Niall Firth
Stefan Siebert ja Charles David
Eläimen jokaisen hermosolun laukaisu on tallennettu suorana. Läpimurto hydran – pienen, läpinäkyvän, meduusoihin sukulaisen olennon – hermoston kuvaamisessa sen nykiessä ja liikkuessa on tarjonnut tietoa siitä, miten tällaiset yksinkertaiset eläimet hallitsevat käyttäytymistään.
Samankaltaiset tekniikat saattavat jonain päivänä auttaa meitä ymmärtämään syvällisemmin, miten omat aivomme toimivat. ”Tämä voi olla tärkeää paitsi ihmisaivojen myös neurotieteen kannalta yleensä”, sanoo Rafael Yuste Columbian yliopistosta New Yorkissa.
Aivojen sijaan hydralla on luonnon yksinkertaisin hermosto, hermoverkko, jossa neuronit levittäytyvät koko sen kehoon. Siitä huolimatta tutkijat eivät vieläkään tiedä juuri mitään siitä, miten hydran muutama tuhat hermosolua vuorovaikutuksessa luovat käyttäytymistä.
mainos
Saadakseen sen selville Yuste ja kollega Christophe Dupre muokkasivat hydraa geneettisesti niin, että niiden neuronit hehkuvat kalsiumin läsnä ollessa. Koska kalsiumionien pitoisuus nousee, kun neuronit ovat aktiivisia ja laukaisevat signaalin, Yuste ja Dupre pystyivät yhdistämään käyttäytymisen aktiivisuuteen neuronien hehkuvissa piireissä.
Esimerkiksi piiri, joka näyttää osallistuvan ruoansulatukseen hydran vatsaontelon kaltaisessa ontelossa, aktivoitui aina, kun eläin avasi suunsa ruokailua varten. Tämä piiri saattaa olla suolistohermostomme esi-isä, parivaljakko ehdottaa.
Neuraalinen koodi
Toinen piiri laukeaa, kun hydra supistaa ruumiinsa palloksi piiloutuakseen saalistajilta. Kolmas näyttää aistivan valoa, ja se saattaa auttaa eläintä tietämään, milloin syödä – sokeudestaan huolimatta hydra tarvitsee valoa metsästääkseen, ja se tekee sitä enemmän aamulla.
Työryhmä havaitsi, että yksikään neuroni ei kuulunut useampaan kuin yhteen piiriin. Tämä viittaa siihen, että eläin on kehittänyt erilliset verkostot kutakin refleksiä varten – alkeellinen järjestely, joka on paljon vähemmän monimutkainen kuin meidän omat toisiinsa kytkeytyneet hermojärjestelmämme.
Hydra on kuitenkin ensimmäinen askel kohti hermokoodin murtamista – tapaa, jolla hermotoiminta määrittää käyttäytymistä, Yuste sanoo. ”Hydralla on maapallon historian yksinkertaisimmat ’aivot’, joten meillä saattaa olla mahdollisuus ymmärtää niitä ensin ja sitten soveltaa näitä oppeja monimutkaisempiin aivoihin”, hän sanoo.
Yuste toivoo, että piirien toiminnan näkeminen reaaliajassa voisi johtaa uusiin oivalluksiin ihmisaivoista ja kertoa meille enemmän esimerkiksi skitsofrenian kaltaisista mielisairauksista. ”Emme voi parantaa potilaita, ennen kuin tiedämme, miten järjestelmä toimii”, hän sanoo.
Yuste oli yksi monista neurotieteilijöistä, kuten George Church Harvardin yliopistosta, jotka käynnistivät Brain Activity Map -hankkeen vuonna 2012. Se oli rallihuuto neurotieteilijöille, jossa heitä kehotettiin tallentamaan ihmisaivojen jokaisen hermosolun aktiivisuus. Hanke on keskeinen osa presidentti Obaman hallinnon vuonna 2013 käynnistämää miljardin dollarin BRAIN-aloitetta.
Aha-hetki
Hydra on nyt ensimmäinen eläin, jolle on luotu tällainen kartta koko kehosta, vaikka myös seeprakalojen koko aivojen toimintaa on kartoitettu vastaavalla tavalla. Työ on ”mahtava ja juhlimisen arvoinen virstanpylväs”, Church sanoo. Mutta tämän skaalaaminen jyrsijöihin tai kädellisiin tulee olemaan hyvin haastavaa, hän sanoo.
Dale Purves, neurotieteilijä Duke Institute for Brain Sciences -instituutissa Pohjois-Carolinassa, epäilee, osoittautuuko eläin hyödylliseksi meidän itsemme ymmärtämisessä. ”Täytyy kysyä: tuleeko tämä eläin hedelmäkärpäsen, madon ja hiiren rinnalle malliorganismiksi, jota voi tarkastella pyrittäessä ymmärtämään hermostoa paremmin?” hän sanoo. ”Vastaukseni on valitettavasti ei.”
Mutta Yuste tekee nyt yhteistyötä seitsemän muun tutkimusryhmän kanssa purkaakseen hydran hermokoodin. He haluavat saada niin täydellisen käsityksen siitä, miten sen hermosolut laukeavat, että he voivat käyttää laskennallista mallia ennustamaan sen käyttäytymistä pelkästään sen hermotoiminnan perusteella.
”Yksi unelmistamme on päästä neurotieteessä samaan pisteeseen kuin genetiikka pääsi, kun DNA:n kaksoiskierre selvitettiin”, Yuste sanoo. Vaikka jotkut ovat esittäneet, että aivot ovat siihen liian monimutkaiset, Yuste on optimistinen. ”Toivon, että se tapahtuu meidän elinaikanamme, ja se on aha-hetki, kun palapeli loksahtaa kohdalleen”, hän sanoo.
Lehden viite: Current Biology, DOI: 10.1016/j.cub.2017.02.049
Lue lisää: ”Aivojen lyhyt historia”
Aivomme seurasivat mutkittelevaa kehityspolkua olentojen kautta, jotka uivat, ryömivät ja kävelivät maan päällä kauan ennen meitä. Tässä on muutamia näistä eläimistä ja siitä, miten ne auttoivat tekemään meistä sen, mitä olemme.
Hydra
Yksisoluisilla esi-isillämme oli kehittynyt koneisto, jolla he aistivat ympäristön ja reagoivat siihen. Kun ensimmäiset monisoluiset eläimet syntyivät, tämä koneisto mukautettiin solujen väliseen viestintään. Erikoistuneet solut, jotka pystyivät välittämään viestejä sähköisten impulssien ja kemiallisten signaalien avulla – ensimmäiset hermosolut – syntyivät hyvin varhaisessa vaiheessa.
Ensimmäiset hermosolut olivat todennäköisesti kytkeytyneet hajanaiseksi verkostoksi tämän hydran kaltaisen olennon kehossa. Tällainen hermoverkoksi kutsuttu rakenne on edelleen nähtävissä meduusojen ja merianemonien värisevissä rungoissa.
Urvelo
Kun hermosoluryhmät alkoivat ryhmittyä yhteen, tietoa voitiin käsitellä pelkän välittämisen sijaan, minkä ansiosta eläimet kykenivät liikkumaan ja reagoimaan ympäristöön yhä kehittyneemmillä tavoilla. Erikoistuneimmat neuroniryhmät – ensimmäinen aivojen kaltainen rakenne – kehittyivät suun ja alkeellisten silmien läheisyyteen.
Monien biologien mukaan tämä tapahtui urbilateria-nimellä tunnetussa matomaisessa olennossa, joka on useimpien elävien eläinten, kuten selkärankaisten, nilviäisten ja hyönteisten, esi-isä.
Lampereen aivot
Erikoistuneemmat aivoalueet syntyivät varhaisissa kaloissa, joista osa muistutti eläviä lampaita. Niiden aktiivisempi, uiva elämäntapa johti siihen, että aivoihin muodostui paineita paritteluun, ravinnon etsimiseen ja petojen välttelyyn.
Monet näistä ydinrakenteista löytyvät edelleen aivoistamme: näköhermo (optic tectum), joka osallistuu liikkuvien objektien seuraamiseen silmillä; amygdala, joka auttaa meitä reagoimaan pelkotilanteisiin; limbisen järjestelmän osat, jotka tuottavat palkitsevuuden tunteita ja auttavat muistikuvien tallentumisessa; ja tyvitumakkeet (basal ganglionit), jotka kontrolloivat liikkeiden kuvioita.
Sammakkoeläinten aivot
Jossain vaiheessa ensimmäisten kuivalle maalle siirtyneiden sammakkoeläinten ja nisäkkäiden evoluution välissä syntyi neokorteksi – ylimääräisiä hermokudoskerroksia aivojen pinnalla. Tämä aivojen osa laajeni myöhemmin valtavasti, ja se on vastuussa nisäkkäiden – meidät mukaan lukien – monimutkaisuudesta ja joustavuudesta.
Mutta se, miten ja milloin neokorteksi kehittyi, on edelleen arvoitus. Emme näe vastaavaa aivorakennetta elävissä sammakkoeläimissä, eivätkä fossiilitkaan auta paljon: sammakkoeläinten ja matelijoiden aivot eivät täytä niiden koko kalloonteloa, joten näiden eläinten jäännökset kertovat meille vain vähän niiden aivojen muodosta.
Nisäkkäiden ensimmäiset aivot
Nisäkkäiden aivot kasvoivat yhä suuremmiksi suhteessa niiden vartaloon, kun ne kamppailivat selviytyäkseen dinosaurusten hallitsemassa maailmassa.
Sirkkojen kaltaisten fossiilisten nisäkkäiden tomografiakuvauksissa on havaittu, että ensimmäisenä alueena pumppuun paisui hajulohko, mikä viittaa siihen, että nisäkkäät ovat olleet riippuvaisia hajuaististaan voimakkaasti. Myös neokorteksin alueet, jotka kartoittavat tuntoaistimuksia – luultavasti erityisesti karvojen röyhyttelyä – saivat suuren sysäyksen, mikä viittaa siihen, että myös tuntoaisti oli elintärkeä. Nämä havainnot sopivat hienosti ajatukseen, jonka mukaan ensimmäiset nisäkkäät omaksuivat yöllisen elämäntavan auttaakseen niitä väistelemään dinosauruksia.
Simpanssien aivot
Dinosaurusten häviämisen jälkeen kädellisten esi-isät siirtyivät puihin. Hyönteisten jahtaaminen puiden ympärillä vaati hyvää näkökykyä, mikä johti neokorteksin visuaalisen osan laajenemiseen. Kädellisten suurin henkinen haaste saattoi kuitenkin olla sosiaalisen elämän seuraaminen, mikä saattaa selittää kädellisten neokortexin otsa-alueiden valtavan laajenemisen.
Nämä otsa-alueet kytkeytyivät myös paremmin toisiinsa sekä keskenään että muihin aivojen osiin, jotka käsittelevät aistitietoa ja motorista kontrollia. Tämä kaikki varusti kädelliset käsittelemään enemmän saapuvaa tietoa ja keksimään älykkäämpiä tapoja toimia sen perusteella. Yhdestä kädellisten linjasta, ihmisapinoista, tuli erityisen älykkäitä.
Ihmisen aivot
Tutkijat ajattelivat aiemmin, että kahdelle jalalle siirtyminen aiheutti sen, että ihmisen aivojen koko ylitti kädellisten serkkujemme, orankiuttien, gorillojen ja simpanssien koon. Fossiililöydöt osoittavat kuitenkin, että miljoonia vuosia sen jälkeen, kun varhaiset hominidit muuttuivat kaksijalkaisiksi, niiden aivot olivat edelleen pienet.
Aivomme alkoivat kasvaa vasta noin 2,5 miljoonaa vuotta sitten. Emme vieläkään tiedä miksi, mutta on mahdollista, että jokin mutaatio heikensi esi-isiemme leukalihaksia ja mahdollisti kallojemme laajenemisen.
Kun meistä tuli tarpeeksi älykkäitä kehittääksemme työkaluja ja löytääksemme rikkaamman ruokavalion, positiivinen takaisinkytkentävaikutus saattoi käynnistyä, mikä johti aivojen laajenemiseen edelleen. Runsaat ravintoaineet ovat välttämättömiä suurille aivoille, ja älykkäillä eläimillä on paremmat mahdollisuudet löytää niitä.
Kokonaiskuvassa aivot laajenevat jatkuvasti, kiitos ruokavalion, kulttuurin, teknologian, kielen ja geenien välisen vuorovaikutuksen. Tämän ansiosta nykyihmisen aivot syntyivät Afrikassa noin 200 000 vuotta sitten. 15 000 viime vuoden aikana ihmisen aivojen keskikoko suhteessa kehoon on kuitenkin pienentynyt 3-4 prosenttia.
Lue ”Aivojen lyhyt historia”, jos haluat tietää miksi ja lukea lisää aivojen evoluutiomatkasta.
Lisää näistä aiheista:
- neurotiede
- aivot
- mielenterveys