By Niall Firth
Stefan Siebert i Charles David
Zapalanie każdego neuronu w ciele zwierzęcia zostało nagrane, na żywo. Przełom w obrazowaniu układu nerwowego hydry – maleńkiego, przezroczystego stworzenia spokrewnionego z meduzą – gdy drga i porusza się, umożliwił wgląd w to, jak tak proste zwierzęta kontrolują swoje zachowanie.
Podobne techniki mogą pewnego dnia pomóc nam głębiej zrozumieć, jak działają nasze własne mózgi. „To może być ważne nie tylko dla ludzkiego mózgu, ale dla neurobiologii w ogóle”, mówi Rafael Yuste na Uniwersytecie Columbia w Nowym Jorku.
Zamiast mózgu hydra ma najbardziej podstawowy układ nerwowy w przyrodzie, sieć nerwową, w której neurony rozprzestrzeniają się po całym jej ciele. Mimo to badacze wciąż nie wiedzą prawie nic o tym, jak kilka tysięcy neuronów hydry współdziała w tworzeniu zachowania.
Reklama
Aby się tego dowiedzieć, Yuste i kolega Christophe Dupre zmodyfikowali genetycznie hydrę tak, aby jej neurony świeciły w obecności wapnia. Ponieważ jony wapnia rosną w stężeniu, gdy neurony są aktywne i strzelają sygnał, Yuste i Dupre byli w stanie odnieść zachowanie do aktywności w świecących obwodów neuronów.
Na przykład, obwód, który wydaje się być zaangażowany w trawienie w hydrze żołądka-jak jama stała się aktywna, gdy zwierzę otworzyło usta do karmienia. Ten obwód może być przodkiem naszego jelitowego układu nerwowego, para suggest.
Kod nerwowy
Drugi obwód strzela, gdy hydra kurczy swoje ciało w piłkę, aby ukryć się przed drapieżnikami. Trzeci wydaje się wyczuwać światło i może pomóc niech zwierzę wie, kiedy jeść – pomimo bycia niewidomym, hydry potrzebują światła do polowania i robią więcej tego rano.
Zespół stwierdził, że żaden neuron był członkiem więcej niż jednego obwodu. To sugeruje, że zwierzę wyewoluowało odrębne sieci dla każdego odruchu – prymitywny układ, znacznie mniej złożony niż nasze własne połączone systemy nerwowe.
Niemniej jednak hydra jest pierwszym krokiem w kierunku złamania kodu neuronowego – sposobu, w jaki aktywność neuronowa określa zachowanie, mówi Yuste. „Hydry mają najprostszy 'mózg’ w historii ziemi, więc możemy mieć szansę na zrozumienie tych pierwszych, a następnie zastosowanie tych lekcji do bardziej skomplikowanych mózgów”, mówi.
Yuste ma nadzieję, że zobaczenie, jak obwody działają w czasie rzeczywistym, może prowadzić do nowych spostrzeżeń na temat ludzkiego mózgu i powiedzieć nam więcej o chorobach psychicznych, takich jak schizofrenia, na przykład. „Nie możemy leczyć pacjentów, dopóki nie wiemy, jak działa system”, mówi.
Yuste był jednym z kilku neuronaukowców, w tym George Church na Uniwersytecie Harvarda, którzy uruchomili Brain Activity Map Project w 2012 roku. Był to okrzyk do neurobiologów, wzywający ich do rejestrowania aktywności każdego neuronu w ludzkim mózgu. Projekt stanowi centralny element wartej miliardy dolarów Inicjatywy BRAIN, uruchomionej przez administrację prezydenta Obamy w 2013 r.
Aha moment
Hydra jest obecnie pierwszym zwierzęciem, które posiada jedną z takich map stworzonych dla całego ciała, choć w podobny sposób zmapowano również aktywność całych mózgów ryb zebrafish. Praca ta jest „niesamowitym kamieniem milowym wartym świętowania”, mówi Church. Ale skalowanie to do gryzoni lub naczelnych będzie bardzo trudne, mówi.
Dale Purves, neurobiolog w Duke Institute for Brain Sciences, North Carolina, wątpi, czy zwierzę okaże się przydatne do zrozumienia siebie. „Musisz zapytać: czy jest to zwierzę, które dołączy do muszki owocowej, robaka i myszy jako organizm modelowy, na który należy patrzeć w dążeniu do lepszego zrozumienia układu nerwowego?”, mówi. „Moja odpowiedź niestety brzmi nie.”
Ale Yuste współpracuje teraz z siedmioma innymi zespołami, aby rozszyfrować kod neuronowy hydry. Chcą uzyskać tak pełne zrozumienie sposobu, w jaki jej neurony strzelają, że będą mogli użyć modelu obliczeniowego do przewidzenia jej zachowania tylko na podstawie jej aktywności neuronalnej.
„Jednym z naszych marzeń jest dojście do punktu w neuronauce, do którego doszli genetycy, kiedy odkryli podwójną helisę DNA”, mówi Yuste. Choć niektórzy sugerują, że mózg jest na to zbyt skomplikowany, Yuste jest optymistą. „Mam nadzieję, że to się stanie w naszym życiu i to będzie moment aha, kiedy układanka przychodzi razem,” mówi.
Journal odniesienia: Current Biology, DOI: 10.1016/j.cub.2017.02.049
Czytaj dalej: „Krótka historia mózgu”
Nasze mózgi podążały krętą ścieżką rozwoju przez stworzenia, które pływały, pełzały i chodziły po ziemi na długo przed nami. Oto kilka z tych zwierząt i sposób, w jaki pomogły nam stać się tym, kim jesteśmy.
Hydra
Nasi jednokomórkowi przodkowie mieli wyrafinowane mechanizmy wyczuwania i reagowania na środowisko. Gdy pojawiły się pierwsze zwierzęta wielokomórkowe, maszyneria ta została zaadaptowana do komunikacji międzykomórkowej. Wyspecjalizowane komórki, które mogły przenosić wiadomości za pomocą impulsów elektrycznych i sygnałów chemicznych – pierwsze komórki nerwowe – pojawiły się bardzo wcześnie.
Pierwsze neurony były prawdopodobnie połączone w rozproszoną sieć w całym ciele stworzenia takiego jak ta hydra. Tego rodzaju strukturę, zwaną siecią nerwową, wciąż można zobaczyć w drżących ciałach meduz i ukwiałów morskich.
Urbilaterian
Gdy grupy neuronów zaczęły się skupiać, informacje mogły być przetwarzane, a nie tylko przekazywane, umożliwiając zwierzętom poruszanie się i reagowanie na środowisko w coraz bardziej wyrafinowany sposób. Najbardziej wyspecjalizowane grupy neuronów – pierwsza struktura przypominająca mózg – rozwinęły się w pobliżu ust i prymitywnych oczu.
Według wielu biologów stało się to u robakopodobnego stworzenia znanego jako urbilaterian, przodka większości żyjących zwierząt, w tym kręgowców, mięczaków i owadów.
Mózg minoga
Wcześniejsze ryby, z których niektóre przypominały żyjące minogi, wykształciły bardziej wyspecjalizowane regiony mózgu. Ich bardziej aktywny, pływający tryb życia doprowadził do powstania w mózgu presji związanej z kopulacją, poszukiwaniem pożywienia i unikaniem drapieżników.
Wiele z tych podstawowych struktur nadal znajduje się w naszych mózgach: plamka wzrokowa, zaangażowana w śledzenie poruszających się obiektów za pomocą oczu; migdałek, który pomaga nam reagować na sytuacje budzące strach; części układu limbicznego, który daje nam poczucie nagrody i pomaga w tworzeniu wspomnień; oraz zwoje podstawy, które kontrolują wzorce ruchów.
Mózg płazów
W pewnym momencie między pierwszymi płazami przenoszącymi się na suchy ląd a ewolucją ssaków powstała neocortex – dodatkowe warstwy tkanki nerwowej na powierzchni mózgu. Ta część mózgu później ogromnie się rozrosła i jest odpowiedzialna za złożoność i elastyczność ssaków – w tym nas.
Ale jak i kiedy neocortex po raz pierwszy wyewoluowała, pozostaje tajemnicą. Nie możemy zobaczyć odpowiednika struktury mózgu u żywych płazów, a skamieliny też niewiele pomagają: mózgi płazów i gadów nie wypełniają całej jamy czaszki, więc szczątki tych zwierząt niewiele mówią nam o kształcie ich mózgów.
Pierwotny mózg ssaków
Mózgi ssaków stawały się coraz większe w stosunku do ich ciał, gdy walczyły o przetrwanie w świecie zdominowanym przez dinozaury.
Skanowanie tomografii komputerowej kopalnych ssaków podobnych do ryjówek ujawniło, że pierwszym regionem, który się napompował, była bańka węchowa, co sugeruje, że ssaki były w dużym stopniu uzależnione od zmysłu węchu. Regiony neocortex, które mapują wrażenia dotykowe – prawdopodobnie kołtunienie włosów w szczególności – również dostały duży impuls, co sugeruje, że zmysł dotyku był również istotny. Odkrycia te doskonale pasują do koncepcji, że pierwsze ssaki przyjęły nocny tryb życia, aby pomóc im uniknąć dinozaurów.
Mózg szympansa
Po upadku dinozaurów przodkowie naczelnych przenieśli się na drzewa. Pogoń za owadami wokół drzew wymagała dobrego widzenia, co doprowadziło do rozbudowy wizualnej części neocortex. Największym wyzwaniem umysłowym dla naczelnych, jednak może być śledzenie ich życia społecznego, co może wyjaśnić ogromną ekspansję czołowych regionów kory naczelnych.
Te czołowe regiony również stały się lepiej połączone, zarówno w sobie, jak i do innych części mózgu, które zajmują się wejściami sensorycznymi i kontrolą motoryczną. To wszystko wyposażyło naczelne do obsługi większej ilości przychodzących informacji i wymyślić mądrzejsze sposoby działania na nim. Jedna linia naczelnych, małpy człekokształtne, stała się szczególnie mądra.
Mózg człowieka
Badacze sądzili, że przejście na dwie nogi spowodowało, że wielkość ludzkich mózgów prześcignęła naszych naczelnych kuzynów – orangutany, goryle i szympansy. Jednak odkrycia kopalne pokazują, że miliony lat po tym, jak wczesne hominidy stały się dwunożne, nadal miały małe mózgi.
To była tylko runda 2,5 miliona lat temu, że nasze mózgi zaczęły się powiększać. Wciąż nie wiemy dlaczego, ale możliwe jest, że mutacja osłabiła mięśnie szczęki naszych przodków i pozwoliła naszym czaszkom się powiększyć.
Gdy staliśmy się na tyle inteligentni, by rozwinąć narzędzia i znaleźć bogatszą dietę, efekt pozytywnego sprzężenia zwrotnego mógł zadziałać, prowadząc do dalszej ekspansji mózgu. Mnóstwo składników odżywczych jest niezbędne dla dużego mózgu, a inteligentne zwierzęta mają większe szanse na ich znalezienie.
Ogólny obraz to jeden z ciągle powiększających się mózgów, dzięki wzajemnemu oddziaływaniu diety, kultury, technologii, języka i genów. To właśnie spowodowało, że współczesny ludzki mózg powstał w Afryce około 200 000 lat temu.Jednak w ciągu ostatnich 15 000 lat średni rozmiar ludzkiego mózgu w stosunku do naszego ciała skurczył się o 3 lub 4 procent.
Aby dowiedzieć się dlaczego, i przeczytać więcej o ewolucyjnej podróży mózgu, przeczytaj „Krótką historię mózgu”.
Więcej na ten temat:
- neuronauka
- mózgi
- zdrowie psychiczne
.