Hringormurinn Caenorhabditis elegans er ekki beinlínis neitt gáfnaljós því hann er einungis útbúinn 302 heilafrumum. Engu að síður hugsar og skynjar þetta aðeins eins millímetra langa dýr á margan hátt líkt og við gerum.
Þessu hafa vísindamenn komist að raun um með nýrri tækni sem gerir þeim kleift að virða fyrir sér hvert einasta taugaboð í smásæjum heila ormsins, líkt og um lítinn blossa væri að ræða.
Með áþekkum aðferðum sem senda rafskaut lengst inn í heilann, geta vísindamenn fylgst af mikilli nákvæmni með heilastarfsemi stærri dýra án þess að trufla atferli dýranna.
Niðurstöðurnar leiddu í ljós að lítil dýr eru ekki einvörðungu einfaldar vélar sem leysa ósjálfráð verk af hendi. Þau velta fyrir sér kostunum og laga gjörðir sínar að aðstæðum hverju sinni.
Brátt mun tæknin e.t.v. leiða í ljós hvað dýrin halda um tilveru sína.
Þó svo að hringormurinn C. elegans hafi einungis yfir að ráða 302 heilafrumum hegðar hann sér líkt og hugsandi vera því taugaboðin eru ekki ætíð í sömu netunum, heldur breyta þau um stefnu og finna nýjar leiðir milli heilafrumnanna, allt eftir aðstæðum.
Nýjasta tækni vísindamannanna hefur veitt okkur furðumikla innsýn í innra líf dýranna og brátt mun tæknin jafnvel geta leitt í ljós hvað dýrin halda um tilveru sína.
Boðefni lýsa upp heilann
Ein nýjasta tækninýjungin nefnist kalsíummyndhverfing en sú tækni kemur upp um magn kalsíumjóna í frumum líkamans.
Í þessari tækni er gengið út frá því að taugafrumur innihaldi að jafnaði mjög fáar kalsíumjónir og að jónirnar streymi inn í hvert sinn sem frumurnar senda frá sér taugaboð. Þegar taugaboð er komið af stað er jónunum dælt út aftur.
Vísindamenn geta gert kalsíumjónir sýnilegar með því að erfðabreyta genamengi dýrsins, með þeim afleiðingum að það framleiðir tiltekið prótein sem lýsir upp þegar það kemst í snertingu við kalsíumjónir. Einstaka taugafrumur í heilanum lýsast upp í stutta stund í hvert skipti sem þær gefa frá sér taugaboð.
Ljósasýning leiðir í ljós hugsanir hringormsins
Blár heili sem lýsist upp af litlum gulum blossum. Vísindamönnum hefur tekist að skapa erfðabreytta hringorma með heilafrumur sem lýsast upp þegar þær senda frá sér taugaboð. Með þessu móti geta vísindamennirnir fylgst með hugsunum dýranna.
1 – Erfðabreyttar taugafrumur verða bláar
Vísindamönnum hefur tekist að erfðabreyta genamengi hringorma með þeim afleiðingum að taugafrumur þeirra mynda sameind sem inniheldur tvö prótein, CFP og YFP sem bindast á lítilli keðju. Þegar vísindamennirnir lýsa taugafrumuna upp með útfjólubláu ljósi lýsir CFP-próteinið í bláum lit en YFP lýsir ekki.
2 – Jónir streyma inn í frumuna
Þegar taugafrumunni berast taugaboð frá annarri taugafrumu virkjast sú fyrrgreinda og fer sjálf að senda taugaboð. Meðan á þessu stendur opnast fyrir svonefnd jónagöng á yfirborði hennar og kalsíumjónir streyma inn í frumuna.
3. Taugafruma verður gul á lit
Kalsíumjónirnar bindast keðjunni þannig að próteinin CFP og YFP komast í nána snertingu við hvort annað. YFP-próteinið gleypir í sig blátt ljós CFP-próteinsins og það breytist í gult ljós. Taugafruman verður fyrir vikið gul um stundarsakir.
Ljósasýning leiðir í ljós hugsanir hringormsins
Blár heili sem lýsist upp af litlum gulum blossum. Vísindamönnum hefur tekist að skapa erfðabreytta hringorma með heilafrumur sem lýsast upp þegar þær senda frá sér taugaboð. Með þessu móti geta vísindamennirnir fylgst með hugsunum dýranna.
1 – Erfðabreyttar taugafrumur verða bláar
Vísindamönnum hefur tekist að erfðabreyta genamengi hringorma með þeim afleiðingum að taugafrumur þeirra mynda sameind sem inniheldur tvö prótein, CFP og YFP sem bindast á lítilli keðju. Þegar vísindamennirnir lýsa taugafrumuna upp með útfjólubláu ljósi lýsir CFP-próteinið í bláum lit en YFP lýsir ekki.
2 – Jónir streyma inn í frumuna
Þegar taugafrumunni berast taugaboð frá annarri taugafrumu virkjast sú fyrrgreinda og fer sjálf að senda taugaboð. Meðan á þessu stendur opnast fyrir svonefnd jónagöng á yfirborði hennar og kalsíumjónir streyma inn í frumuna.
3. Taugafruma verður gul á lit
Kalsíumjónirnar bindast keðjunni þannig að próteinin CFP og YFP komast í nána snertingu við hvort annað. YFP-próteinið gleypir í sig blátt ljós CFP-próteinsins og það breytist í gult ljós. Taugafruman verður fyrir vikið gul um stundarsakir.
Tækni þessari er unnt að beita á lifandi dýrum sem hreyfa sig að vild og fyrir vikið geta vísindamennirnir fylgst stöðugt með því hvort dýrin sýna sitt hefðbundna atferli.
Í dýrum sem hafa aðeins yfir að ráða fáum heilafrumum, líkt og hringormurinn, er kalsíummyndhverfing tilvalin aðferð, því vísindamönnum tekst þá að kortleggja starfsemina í hverri einustu taugafrumu á sama tíma.
Þetta gagnaðist lífeðlisfræðingnum Aravinthan Samuel í fyrra í rannsóknum hans á því hvað gerist í höfði hringormanna þegar þeir eðla sig.
Starfsemi heilans breytist
Samuel fylgdist með sjö karldýrum og komst að raun um að eðlunarathöfnin öll stjórnaðist af 46 taugafrumum og hann veitti því jafnframt athygli að sérlegt mynstur í heilastarfseminni einkenndi hvert þrep eðlunarinnar.
Starfsemi heilans breyttist með öðrum orðum í takt við það hvort karldýrið var að leita að kvendýri, reyna að finna kynopið, ástunda mökunarhreyfingar eða að hafa sáðlos.
Vísindamönnunum til mikillar furðu var ekki um að ræða sama mynstur í heilastarfsemi hjá karldýrunum sjö, auk þess sem þeir eðluðu sig hver með sínum hætti.
Fram til þessa höfðu vísindamenn álitið að dýr í líkingu við hringorma væru svo einföld að gerð að heilastarfsemin væri einvörðungu ósjálfráð og fastmótuð en sú tilgáta reyndist ekki alveg rétt.
Heilastarfsemi karldýranna sjö var þó nægilega einsleit til að vísindamennirnir gætu af allmikilli nákvæmni spáð fyrir um hvenær dýrið færi frá einu þrepi eðlunarinnar yfir á það næsta, út frá vitneskju um hin karldýrin.
Sameindalíffræðingurinn Jennifer Li komst að svipaðri niðurstöðu árið 2019 þegar hún rannsakaði lirfur sebrafisksins en heili lirfanna hefur yfir að ráða rösklega 100.000 taugafrumum og er fyrir vikið talsvert flóknari en heili hringormsins.
Frumur segja fyrir um atferli
Lirfur sebrafiska eru á stærð við augnhár og í tilraun Jennifer Lis syntu lirfurnar um í keri sem var tæpur millimetri á hæð og einungis 35 mm í þvermál. Þarna gafst lirfunum kostur á að veiða örsmá ildýr á meðan Jennifer fylgdist með heilastarfseminni með aðstoð kalsíummyndhverfingar.
Líkt og við átti um ormana réðst ástand fiskaheilanna af atferli þeirra hverju sinni, þ.e hvort þeir voru að leita að bráð eða að veiða hana.
Sebrafiskurinn byrjar líf sitt sem lítil lirfa. Lirfan er gegnsæ og fyrir vikið geta vísindamenn horft beint inn í taugakerfi hennar.
Í þessum tilvikum gátu vísindamennirnir notað mynstrin til að spá fyrir um hvenær starfsemi heilanna breyttist og atferli dýranna þá einnig.
Jennifer uppgötvaði lítinn fjölda af taugafrumum sem byrjuðu að senda frá sér taugaboð nokkrum sekúndum áður en dýrin hófu veiðina.
Uppgötvunin gaf til kynna að það réðist af örfáum taugafrumum hvenær starfsemi heilans breytist. Þessar frumur eru að öllum líkindum virkjaðar af skynhrifum sem t.d. hreyfingar ildýra hrinda af stað og hreyfingarnar búa fiskalirfurnar undir það hvenær veiðin eigi að hefjast.
Hægagangur í tauganetinu
Uppgötvun á breytilegri heilastarfsemi í þessum einföldu dýrum vekur áhuga margra, því mynstrið í heild sinni líkist mjög starfsemi meðvitundar okkar.
Heilinn í okkur verður stöðugt fyrir ógrynni skynhrifa sem meðvitundin hefur engin tök á að taka afstöðu til. Fyrir vikið flokkar heilinn upplýsingarnar með því móti að einungis mikilvægustu hugsanirnar berast meðvitundinni. Þegar upplýsingarnar svo berast þangað getum við tekið afstöðu til þeirra og ef nauðsyn krefur, gripið til aðgerða.
Heili okkar leysir verkefnið með notkun svokallaðs tómagangstauganets en um er að ræða stöðugt ástand í heila þar sem taugaboðin flytjast í sérlegu mynstri milli heilastöðvanna fyrir m.a. minni, innlifun og íhugun.
Tauganet þetta erfiðar til muna þegar við einbeitum okkur ekki að neinu og látum hugann reika en slík heilastarfsemi kemst aldrei alla leið að meðvitundinni.
Tómagangstauganetið eyðir alls 80 hundraðshlutum af samanlagðri orkunotkun heilans. Þegar svo eitthvað óvænt gerist getur heilinn lokað alveg fyrir tauganet þetta og skipt yfir í athyglistauganetið.
Þannig verðum við meðvituð um það sem er að gerast og fær um að meta aðstæður. Ef þörf krefur er svo gerlegt að fara yfir í þriðja heilaástandið, aðgerðatauganetið sem sér til þess að líkaminn bregðist við.
Dýr sjá sjálf sig í spegli
Líkindin milli okkar og dýranna gefa til kynna að dýrin að mörgu leyti hugsi líkt og við mennirnir en vísindamennina skortir enn svör við því hvort dýrin hafi jafnframt yfir að ráða meðvitund líkt og við.
Meðvitund hefur löngum verið álitin vera fyrirbæri sem einungis menn búi yfir og hugsanlega örfáar aðrar tegundir en til þessa hafa vísindamenn orðið að fylgjast með atferli dýranna til þess að öðlast nokkra hugmynd um hvað á sér stað í höfðinu á þeim.
Speglaprófið er eitt af sígildu prófunum. Þar er komið fyrir merki á dýrinu í deyfingu og er merkið ekki sýnilegt dýrinu.
Þegar dýrið vaknar er það sett fyrir framan spegil. Ef dýrið reynir að fjarlægja merkið gera vísindamennirnir ráð fyrir að dýrið sé þess meðvitað að spegilmyndin sýni það sjálft og sé fyrir vikið meðvitað um tilvist sína.
Börn niður í um það bil átján mánuði, mannapar, höfrungar og skjóir eru meðal þeirra sem staðist hafa prófið.
MYNDBAND: Hér má sjá skjó standast speglaprófið.
Sumir vísindamenn hafa þó efasemdir um gagnsemi speglaprófsins.
Rannsókn frá árinu 2011 leiddi t.d. í ljós að börn upp að þriggja til fjögurra ára aldri bregðast ólíkt við þegar þau horfa á sjálf sig í spegli með merki á enninu og segja vísindamenn menningarmun ráða ólíkum viðbrögðum. Í Bandaríkjunum og Kanada reyndu rösklega þrír-fjórðu hlutar barnanna að fjarlægja merkið á meðan innan við þrjú prósent gerðu það í Kenýa og á Fiji-eyjum.
Vísindamennirnir að baki rannsókninni telja að börn á Vesturlöndum hugi meira að útlitinu og séu fyrir vikið ákafari í að lagfæra örlitla útlitsgalla á meðan börn utan Vesturlanda hafi minni áhuga á útlitinu.
Menningaráhrifin hafa einnig sitt að segja þegar kemur að górillum. Villtar górillur standast yfirleitt ekki speglaprófið en górillur í búri gera það að öllu jöfnu.
Prófið segir fyrir vikið ekki nákvæmlega til um meðvitundina.
Rafskaut koma upp um hugsanir
Í stað þess að notast við speglaprófið geta vísindamenn nú horft beint inn í heilann.
Af siðfræðilegum ástæðum geta þeir þó ekki notað kalsíummyndhverfingu á stórum dýrum í líkingu við apa og hunda, sökum þess að aðferðin krefst erfðabreytingar og að hluti höfuðkúpunnar sé fjarlægður til að afhjúpa heilann.
Aðferðinni hefur hins vegar verið beitt á mýs en þær 70 milljón taugafrumur sem mýs hafa yfir að ráða eru í mörgum lögum og fyrir vikið vandkvæðum bundið að koma auga á einstaka lýsandi frumur.
Þetta leiddi til þess að fjölþjóðlegt teymi vísindamanna þróaði árið 2017 svonefnda taugadílatækni.
Í aðferð þessari er notuð nál með um þúsund rafskautum sem hægt er að bora allt að sentimetra inn í heila músanna, þ.e. næstum alla leiðina í gegn. Inni í heilavefnum komast rafskautin í tengsl hvert við sína taugafrumu og rafskautið skynjar þegar fruman sendir frá sér rafboð.
Dýrin líða ekki fyrir tækni þessa og þó svo að nálin með leiðslum sínum minni einna helst á pípuhatt getur músin engu að síður hlaupið um og hegðað sér eðlilega.
Vísindamenn geta komið fyrir mörgum 0,07 mm breiðum taugadílanálum í heilum músanna í einu. Pakkinn á höfði dýrsins vegur alls 400 mg.
Oft nota vísindamennirnir margar nálar til að mæla nokkur þúsund taugafrumur inni í heilanum og beita að sama skapi kalsíummyndhverfingu til að skrá starfsemi minnst 10.000 frumna í efsta laginu.
Í einni tilrauninni studdist heilasérfræðingurinn Karl Deisseroth við taugadíla til að lesa úr því mynstri í heilastarfseminni sem lætur mýs finna fyrir þorsta.
Aðrar tilraunir hafa leitt í ljós að þegar mýs eiga að leysa tiltekið verkefni eru heilar þeirra önnum kafnir við einhverja starfsemi sem engan veginn tengist því verkefni sem þær eiga að leysa.
Þriðjungur þessarar starfsemi tengist því að hreyfa vöðva en afgangurinn virðist varða hugarstarf.
Ýmsir vísindamenn líta á nýju aðferðirnar sem tímamót í rannsóknum á dýraheilum. Eftir því sem tækninni fleygir fram verður hugsanlega unnt að beita aðferðunum á stærri dýr, í líkingu við hunda og apa.
Hundar eru með færri tengingar
Vísindamenn hafa tekið miklum framförum hvað snertir skilning á hugsunum hunda. Þeim hefur tekist að kortleggja heila þeirra sem er ekki stærri en sítróna og niðurstöður þeirra gefa góðar vísbendingar um andlega getu dýranna.
1 – Stoltið er staðsett í heilaberkinum
Ennisblaðið (gult) og hvirfilblaðið (appelsínugult) eru ábyrg fyrir afleiddum tilfinningum í mönnum, þ.e. tilfinningum í líkingu við sektarkennd, vonleysi og stolt. Þessi svæði fylla heil 85% af heilaberkinum í okkur mönnunum en sömu svæði nema aðeins 20% í hundum.
2 – Tengingar segja til um orsökina
Taugatengingar milli heilabarkarins sem er ábyrgur fyrir hugsun, svo og randkerfisins (gult), þar sem unnið er úr hugsunum, gagnast okkur við að skilja tilfinningar okkar. Hundar eru með talsvert færri tengingar af þessari gerð en við mennirnir.
3 – Sjónstöðvar fylla okkur grunsemdum
Tilfinningar á borð við grunsemdir gera kröfur um að við getum lesið úr andlitssvipbrigðum og stór hluti af sjónstöðvum okkar (gult) gerir ekkert annað en þetta. Í hundum er annað heilasvæði sem sinnir þessu verkefni sem einnig hefur á sinni könnu ýmis önnur verkefni.
Hundar eru með færri tengingar
Vísindamenn hafa tekið miklum framförum hvað snertir skilning á hugsunum hunda. Þeim hefur tekist að kortleggja heila þeirra sem er ekki stærri en sítróna og niðurstöður þeirra gefa góðar vísbendingar um andlega getu dýranna.
1 – Stoltið er staðsett í heilaberkinum
Ennisblaðið (gult) og hvirfilblaðið (appelsínugult) eru ábyrg fyrir afleiddum tilfinningum í mönnum, þ.e. tilfinningum í líkingu við sektarkennd, vonleysi og stolt. Þessi svæði fylla heil 85% af heilaberkinum í okkur mönnunum en sömu svæði nema aðeins 20% í hundum.
2 – Tengingar segja til um orsökina
Taugatengingar milli heilabarkarins sem er ábyrgur fyrir hugsun, svo og randkerfisins (gult), þar sem unnið er úr hugsunum, gagnast okkur við að skilja tilfinningar okkar. Hundar eru með talsvert færri tengingar af þessari gerð en við mennirnir.
3 – Sjónstöðvar fylla okkur grunsemdum
Tilfinningar á borð við grunsemdir gera kröfur um að við getum lesið úr andlitssvipbrigðum og stór hluti af sjónstöðvum okkar (gult) gerir ekkert annað en þetta. Í hundum er annað heilasvæði sem sinnir þessu verkefni sem einnig hefur á sinni könnu ýmis önnur verkefni.
Heilar dýranna eru að öllu jöfnu einfaldari í allri uppbyggingu en heilar okkar mannanna en vísindamenn vita enn ekki fyrir víst hvaða áhrif þetta hefur á hugsanir dýranna og meðvitund þeirra.
Vonir eru bundnar við að tækni á borð við taugadíla muni brátt geta leitt þetta í ljós.
Ormar gagnast gegn geðveiki
Hugsunum dýranna svipar til hugsana okkar og fyrir bragðið geta dýrin gagnast okkur þegar heilar okkar hegða sér óhagkvæmilega. Nákvæmar mælingar á heilastarfsemi orma, fiska og músa geta t.d. skipt sköpum fyrir meðhöndlun sjúkdóma í líkingu við geðklofa, þunglyndi, ADHD og alsheimer.
Vísindamenn vita nú þegar að kvillar þessir hafa truflandi áhrif á hægagangstauganetið. Starfsemi þessa nets stöðvast að öllu jöfnu þegar aðgerðanetið tekur yfir. Á þann hátt reynist heilanum auðvelt að skipta úr óeinbeittum innri heimi yfir í einbeittan ytri heim þegar þörf krefur.
Með því að rannsaka hvernig heilavirkni dýra á borð við hringorma breytist, hefur vísindamönnum tekist að finna nýjar aðferðir til að meðhöndla geðræna kvilla.
Þó sýndu heilaskimanir í franskri rannsókn árið 2014 að hægagangsnetið stöðvaðist ekki, líkt og það ætti að gera, þegar börn með ADHD einbeittu sér að tilteknu verkefni.
Í annarri rannsókn, að þessu sinni í Kína, kom í ljós að margir sjúklingar með geðklofa eru með óeðlilega starfsemi í hægagangsnetinu sem gerir þeim erfitt fyrir með að greina á milli eigin innri heims og þess ytri. Þetta kann að vera skýringin á ofsjónum sumra sjúklinganna.
Með því að fylgjast grannt með hvernig taugafrumurnar 302 sem hringormurinn hefur yfir að ráða fara úr einu heilaástandi yfir í annað vonast vísindamenn til að koma upp um nýja starfsemi sem leiða muni í ljós hvernig heilar okkar mannfólksins virka.
Þessi nýja starfsemi ætti svo að geta leitt af sér nýjar tegundir lyfja sem gagnast geta fólki með ADHD eða geðklofa til að eignast betra líf.
