Rundormen Caenorhabditis elegans har ikke mange brikker at flytte rundt med – kun 302 hjerneceller i alt. Alligevel tænker og føler det blot en millimeter lange dyr på mange måder ligesom os.
Det har forskere afsløret ved hjælp af en ny teknik, der gør det muligt at se hvert eneste nervesignal i ormens mikroskopiske hjerne som et lille lysglimt.
Med lignende metoder, der sender elektroder dybt ind i hjernen, kan forskerne følge hjerneaktiviteten i detaljer hos større dyr uden at forstyrre dyrenes adfærd.
Resultaterne viser, at selv små dyr ikke bare er simple maskiner, der tankeløst udfører automatiske handlinger. De overvejer mulighederne og tilpasser deres adfærd efter den givne situation.
Snart vil de nye teknikker måske afsløre, hvad dyrene tænker om deres egen eksistens.
Selv med sølle 302 hjerneceller til rådighed opfører C. elegans sig som et tænkende væsen, fordi nervesignalerne ikke altid løber i de samme netværk, men ændrer retning og finder nye veje mellem hjernecellerne alt efter omstændighederne.
Forskernes nye teknikker har allerede givet os overraskende indsigt i dyrenes indre liv – og snart vil de måske også afsløre, hvad dyrene tænker om deres egen eksistens.
LÆS OGSÅ: Mød verdens grimmeste dyr - og stem på din favorit
Signaler lyser op i hjernen
En af de nye metoder kaldes calcium imaging – eller kalciumvisualisering – og afslører mængden af kalcium-ioner i kroppens celler.
Teknikken udnytter, at en nervecelle normalt kun indeholder få kalcium-ioner, men at ionerne strømmer ind, hver gang cellen sender et signal. Når nervesignalet er afsendt, bliver ionerne pumpet ud igen.
Forskerne gør kalcium-ionerne synlige ved at genmodificere dyret, så det danner et bestemt protein, der lyser, når det kommer i kontakt med kalcium-ioner. De enkelte nerveceller i hjernen lyser herefter kortvarigt op, hver gang de affyrer et signal.
Lysshow viser vej i rundormens tanker
En blå hjerne, der lyses op af små, gule glimt. Forskere har skabt genmodificerede rundorme, hvis hjerneceller lyser op, når de affyrer et signal. Dermed kan forskerne følge med i dyrenes tanker.
1. Gensplejsning farver nerveceller blå
Forskerne gensplejser en rundorm, så dens nerveceller danner et molekyle, der består af to proteiner, CFP og YFP, koblet sammen af en lille kæde. Når forskerne lyser på nervecellen med uv-lys, lyser CFP blåt, mens YFP ikke lyser.
2. Ioner strømmer ind i cellen
Når nervecellen modtager et signal fra en anden nervecelle, bliver den aktiveret og begynder selv at sende et signal. Undervejs åbner den for såkaldte ionkanaler på sin overflade, så kalcium-ioner strømmer ind i cellens indre.
3. Nervecelle skifter farve til gul
Kalcium-ionerne binder sig til kæden, så de to proteiner, CFP og YFP, kommer i tæt kontakt med hinanden. CFP’s blå lys bliver nu opsuget af YFP, som omdanner det til gult lys. Nervecellen skifter dermed midlertidigt farve til gul.
Teknikken kan udføres på levende dyr, som bevæger sig frit rundt, og dermed kan forskerne løbende følge med, når dyrene udviser deres normale adfærd.
I dyr med få hjerneceller, som rundorme, er kalciumvisualisering en ideel teknik, fordi forskerne kan kortlægge aktiviteten i hver eneste nervecelle på samme tid.
Det udnyttede biofysikeren Aravinthan Samuel i 2020 til at undersøge, hvad der sker i hovedet på ormen, når den dyrker sex.
Hjernen skifter tilstand
Samuel observerede syv hanner og opdagede, at 46 nerveceller styrede hele parringsakten, og at særlige mønstre af hjerneaktivitet karakteriserede hvert trin i akten.
Hjernen befandt sig altså i forskellige tilstande, afhængigt af om hannen ledte efter en partner, forsøgte at finde kønsåbningen, udførte parringsbevægelser eller fik udløsning.
Til forskernes overraskelse havde de syv hanner ikke det samme mønster af hjerneaktivitet, men udførte parringen på hver deres særlige måde.
Tidligere har forskere ment, at dyr som rundorme er så simple, at de kun kan følge helt automatiske og fastlagte aktivitetsmønstre, men det passer altså ikke helt.
Hjerneaktiviteten hos de syv hanner var dog tilpas ensartet til, at forskerne temmelig præcist kunne forudsige, hvornår en han ville gå fra et trin i parringsakten til et andet, ud fra viden om de andre hanner.
Molekylærbiologen Jennifer Li nåede i 2019 frem til et lignende resultat, da hun undersøgte larver af zebrafisk, men med 100.000 nerveceller er fiskelarvernes hjerner langt mere komplicerede end ormens.
Celler forudsiger adfærd
Zebrafiskens larver er på størrelse med en øjenvippe, og i Jennifer Lis forsøg svømmede de rundt i et bassin, som var mindre end en millimeter højt og blot 35 millimeter i diameter. Her havde larverne mulighed for at jage små tøffeldyr, mens Li fulgte deres hjerneaktivitet med calcium imaging.
Ligesom ormene havde fiskene særlige tilstande, som afhang af deres adfærd, fx om de ledte efter et bytte eller aktivt jagede det.
Zebrafisken begynder sit liv som en lille unge kaldet en larve. Den er gennemsigtig, så forskerne kan se direkte ind til nervesystemet.
Også i dette tilfælde kunne forskerne ud fra mønstrene forudsige, hvornår hjernen ville skifte tilstand, så dyrene ændrede adfærd.
Li opdagede en lille håndfuld nerveceller, der begyndte at affyre signaler, flere sekunder før dyrene satte jagten ind.
Opdagelsen tyder på, at ganske få nerveceller afgør, hvornår hjernen skifter tilstand. Disse celler bliver sandsynligvis aktiveret af sanseindtryk udløst af fx et tøffeldyrs bevægelser, og deres aktivitet forbereder fisken på, at den skal begynde jagten.
Netværk kører i tomgang
Fundet af skiftende hjernetilstande hos simple dyr er interessant, fordi det overordnede mønster minder meget om den måde, vores egen bevidsthed fungerer på.
Vores hjerne bombarderes konstant med et væld af sanseindtryk, som bevidstheden ikke har en chance for at forholde sig til. Derfor sorterer hjernen i informationen, så kun de vigtigste tanker bliver givet videre til bevidstheden. Når de rammer bevidstheden, kan vi forholde os til dem og om nødvendigt foretage en handling.
Vores hjerne løser opgaven ved hjælp af det såkaldte tomgangsnetværk – en stabil tilstand i hjernen, hvor nervesignalerne kører i karakteristiske mønstre mellem hjernecentrene for bl.a. hukommelse, indlevelsesevne og refleksion.
Dette netværk kører på højtryk, når vi ikke koncentrerer os om noget og i stedet har hovedet fuld af løse tanker, som aldrig rigtigt når frem til bevidstheden.
Tomgangsnetværket står for hele 80 procent af hjernens samlede energiforbrug. Men når der sker noget uventet, kan hjernen hurtigt lukke det ned og i stedet skifte over til opmærksomhedsnetværket.
Derved bliver du bevidst om det, der foregår, og er i stand til at vurdere situationen. Om nødvendigt kan du slå over i en tredje hjernetilstand, handlingsnetværket, som sørger for, at din krop reagerer fysisk.
Dyr ser sig selv i spejlet
Lighederne mellem os og dyrene antyder, at dyrene på mange måder tænker ligesom os, men forskerne mangler stadig at få svar på, om dyrene også har en bevidsthed som vores.
Bevidsthed har længe været set som et fænomen, der kun findes hos mennesker og måske nogle få andre arter, men indtil nu har forskerne været nødt til at se på dyrenes adfærd for at få en idé om, hvad der foregår inde i deres hoveder.
Et af de klassiske forsøg kaldes spejltesten. Her får dyret under bedøvelse sat et mærke et sted på sin egen krop, som ikke er synligt for dyret.
Når dyret vågner, bliver det placeret foran et spejl. Hvis det forsøger at fjerne mærket, antager forskerne, at dyret er bevidst om, at spejlbilledet forestiller dyret selv – og dermed forstår sin egen eksistens.
Børn på ned til ca. halvandet år, menneskeaber, delfiner, elefanter og skader er blandt dem, som har bestået prøven.
🎬 VIDEO: Skade består spejltesten
Nogle forskere sætter imidlertid spørgsmålstegn ved værdien af spejltesten.
En undersøgelse fra 2011 viste fx, at der er store kulturelle forskelle på, hvordan børn helt oppe i 3-4-årsalderen reagerer, når de ser sig selv i spejlet med et mærke i panden. I USA og Canada skyndte mere end tre fjerdedele af børnene sig at fjerne mærket, mens under tre procent gjorde det i Kenya og Fiji.
Forskerne bag undersøgelsen mener, at børn i Vesten tænker meget over deres udseende og derfor er ivrige efter at rette på små skønhedsfejl, mens ikkevestlige børn går mindre op i det.
Den kulturelle indflydelse spiller også ind hos gorillaer. Vilde gorillaer består normalt ikke spejltesten, mens dyr i fangenskab som regel gør.
Testen giver altså ikke et nøjagtigt billede af bevidsthed.
Elektroder sladrer om tanker
I stedet for spejltesten kan forskerne nu se direkte ind i hjernen.
Af etiske grunde kan de dog ikke bruge kalciumvisualisering på store dyr som fx aber eller hunde, fordi teknikken både kræver gensplejsning, og at en del af kraniet fjernes for at blotlægge hjernen.
Metoden er blevet brugt på mus, men musens 70 millioner nerveceller ligger i mange lag og gør det svært at se de enkelte lysende celler.
Derfor udviklede et internationalt forskningshold i 2017 den såkaldte Neuropixels-teknik.
Metoden benytter en nål med omkring tusind elektroder, som kan bores op til en centimeter ind i musehjernen – dvs. næsten hele vejen igennem. Inde i hjernevævet kommer elektroderne i kontakt med hver deres nervecelle, og når cellen affyrer et signal, registrerer elektroden det.
Dyrene tager ikke skade af metoden, og selvom nålen med sine ledninger ligner en høj hat, kan musen stadig løbe frit omkring og opføre sig normalt.
Forskerne kan indsætte flere af de kun 0,07 millimeter brede Neuropixels-nåle i musens hjerne på én gang. Pakken på dyrets hoved vejer 400 milligram.
Ofte bruger forskerne flere nåle til at måle på et par tusind nerveceller dybt i hjernen og samtidig calcium imaging til at registrere aktiviteten af 10.000 eller flere celler i hjernens øverste lag.
I et forsøg brugte hjerneforskeren Karl Deisseroth Neuropixels til at afkode det mønster af hjerneaktivitet, som får mus til at føle tørst.
Andre forsøg har afsløret, at når mus udfører en bestemt opgave, har deres hjerner samtidig travlt med en aktivitet, som ikke har noget at gøre med opgaven.
En tredjedel af denne aktivitet er forbundet med at bevæge muskler, men resten er tilsyneladende ren tankevirksomhed.
Flere forskere betragter de nye metoder som et vendepunkt i udforskningen af dyrenes hjerner. Og i takt med at teknologien udvikler sig, vil vi måske også bruge dem på større dyr som fx aber eller hunde.
Hunde har færre forbindelser
Forskerne har allerede taget et vigtigt skridt mod at forstå hundens tanker. De har kortlagt dens hjerne, som ikke er større end en citron, og deres fund giver et vigtigt praj om dyrets mentale evner.
1. Stolthed sidder i hjernebarken
Pandelappen (gul) og isselappen (orange) er hos mennesker ansvarlige for sekundære følelser, dvs. komplekse følelser som skyld, håbløshed og stolthed. Hos os udgør områderne 85 procent af hjernebarken, mens de hos hunde kun udgør 20 procent.
2. Forbindelser finder årsagen
Nerveforbindelser mellem hjernebarken, som er ansvarlig for tænkning, og det limbiske system (gul), som håndterer følelser, hjælper os med at forstå årsagen til vores følelser. Hunde har væsentlig færre af disse forbindelser, end vi har.
3. Synscenter gør os mistænksomme
Følelser som mistænksomhed kræver, at vi kan afkode ansigtsudtryk, og en stor del af vores synscenter (gul) beskæftiger sig udelukkende med den opgave. Hos hunde bliver opgaven varetaget af et område, som også har travlt med andre opgaver.
Dyrenes hjerner er som regel markant mere simple i deres opbygning end vores, men forskerne ved endnu ikke, præcis hvad det betyder for deres tanker og bevidsthed.
Det vil teknikker som Neuropixels formentlig snart kunne opklare.
Orme hjælper psykisk syge
Dyrenes tanker minder om vores, og derfor kan de hjælpe os, når vores hjerner opfører sig uhensigtsmæssigt. De præcise målinger af hjerneaktiviteten hos orme, fisk og mus kan fx få betydning for behandlingen af sygdomme som skizofreni, depression, ADHD og alzheimer.
Allerede nu ved forskerne, at disse lidelser forstyrrer tomgangsnetværket. Normalt lukker netværket ned, når handlingsnetværket skal tage over. På den måde kan hjernen nemt skifte fra en ufokuseret, indre verden til en koncentreret, ydre verden, når det er nødvendigt.
Ved at undersøge, hvordan dyr som rundorme skifter mellem to forskellige hjernetilstande, kan forskerne finde nye måder at behandle psykiske lidelser på.
Men i en fransk undersøgelse fra 2014 viste hjerneskanninger, at tomgangsnetværket ikke lukkede ned, som det burde, når børn med ADHD koncentrerede sig om en opgave.
En kinesisk undersøgelse har desuden vist, at mange skizofrene patienter har unormal aktivitet i tomgangsnetværket, hvilket gør det svært for dem at skelne mellem deres egen indre verden og den ydre. Det kan muligvis være grunden til deres hallucinationer.
Ved fx at nærstudere, hvordan rundormens 302 nerveceller skifter mellem forskellige hjernetilstande, håber forskerne på at opdage nye mekanismer, som afslører, hvordan vores egne hjerner virker.
Og de nye mekanismer vil i sidste ende kunne blive mål for nye typer lægemidler, som hjælper folk med fx ADHD eller skizofreni til at få et bedre liv.