní spolupracuje se sedmi dalšími týmy na rozluštění nervového kódu hydry. Chtějí tak dokonale porozumět způsobu, jakým její neurony reagují, aby mohli pomocí počítačového modelu předpovídat její chování jen na základě její nervové aktivity.
„Jedním z našich snů je dostat se v neurovědě do takového bodu, kam se dostala genetika, když vyřešila dvojitou šroubovici DNA,“ říká Yuste. Zatímco někteří naznačují, že mozek je na to příliš složitý, Yuste je optimistický. „Doufám, že se to stane ještě za našeho života a bude to aha moment, kdy se skládačka spojí dohromady,“ říká.
Odkaz na časopis: Current Biology, DOI: 10.1016/j.cub.2017.02.049
Přečtěte si více: „Stručná historie mozku“
Náš mozek prošel klikatou cestou vývoje přes tvory, kteří plavali, plazili se a chodili po zemi dávno před námi. Zde je několik těchto živočichů a to, jak z nás pomohli udělat to, čím jsme.
Hydra
Naši jednobuněční předkové měli důmyslné zařízení pro vnímání a reakce na okolní prostředí. Jakmile vznikli první mnohobuněční živočichové, bylo toto ústrojí přizpůsobeno komunikaci mezi buňkami. Specializované buňky, které dokázaly přenášet zprávy pomocí elektrických impulsů a chemických signálů – první nervové buňky – vznikly velmi brzy.
První neurony byly pravděpodobně propojeny v rozptýlené síti po celém těle tvora, jako je tato hydra. Tento druh struktury, známý jako nervová síť, lze dodnes pozorovat v chvějících se tělech medúz a mořských sasanek.
Urbile
Když se skupiny neuronů začaly shlukovat dohromady, mohly být informace zpracovávány, nikoli pouze předávány, což živočichům umožnilo pohybovat se a reagovat na prostředí stále důmyslnějšími způsoby. Nejvíce specializované skupiny neuronů – první struktura podobná mozku – se vyvinuly v blízkosti úst a primitivních očí.
Podle mnoha biologů se tak stalo u červovitého tvora známého jako urbilaterium, předka většiny žijících živočichů včetně obratlovců, měkkýšů a hmyzu.
Mozek mihulí
Více specializované oblasti mozku vznikly u raných ryb, z nichž některé se podobaly žijícím mihulím. Jejich aktivnější, plovoucí způsob života vedl k tomu, že se v mozku vytvářel tlak na páření, hledání potravy a vyhýbání se predátorům.
Mnoho z těchto základních struktur se dodnes nachází v našem mozku: optické tektum, které se podílí na sledování pohybujících se objektů očima; amygdala, která nám pomáhá reagovat na situace, kdy se bojíme; části limbického systému, který nám dává pocit odměny a pomáhá ukládat vzpomínky; a bazální ganglia, která řídí vzorce pohybů.
Mozek obojživelníků
V určitém období mezi přesunem prvních obojživelníků na souš a vývojem savců vznikl neokortex – další vrstvy nervové tkáně na povrchu mozku. Tato část mozku se později nesmírně rozšířila a je zodpovědná za složitost a flexibilitu savců – včetně nás.
Jak a kdy se neokortex poprvé vyvinul, však zůstává záhadou. U živých obojživelníků nemůžeme vidět ekvivalentní strukturu mozku a ani fosilie nám příliš nepomáhají: mozky obojživelníků a plazů nevyplňují celou lebeční dutinu, takže pozůstatky těchto živočichů nám o tvaru jejich mozku říkají jen málo.
Primární mozek savců
Mozky savců se v poměru k jejich tělu stále zvětšovaly, jak se snažili přežít ve světě ovládaném dinosaury.
CT skeny fosilních savců podobných rypošům odhalily, že první oblastí, která se napumpovala, byl čichový bulbus, což naznačuje, že savci byli do značné míry závislí na svém čichu. Velký nárůst zaznamenaly také oblasti neokortexu, které mapují hmatové vjemy – pravděpodobně zejména třepení srsti, což naznačuje, že důležitý byl i hmat. Tato zjištění krásně zapadají do představy, že první savci si osvojili noční způsob života, který jim pomohl vyhnout se dinosaurům.
Mozek šimpanzů
Po zániku dinosaurů se předkové primátů vydali na stromy. Pronásledování hmyzu kolem stromů vyžadovalo dobrý zrak, což vedlo k rozšíření zrakové části neokortexu. Největší mentální výzvou pro primáty však mohlo být sledování jejich společenského života, což by mohlo vysvětlovat obrovské rozšíření čelních oblastí neokortexu primátů.
Tyto čelní oblasti se také lépe propojily, a to jak uvnitř sebe, tak s dalšími částmi mozku, které se zabývají smyslovými vjemy a řízením motoriky. To vše vybavilo primáty tak, aby mohli zpracovávat více příchozích informací a vymýšlet chytřejší způsoby, jak na ně reagovat. Jedna linie primátů, lidoopi, se stala obzvláště mozkově zdatnou.
Lidský mozek
Vědci si dříve mysleli, že převzetí na dvě nohy způsobilo, že velikost lidského mozku předstihla naše primátí bratrance orangutany, gorily a šimpanze. Fosilní nálezy však ukazují, že miliony let poté, co se první hominidé stali dvounohými, měli stále malé mozky.
Je to teprve přibližně 2,5 milionu let, kdy se naše mozky začaly zvětšovat. Stále nevíme proč, ale je možné, že mutace oslabila čelistní svaly našich předků a umožnila rozšíření lebky.
Jakmile jsme byli dostatečně chytří, abychom si vyvinuli nástroje a našli bohatší stravu, mohl se spustit pozitivní zpětný efekt, který vedl k dalšímu rozšíření mozku. Dostatek živin je pro velký mozek nezbytný a chytrá zvířata mají větší šanci je najít.
Celkový obraz je obrazem stále se rozšiřujícího mozku díky souhře stravy, kultury, technologie, jazyka a genů. Díky tomu vznikl moderní lidský mozek v Africe zhruba před 200 000 lety. za posledních 15 000 let se však průměrná velikost lidského mozku vzhledem k našemu tělu zmenšila o 3 nebo 4 procenta.
Chcete-li zjistit proč a přečíst si více o evoluční cestě mozku, přečtěte si „Stručnou historii mozku“.
Více o těchto tématech:
- neurověda
- mozek
- duševní zdraví