De Niall Firth
Stefan Siebert și Charles David
Stefan Siebert și Charles David
Au fost înregistrate, în direct, declanșările fiecărui neuron din corpul unui animal. Descoperirea imaginării sistemului nervos al unei hidre – o creatură minusculă și transparentă înrudită cu meduzele – în timp ce se mișcă și se mișcă a oferit informații despre modul în care aceste animale atât de simple își controlează comportamentul.
Tehnici similare ne-ar putea ajuta într-o zi să înțelegem mai bine cum funcționează propriul nostru creier. „Acest lucru ar putea fi important nu doar pentru creierul uman, ci și pentru neuroștiință în general”, spune Rafael Yuste de la Universitatea Columbia din New York.
În loc de creier, hidra are cel mai elementar sistem nervos din natură, o rețea nervoasă în care neuronii se răspândesc în tot corpul său. Chiar și așa, cercetătorii nu știu încă aproape nimic despre modul în care cele câteva mii de neuroni ai hidrei interacționează pentru a crea un comportament.
Publicitate
Pentru a afla, Yuste și colegul Christophe Dupre au modificat genetic hidra astfel încât neuronii lor să strălucească în prezența calciului. Deoarece ionii de calciu cresc în concentrație atunci când neuronii sunt activi și emit un semnal, Yuste și Dupre au reușit să coreleze comportamentul cu activitatea în circuitele luminoase ale neuronilor.
De exemplu, un circuit care pare să fie implicat în digestia din cavitatea asemănătoare stomacului hidrei a devenit activ ori de câte ori animalul își deschidea gura pentru a se hrăni. Acest circuit poate fi un strămoș al sistemului nostru nervos intestinal, sugerează cei doi.
Codul neuronal
Un al doilea circuit se activează atunci când hidra își contractă corpul într-o minge pentru a se ascunde de prădători. Un al treilea pare să simtă lumina și poate ajuta animalul să știe când să mănânce – în ciuda faptului că sunt oarbe, hidra are nevoie de lumină pentru a vâna și fac acest lucru mai mult dimineața.
Echipa a constatat că niciun neuron nu era membru a mai mult de un circuit. Acest lucru sugerează că animalul a evoluat rețele distincte pentru fiecare reflex – un aranjament primitiv, mult mai puțin complex decât propriile noastre sisteme nervoase interconectate.
Cu toate acestea, hidra este primul pas spre spargerea codului neuronal – modul în care activitatea neuronală determină comportamentul, spune Yuste. „Hidra are cel mai simplu „creier” din istoria pământului, așa că am putea avea o șansă să le înțelegem mai întâi pe acestea și apoi să aplicăm aceste lecții la creiere mai complicate”, spune el.
Yuste speră că observarea modului în care funcționează circuitele în timp real ar putea duce la noi informații despre creierul uman și ne-ar putea spune mai multe despre bolile mintale, cum ar fi schizofrenia, de exemplu. „Nu putem vindeca pacienții până când nu știm cum funcționează sistemul”, spune el.
Yuste a fost unul dintre mai mulți neuroștiințiști, inclusiv George Church de la Universitatea Harvard, care au lansat proiectul Brain Activity Map Project în 2012. Acesta a fost un strigăt de mobilizare a neuroștiințelor, invitându-i să înregistreze activitatea fiecărui neuron din creierul uman. Proiectul constituie pilonul central al Inițiativei BRAIN, în valoare de un miliard de dolari, lansată de administrația președintelui Obama în 2013.
Aha moment
Hidra este acum primul animal la care a fost creată una dintre aceste hărți pentru întregul corp, deși activitatea întregului creier al peștilor zebră a fost, de asemenea, cartografiată într-un mod similar. Lucrarea este o „piatră de hotar impresionantă care merită sărbătorită”, spune Church. Dar extinderea acesteia la rozătoare sau primate va fi foarte dificilă, spune el.
Dale Purves, cercetător în neuroștiințe la Duke Institute for Brain Sciences, Carolina de Nord, se îndoiește că animalul se va dovedi util pentru a ne înțelege pe noi înșine. „Trebuie să vă întrebați: este acesta un animal care se va alătura muștelor de fructe, viermilor și șoarecilor ca organism model pe care să îl analizăm în încercarea de a înțelege mai bine sistemul nervos?”, spune el. „Răspunsul meu ar fi, din păcate, nu.”
Dar Yuste colaborează acum cu alte șapte echipe pentru a descifra codul neuronal al hidrei. Ei doresc să obțină o înțelegere atât de completă a modului în care se declanșează neuronii săi încât să poată folosi un model computațional pentru a-i prezice comportamentul doar din activitatea sa neuronală.
„Unul dintre visele noastre este să ajungem în neuroștiință în punctul în care a ajuns genetica atunci când a fost descifrat dublul helix al ADN-ului”, spune Yuste. În timp ce unii au sugerat că creierul este prea complicat pentru asta, Yuste este optimist. „Sper că se va întâmpla în timpul vieții noastre și va fi un moment aha când puzzle-ul se va asambla”, spune el.
Referință jurnal: Current Biology, DOI: 10.1016/j.cub.2017.02.049
Citește mai mult: „O scurtă istorie a creierului”
Creierul nostru a urmat un traseu întortocheat de dezvoltare prin intermediul unor creaturi care au înotat, s-au târât și au umblat pe pământ cu mult înaintea noastră. Iată câteva dintre aceste animale și modul în care au contribuit la transformarea noastră în ceea ce suntem.
Hydra
Antecesorii noștri unicelulare aveau o mașinărie sofisticată pentru a simți și a răspunde la mediul înconjurător. Odată ce au apărut primele animale pluricelulare, această mașinărie a fost adaptată pentru comunicarea de la celulă la celulă. Celulele specializate care puteau transmite mesaje folosind impulsuri electrice și semnale chimice – primele celule nervoase – au apărut foarte devreme.
Primii neuroni au fost probabil conectați într-o rețea difuză pe corpul unei creaturi precum această hidră. Acest tip de structură, cunoscută sub numele de rețea nervoasă, poate fi încă observată în corpurile tremurânde ale meduzelor și anemonelor de mare.
Urbilaterian
Când grupurile de neuroni au început să se grupeze, informațiile au putut fi procesate mai degrabă decât doar transmise, permițând animalelor să se miște și să răspundă la mediul înconjurător în moduri din ce în ce mai sofisticate. Cele mai specializate grupuri de neuroni – prima structură asemănătoare creierului – s-au dezvoltat în apropierea gurii și a ochilor primitivi.
Potrivit multor biologi, acest lucru s-a întâmplat la o creatură asemănătoare unui vierme, cunoscută sub numele de urbilaterian, strămoșul majorității animalelor vii, inclusiv al vertebratelor, moluștelor și insectelor.
Creierul lampreilor
Regii cerebrale mai specializate au apărut la primii pești, dintre care unii seamănă cu lampreii vii. Stilul lor de viață mai activ, de înot, a dus la o presiune asupra creierului pentru a se împerechea, a găsi hrană și a evita prădătorii.
Multe dintre aceste structuri de bază se regăsesc încă în creierul nostru: tectul optic, implicat în urmărirea obiectelor în mișcare cu ajutorul ochilor; amigdala, care ne ajută să răspundem la situații de teamă; părți ale sistemului limbic, care ne oferă sentimente de recompensă și ne ajută să depozităm amintiri; și ganglionii bazali, care controlează modelele de mișcare.
Creierul amfibian
La un moment dat, între mutarea primilor amfibieni pe uscat și evoluția mamiferelor, a apărut neocortexul – straturi suplimentare de țesut neuronal pe suprafața creierului. Această parte a creierului s-a extins ulterior enorm și este responsabilă pentru complexitatea și flexibilitatea mamiferelor – inclusiv a noastră.
Dar cum și când a evoluat pentru prima dată neocortexul rămâne un mister. Nu putem vedea o structură cerebrală echivalentă la amfibienii vii și nici fosilele nu ne ajută prea mult: creierul amfibienilor și al reptilelor nu le umple întreaga cavitate craniană, așa că rămășițele acestor animale ne spun prea puțin despre forma creierului lor.
Creierul primitiv al mamiferelor
Creierul mamiferelor a crescut din ce în ce mai mult în raport cu corpul lor, pe măsură ce se străduiau să supraviețuiască într-o lume dominată de dinozauri.
Scanările CT ale mamiferelor fosile asemănătoare cu șoarecii au dezvăluit că prima regiune care s-a umflat a fost bulbul olfactiv, sugerând că mamiferele depindeau foarte mult de simțul olfactiv. Regiunile neocortexului care cartografiază senzațiile tactile – probabil că, în special, zbârnâitul părului – au primit, de asemenea, un impuls mare, ceea ce sugerează că și simțul tactil era vital. Aceste descoperiri se potrivesc de minune cu ideea că primele mamifere au adoptat un stil de viață nocturn pentru a le ajuta să se ferească de dinozauri.
Creierul cimpanzeilor
După dispariția dinozaurilor, strămoșii primatelor au luat calea copacilor. Urmărirea insectelor în jurul copacilor necesita o vedere bună, ceea ce a dus la extinderea părții vizuale a neocortexului. Cu toate acestea, cea mai mare provocare mentală pentru primate este posibil să fi fost urmărirea vieții lor sociale, ceea ce ar putea explica expansiunea enormă a regiunilor frontale ale neocortexului primatelor.
Aceste regiuni frontale au devenit, de asemenea, mai bine conectate, atât în interiorul lor, cât și cu alte părți ale creierului care se ocupă de aportul senzorial și de controlul motor. Toate acestea au echipat primatele să gestioneze mai multe informații primite și să găsească modalități mai inteligente de a acționa în funcție de ele. O linie de primate, maimuțele mari, a devenit deosebit de cerebrală.
Creierul uman
Cercetătorii obișnuiau să creadă că luarea la două picioare a făcut ca dimensiunea creierului uman să fie mai mare decât cea a verișorilor noștri primate, urangutanii, gorilele și cimpanzeii. Cu toate acestea, descoperirile de fosile arată că, la milioane de ani după ce primii hominizi au devenit bipede, aceștia aveau încă creiere mici.
A fost abia în urmă cu aproximativ 2,5 milioane de ani când creierul nostru a început să devină mai mare. Încă nu știm de ce, dar este posibil ca o mutație să fi slăbit mușchii maxilarului strămoșilor noștri și să fi permis craniilor noastre să se extindă.
După ce am devenit suficient de inteligenți pentru a dezvolta unelte și pentru a găsi o dietă mai bogată, este posibil ca un efect de feedback pozitiv să se fi declanșat, ducând la o nouă expansiune a creierului. O mulțime de nutrienți sunt esențiali pentru un creier mare, iar animalele inteligente au mai multe șanse să le găsească.
Imaginea generală este aceea a unui creier în continuă expansiune, datorită interacțiunii dintre dietă, cultură, tehnologie, limbaj și gene. Aceasta este ceea ce a dus la apariția creierului uman modern în Africa, în urmă cu aproximativ 200.000 de ani.Cu toate acestea, în ultimii 15.000 de ani, dimensiunea medie a creierului uman în raport cu corpul nostru s-a micșorat cu 3 sau 4 procente.
Pentru a afla de ce și pentru a citi mai multe despre călătoria evolutivă a creierului, citiți „O scurtă istorie a creierului”.
Mai multe pe aceste teme:
- neuroștiințe
- creier
- sănătate mintală
.