Af Niall Firth
Stefan Siebert og Charles David
Der er blevet optaget hver eneste neuron i et dyrs krop, der affyrer, live. Gennembruddet med at afbilde nervesystemet hos en hydra – et lille gennemsigtigt væsen, der er beslægtet med vandmænd – mens den rykker sig og bevæger sig, har givet indsigt i, hvordan sådanne simple dyr styrer deres adfærd.
Samme teknikker kan måske en dag hjælpe os til at få en dybere forståelse af, hvordan vores egen hjerne fungerer. “Det kunne være vigtigt ikke kun for den menneskelige hjerne, men for neurovidenskaben generelt,” siger Rafael Yuste fra Columbia University i New York.
I stedet for en hjerne har hydra det mest grundlæggende nervesystem i naturen, et nervetværk, hvor neuroner er spredt ud over hele kroppen. Alligevel ved forskerne stadig næsten intet om, hvordan hydraens få tusinde neuroner interagerer for at skabe adfærd.
Anvisning
For at finde ud af det modificerede Yuste og kollegaen Christophe Dupre hydra genetisk, så deres neuroner lyste op i nærvær af calcium. Da koncentrationen af calciumioner stiger, når neuroner er aktive og afgiver et signal, kunne Yuste og Dupre relatere adfærd til aktivitet i lysende kredsløb af neuroner.
For eksempel blev et kredsløb, der synes at være involveret i fordøjelsen i hydraens mave-lignende hulrum, aktivt, når dyret åbnede munden for at spise. Dette kredsløb kan være en forfader til vores tarmenervesystem, antyder parret.
Neuralkode
Et andet kredsløb aktiveres, når hydraen trækker sin krop sammen til en kugle for at gemme sig for rovdyr. Et tredje ser ud til at opfatte lys og kan være med til at lade dyret vide, hvornår det skal spise – på trods af at de er blinde, har hydraer brug for lys for at jage, og de gør mere af dette om morgenen.
Teamet fandt ud af, at ingen neuron var medlem af mere end ét kredsløb. Det tyder på, at dyret har udviklet forskellige netværk til hver enkelt refleks – et primitivt arrangement, der er langt mindre komplekst end vores egne sammenkoblede nervesystemer.
Den hydra er ikke desto mindre det første skridt i retning af at bryde den neurale kode – den måde, hvorpå den neurale aktivitet bestemmer adfærden, siger Yuste. “Hydra har den enkleste “hjerne” i jordens historie, så vi har måske en chance for at forstå dem først og derefter anvende disse erfaringer på mere komplicerede hjerner,” siger han.
Yuste håber, at det at se, hvordan kredsløbene fungerer i realtid, kan føre til ny indsigt i den menneskelige hjerne og fortælle os mere om psykiske sygdomme som f.eks. skizofreni. “Vi kan ikke helbrede patienterne, før vi ved, hvordan systemet fungerer,” siger han.
Yuste var en af flere neurovidenskabsfolk, herunder George Church fra Harvard University, som lancerede Brain Activity Map Project i 2012. Det var et opråb til neurovidenskabsfolk, der opfordrede dem til at registrere aktiviteten af hver eneste neuron i den menneskelige hjerne. Projektet udgør den centrale del af det milliardstore BRAIN-initiativ, der blev lanceret af præsident Obamas regering i 2013.
Aha-moment
Hydraen er nu det første dyr, der har fået skabt et af disse kort for hele kroppen, selv om aktiviteten i hele hjernen hos zebrafisk også er blevet kortlagt på en lignende måde. Arbejdet er en “fantastisk milepæl, der er værd at fejre”, siger Church. Men det vil være en stor udfordring at opskalere dette til gnavere eller primater, siger han.
Dale Purves, der er neurovidenskabsmand ved Duke Institute for Brain Sciences i North Carolina, tvivler på, om dyret vil vise sig at være nyttigt til at forstå os selv. “Man er nødt til at spørge: Er dette et dyr, der vil slutte sig til frugtfluen, ormen og musen som en modelorganisme at se på i bestræbelserne på at forstå nervesystemet bedre?” siger han. “Mit svar ville desværre være nej.”
Men Yuste samarbejder nu med syv andre hold om at afkode hydraens neurale kode. De ønsker at få en så fuldstændig forståelse af den måde, hvorpå dens neuroner affyres, at de kan bruge en beregningsmodel til at forudsige dens adfærd alene ud fra dens neurale aktivitet.
“En af vores drømme er at nå til det punkt i neurovidenskaben, som genetikerne nåede til, da de fandt ud af DNA-dobbeltspiralen,” siger Yuste. Selv om nogle har antydet, at hjernen er for kompliceret til det, er Yuste optimistisk. “Jeg håber, at det vil ske i vores levetid, og at det vil være et aha-øjeblik, når puslespillet bliver samlet,” siger han.
Journal reference: Current Biology, DOI: 10.1016/j.cub.2017.02.049
Læs mere: “En kort historie om hjernen”
Vores hjerner har fulgt en snoet udviklingsvej gennem skabninger, der svømmede, kravlede og gik på jorden længe før os. Her er nogle af disse dyr, og hvordan de var med til at gøre os til det, vi er.
Hydra
Vores encellede forfædre havde et sofistikeret maskineri til at opfatte og reagere på omgivelserne. Da de første flercellede dyr opstod, blev dette maskineri tilpasset til kommunikation fra celle til celle. Der opstod meget tidligt specialiserede celler, der kunne overføre meddelelser ved hjælp af elektriske impulser og kemiske signaler – de første nerveceller.
De første neuroner var sandsynligvis forbundet i et diffust netværk over hele kroppen hos et væsen som denne hydra. Denne form for struktur, kendt som et nervetværk, kan stadig ses i de dirrende kroppe hos vandmænd og søanemoner.
Urbilaterian
Når grupper af neuroner begyndte at klumpe sig sammen, kunne information behandles i stedet for blot at blive videresendt, hvilket satte dyrene i stand til at bevæge sig og reagere på omgivelserne på stadig mere sofistikerede måder. De mest specialiserede grupper af neuroner – den første hjernelignende struktur – udviklede sig nær munden og de primitive øjne.
Efter mange biologer skete dette hos et ormelignende væsen, der er kendt som urbilaterianeren, som er forfader til de fleste levende dyr, herunder hvirveldyr, bløddyr og insekter.
Lampyrhjerne
Mere specialiserede hjerneområder opstod i tidlige fisk, hvoraf nogle lignede de nulevende lampretter. Deres mere aktive, svømmende livsstil førte til et hjerneopbyggende pres for at parre sig, finde føde og undgå rovdyr.
Mange af disse kernestrukturer findes stadig i vores hjerner: det optiske tektum, der er involveret i at spore bevægelige objekter med øjnene; amygdalaen, der hjælper os med at reagere på frygtfulde situationer; dele af det limbiske system, der giver os følelser af belønning og hjælper med at fastlægge minder; og de basale ganglier, der styrer bevægelsesmønstre.
Amfibiehjerne
På et tidspunkt mellem de første amfibier, der flyttede ind på land, og udviklingen af pattedyr, opstod neocortex – ekstra lag af nervevæv på hjernens overflade. Denne del af hjernen udvidede sig senere enormt og er ansvarlig for pattedyrenes kompleksitet og fleksibilitet – herunder os.
Men hvordan og hvornår neocortexet først udviklede sig, er stadig et mysterium. Vi kan ikke se en tilsvarende hjernestruktur hos levende padder, og fossiler hjælper heller ikke meget: Padder og krybdyrs hjerner fylder ikke hele deres kraniehule, så resterne af disse dyr fortæller os kun lidt om deres hjernes form.
Primitive pattedyrs hjerne
Pattedyrs hjerner blev stadig større i forhold til deres kroppe, da de kæmpede for at overleve i en verden domineret af dinosaurer.
CT-scanninger af fossile pattedyr, der ligner spidsmus, har afsløret, at det første område, der blev pumpet op, var lugtesansen, hvilket tyder på, at pattedyr var stærkt afhængige af deres lugtesans. De regioner i neocortex, der kortlægger taktile fornemmelser – sandsynligvis især hårets rynken – fik også et stort løft, hvilket tyder på, at berøringssansen også var vigtig. Disse resultater passer fint med tanken om, at de første pattedyr indførte en natlig livsstil for at hjælpe dem med at undvige dinosaurerne.
Chimpansehjerne
Efter dinosaurernes uddøen tog forfædrene til primatdyrene ud i træerne. At jage insekter rundt i træerne krævede et godt syn, hvilket fik den visuelle del af neocortex til at udvide sig. Den største mentale udfordring for primater kan dog have været at holde styr på deres sociale liv, hvilket kan forklare den enorme udvidelse af de frontale regioner i primaternes neocortex.
Disse frontale regioner blev også bedre forbundet, både inden for sig selv og med andre dele af hjernen, der beskæftiger sig med sanseindtryk og motorisk kontrol. Alt dette gjorde primaterne i stand til at håndtere flere indkommende informationer og finde på smartere måder at handle på dem. En af primaternes slægt, de store aber, blev særlig intelligent.
Menneskehjernen
Forskere troede tidligere, at det at få to ben fik menneskets hjerne til at blive større end vores primatefætre, orangutangerne, gorillaerne og chimpanserne, til at overgå hinanden. Fossile fund viser imidlertid, at millioner af år efter at de tidlige hominider blev tobenede, havde de stadig små hjerner.
Det var først for omkring 2,5 millioner år siden, at vores hjerner begyndte at blive større. Vi ved stadig ikke hvorfor, men det er muligt, at en mutation svækkede vores forfædres kæbemuskler og gjorde det muligt for vores kranier at udvide sig.
Når vi blev kloge nok til at udvikle redskaber og finde en rigere kost, kan en positiv feedback-effekt have sat ind og ført til en yderligere udvidelse af hjernen. Masser af næringsstoffer er afgørende for en stor hjerne, og kloge dyr har bedre mulighed for at finde dem.
Det overordnede billede er et billede af en hjerne, der hele tiden udvides, takket være samspillet mellem kost, kultur, teknologi, sprog og gener. Det er det, der førte til, at den moderne menneskehjerne opstod i Afrika for ca. 200.000 år siden.
Den gennemsnitlige størrelse af den menneskelige hjerne i forhold til vores krop er dog i de seneste 15.000 år skrumpet med 3-4 procent.
For at finde ud af hvorfor og læse mere om hjernens evolutionære rejse kan du læse “En kort historie om hjernen”.
Mere om disse emner:
- neurovidenskab
- hjerner
- mental sundhed