Av Niall Firth
Stefan Siebert och Charles David
För första gången har varje neuron i ett djurs kropp registrerats live. Genombrottet med att avbilda nervsystemet hos en hydra – en liten, genomskinlig varelse som är besläktad med maneter – medan den rycker och rör sig har gett insikter om hur sådana enkla djur kontrollerar sitt beteende.
Samma tekniker kan en dag hjälpa oss att få en djupare förståelse för hur våra egna hjärnor fungerar. ”Detta kan vara viktigt inte bara för den mänskliga hjärnan utan för neurovetenskapen i allmänhet”, säger Rafael Yuste vid Columbia University i New York City.
Istället för en hjärna har hydra det mest grundläggande nervsystemet i naturen, ett nervnät där neuronerna är spridda över hela kroppen. Trots detta vet forskarna fortfarande nästan ingenting om hur hydraens några tusen neuroner samverkar för att skapa beteende.
Advertisering
För att ta reda på det modifierade Yuste och kollegan Christophe Dupre hydra genetiskt så att deras neuroner lyste i närvaro av kalcium. Eftersom kalciumjoner ökar i koncentration när neuronerna är aktiva och avger en signal kunde Yuste och Dupre koppla beteendet till aktiviteten i glödande kretsar av neuroner.
En krets som tycks vara involverad i matsmältningen i hydraens magliknande hålighet blev till exempel aktiv när djuret öppnade munnen för att äta. Denna krets kan vara en förfader till vårt tarmnervsystem, menar paret.
Neuralkod
En annan krets aktiveras när hydraen drar ihop sin kropp till en boll för att gömma sig för rovdjur. En tredje verkar känna av ljus och kan hjälpa djuret att veta när det ska äta – trots att de är blinda behöver hydra ljus för att jaga och de gör mer av detta på morgonen.
Teamet fann att ingen neuron ingick i mer än en krets. Detta tyder på att djuret har utvecklat olika nätverk för varje reflex – ett primitivt arrangemang, mycket mindre komplext än våra egna sammankopplade nervsystem.
Hydran är ändå det första steget mot att bryta den neurala koden – det sätt på vilket den neurala aktiviteten bestämmer beteendet, säger Yuste. ”Hydra har den enklaste ”hjärnan” i jordens historia, så vi kanske har en chans att förstå dem först och sedan tillämpa dessa lärdomar på mer komplicerade hjärnor”, säger han.
Yuste hoppas att om vi ser hur kretsarna fungerar i realtid kan det leda till nya insikter om den mänskliga hjärnan och till exempel ge oss mer information om psykiska sjukdomar som schizofreni. ”Vi kan inte bota patienter förrän vi vet hur systemet fungerar”, säger han.
Yuste var en av flera neurovetare, däribland George Church vid Harvard University, som startade Brain Activity Map Project 2012. Det var en uppmaning till neurovetenskapsmännen att registrera aktiviteten hos varje neuron i den mänskliga hjärnan. Projektet utgör den centrala pusselbiten i det miljarddollarstora BRAIN-initiativ som lanserades av president Obamas regering 2013.
Aha-upplevelse
Hydran är nu det första djuret som har fått en av dessa kartor skapad för hela kroppen, även om aktiviteten i hela hjärnan hos zebrafiskar också har kartlagts på ett liknande sätt. Arbetet är en ”fantastisk milstolpe värd att fira”, säger Church. Men att skala upp detta till gnagare eller primater kommer att bli en stor utmaning, säger han.
Dale Purves, neurovetare vid Duke Institute for Brain Sciences i North Carolina, tvivlar på att djuret kommer att visa sig användbart för att förstå oss själva. ”Man måste fråga sig: är detta ett djur som kommer att ansluta sig till fruktflugan, masken och musen som en modellorganism att titta på i strävan efter att bättre förstå nervsystemet?”, säger han. ”Mitt svar är tyvärr nej.”
Men Yuste samarbetar nu med sju andra grupper för att tyda hydraens neurala kod. De vill få en så fullständig förståelse för hur dess neuroner fungerar att de kan använda en beräkningsmodell för att förutsäga dess beteende enbart utifrån dess neurala aktivitet.
”En av våra drömmar är att komma till samma punkt inom neurovetenskapen som genetikerna kom till när de listade ut DNA:s dubbelspiral”, säger Yuste. Även om vissa har föreslagit att hjärnan är för komplicerad för detta är Yuste optimistisk. ”Jag hoppas att det kommer att hända under vår livstid och att det kommer att bli ett aha-upplevelsemoment när pusslet läggs ihop”, säger han.
Journalreferens: Current Biology, DOI: 10.1016/j.cub.2017.02.049
Läs mer: ”
Våra hjärnor följde en snirklig utvecklingsväg genom varelser som simmade, kröp och vandrade på jorden långt före oss. Här är några av dessa djur och hur de bidrog till att göra oss till vad vi är.
Hydra
Våra encelliga förfäder hade sofistikerade maskiner för att känna av och reagera på miljön. När de första flercelliga djuren uppstod anpassades detta maskineri för kommunikation mellan celler. Specialiserade celler som kunde överföra meddelanden med hjälp av elektriska impulser och kemiska signaler – de första nervcellerna – uppstod mycket tidigt.
De första neuronerna var troligen sammankopplade i ett diffust nätverk över hela kroppen hos en varelse som denna hydra. Denna typ av struktur, ett så kallat nervnät, kan fortfarande ses i de skälvande kropparna hos maneter och havsanemoner.
Urbilaterian
När grupper av neuroner började samlas ihop kunde information bearbetas i stället för att bara vidarebefordras, vilket gjorde det möjligt för djuren att förflytta sig och reagera på omgivningen på allt mer sofistikerade sätt. De mest specialiserade grupperna av neuroner – den första hjärnliknande strukturen – utvecklades nära munnen och de primitiva ögonen.
Enligt många biologer skedde detta hos en maskliknande varelse som kallas urbilaterian, förfader till de flesta levande djur, inklusive ryggradsdjur, blötdjur och insekter.
Lampyrhjärna
Mer specialiserade hjärnregioner uppstod hos tidiga fiskar, varav vissa liknade de levande lampyrerna. Deras mer aktiva, simmande livsstil ledde till ett tryck på hjärnan för att para sig, hitta föda och undvika rovdjur.
Många av dessa kärnstrukturer återfinns fortfarande i våra hjärnor: det optiska tektumet, som är involverat i att spåra rörliga objekt med ögonen, amygdala, som hjälper oss att reagera på skrämmande situationer, delar av det limbiska systemet, som ger oss belöningskänslor och hjälper oss att lägga fast minnen, och de basala ganglierna, som kontrollerar rörelsemönstren.
Amfibiernas hjärna
Vid någon tidpunkt mellan det att de första amfibierna flyttade in på torra land och däggdjurens utveckling uppstod neocortex – extra lager av nervvävnad på hjärnans yta. Denna del av hjärnan expanderade senare enormt och är ansvarig för komplexiteten och flexibiliteten hos däggdjuren – inklusive oss.
Men hur och när neocortex först utvecklades förblir ett mysterium. Vi kan inte se någon motsvarande hjärnstruktur hos levande amfibier, och fossil hjälper inte heller särskilt mycket: Hjärnan hos amfibier och reptiler fyller inte hela skallehålan, så kvarlevorna av dessa djur säger oss inte mycket om deras hjärnors form.
Primitiva däggdjurshjärnan
Däggdjurens hjärnor växte sig allt större i förhållande till deras kroppar när de kämpade för att överleva i en värld som dominerades av dinosaurier.
CT-scanningar av fossila däggdjur som liknar spindlar har avslöjat att den första regionen som pumpades upp var luktbulben, vilket tyder på att däggdjuren var starkt beroende av sitt luktsinne. De regioner i neocortex som kartlägger taktila förnimmelser – troligen framför allt hårstrån – fick också ett stort uppsving, vilket tyder på att beröringssinnet också var viktigt. Dessa fynd passar utmärkt ihop med idén att de första däggdjuren antog en nattlig livsstil för att kunna undvika dinosaurier.
Hjärnan hos schimpanser
Efter dinosauriernas undergång tog primaternas förfäder sig till träden. Att jaga insekter runt träd krävde god syn, vilket ledde till att den visuella delen av neocortex expanderade. Den största mentala utmaningen för primater kan dock ha varit att hålla reda på sitt sociala liv, vilket kan förklara den enorma expansionen av de frontala regionerna i primaternas neocortex.
Dessa frontala regioner blev också bättre sammankopplade, både inom sig själva och med andra delar av hjärnan som hanterar sensorisk input och motorisk kontroll. Allt detta gjorde att primater kunde hantera mer inkommande information och hitta smartare sätt att agera på den. En linje av primater, människoaporna, blev särskilt intelligenta.
Människans hjärna
Förr trodde forskarna att det faktum att vi fick två ben ledde till att människans hjärnor blev större än våra kusiner bland primater, orangutangerna, gorillorna och schimpanserna. Fossila fynd visar dock att miljontals år efter att de tidiga hominiderna blev tvåbenta hade de fortfarande små hjärnor.
Det var först för cirka 2,5 miljoner år sedan som våra hjärnor började bli större. Vi vet fortfarande inte varför, men det är möjligt att en mutation försvagade våra förfäders käkmuskler och gjorde det möjligt för våra skallar att expandera.
När vi blev tillräckligt smarta för att utveckla verktyg och hitta en rikare kost kan en positiv återkopplingseffekt ha satt igång och lett till ytterligare expansion av hjärnan. Det krävs gott om näringsämnen för en stor hjärna, och smarta djur har större chans att hitta dem.
Den övergripande bilden är en ständigt expanderande hjärna, tack vare samspelet mellan kost, kultur, teknik, språk och gener. Det är det som gjorde att den moderna mänskliga hjärnan uppstod i Afrika för cirka 200 000 år sedan.
Under de senaste 15 000 åren har dock den mänskliga hjärnans genomsnittliga storlek i förhållande till vår kropp krympt med 3 eller 4 procent.
För att ta reda på varför, och för att läsa mer om hjärnans evolutionära resa, läs ”En kort historik om hjärnan”.
Mer om dessa ämnen:
- neurovetenskap
- hjärnor
- mental hälsa