Med sina 302 hjärnceller har rundmasken Caenorhabditis elegans inte många pusselbitar att jobba med. Trots det tänker och känner det endast en millimeter långa djuret på många sätt som vi.
Det har forskare kunnat visa med hjälp av en ny teknik som gör det möjligt att se varje nervsignal i maskens mikroskopiska hjärna som en liten lampa.
Med liknande metoder, där elektroder förs djupt in i hjärnan, kan forskarna också detaljerat följa hjärnaktiviteten hos större djur, utan att störa deras beteende.
Resultaten visar att även små djur är mer än bara enkla maskiner som utför automatiska handlingar. De överväger alternativ och anpassar sitt beteende till olika situationer.
Snart kan kanske de nya teknikerna avslöja vad djuren tänker om sin egen existens.
Även med så få som 302 hjärnceller beter sig Caenorhabditis elegans som en tänkande varelse, eftersom nervsignalerna inte alltid följer samma banor, utan beroende på de aktuella omständigheterna ändrar riktning och hittar nya vägar mellan hjärncellerna.
Forskarnas nya tekniker har redan gett oss överraskande insikter i djurens inre liv – och snart kommer de kanske också att kunna avslöja vad djuren tänker om sin egen existens.
Signaler lyser upp hjärnan
En av de nya metoderna, kalciumavbildning, påvisar mängden kalciumjoner i kroppens celler.
Denna teknik drar nytta av det faktum att en nervcell normalt bara innehåller ett litet antal kalciumjoner, men att jonerna strömmar till varje gång cellen avger en signal. När nervsignalen väl har skickats iväg pumpas jonerna ut igen.
Forskarna synliggör kalciumjonerna genom att genmodifiera djuret, så att det bildar ett visst protein som ger ifrån sig ljus när det kommer i kontakt med kalciumjoner. De olika nervcellerna i hjärnan avger då ett kortvarigt sken varenda gång de avger en signal.
Ljusshow visar vägen i rundmaskens tankar
En blå hjärna som lyses upp av små gula glimtar. Forskare har skapat genmodifierade rundmaskar vars hjärnceller börjar lysa när de avger en signal. På så vis kan forskarna följa djurens tankar.
1. Genmodifiering gör nervcellerna blå
Forskarna genmodifierar en rundmask så att dess nervceller bildar en molekyl som består av de två proteinerna CFP och YFP, som är hopkopplade med en liten kedja. När forskarna belyser nervcellen med UV-ljus blir CFP blått, medan YFP inte lyser alls.
2. Joner strömmar in i cellen
När nervcellen tar emot en signal från en annan nervcell aktiveras den och börjar själv sända en signal. Samtidigt öppnar den så kallade jonkanaler på cellytan och släpper in kalciumjoner.
3. Nervcell ändrar färg till gult
Kalciumjonerna binder till kedjan, så att de två proteinerna CFP och YFP kommer i kontakt med varandra. CFP:s blå ljus absorberas då av YFP, som omvandlar det till gult ljus. Nervcellen blir därför tillfälligt gul.
Denna teknik kan användas på levande djur som rör sig fritt, vilket gör det möjligt för forskare att följa djuren medan de uppvisar sitt normala beteende.
Hos djur med endast få hjärnceller, som rundmaskar, är kalciumavbildning en idealisk teknik, eftersom forskarna kan kartlägga aktiviteten i varje nervcell.
Detta faktum drog biofysikern Aravinthan Samuel nytta av år 2020 för att studera vad som händer i huvudet på masken när den har sex.
Hjärnan växlar mellan olika tillstånd
Samuel observerade sju hanar och upptäckte att 46 nervceller styrde hela parningen och att särskilda mönster av hjärnaktivitet kännetecknade aktens olika steg.
Hjärnan befann sig i olika tillstånd beroende på om hanen letade efter en partner, försökte hitta partnerns könsöppning, utförde parningsrörelser eller fick utlösning.
Till forskarnas förvåning uppvisade de sju hanarna inte samma mönster av hjärnaktivitet, utan utförde parningen på olika sätt.
Tidigare har forskarna trott att djur som rundmaskar är så enkla att de bara kan följa automatiska, fastlagda aktivitetsmönster, men så är det alltså inte.
De sju hanarnas hjärnaktivitet var dock så pass likartad att forskarna med hjälp av sina kunskaper om de övriga hanarna tämligen exakt kunde förutsäga när en hane skulle övergå från ett steg i parningsakten till ett annat.
År 2019 fick molekylärbiologen Jennifer Li ett liknande resultat när hon studerade zebrafisklarver. Med sina 100 000 nervceller är dock fisklarvens hjärna betydligt mer avancerad än maskens.
Celler förutsäger beteende
I Jennifer Lis studie simmade zebrafisklarverna, som är stora som ögonfransar, runt i vatten som var bara en knapp en millimeter djupt och hade en diameter på endast 35 millimeter. Där kunde larverna jaga små toffeldjur medan Li följde deras hjärnaktivitet med kalciumavbildning.
Precis som maskarna uppvisade fiskarna särskilda tillstånd beroende på sitt beteende, till exempel om de letade efter ett byte eller aktivt jagade det.
Zebrafisken börjar sitt liv som en liten larv. Den är genomskinlig, vilket innebär att forskarna kan se in till nervsystemet.
Även här kunde forskarna med hjälp av mönstren förutsäga när hjärnan skulle växla tillstånd, så att djuren förändrade sitt beteende.
Li upptäckte en handfull nervceller som började signalera flera sekunder innan djuret inledde sin jakt.
Hennes upptäckt tyder på att relativt få nervceller avgör när hjärnan ska växla tillstånd. Dessa celler aktiveras troligen av sinnesintryck som utlöses av exempelvis ett toffeldjurs rörelser, vars aktivitet förbereder fisken på att den ska börja jaga.
Nätverk går på tomgång
Upptäckten av växlande hjärntillstånd hos enkla djur är intressant, eftersom det överordnade mönstret påminner mycket om det sätt på vilket vårt eget medvetande fungerar.
Eftersom hjärnan utsätts för ett ständigt bombardemang av sinnesintryck blir det omöjligt för medvetandet att ta in all information. Det löser hjärnan genom att sovra bland all information, så att bara de viktigaste tankarna når medvetandet. Väl där kan vi förhålla oss till dem – och vid behov agera utifrån dem.
Hjärnan löser den här uppgiften med hjälp av det så kallade tomgångsnätverket, ett stabilt tillstånd i hjärnan i vilket nervsignalerna uppvisar karakteristiska mönster mellan hjärnans centrum för bland annat minne, inlevelseförmåga och eftertanke.
Detta nätverk går på högvarv när vi inte koncentrerar oss på något särskilt, utan har huvudet fullt av olika tankar som aldrig riktigt når fram till vårt medvetande.
Tomgångsnätverket står för hela 80 procent av hjärnans energiförbrukning, men när det händer något oväntat kan hjärnan snabbt stänga av det och växla över till uppmärksamhetsnätverket.
På så vis blir du medveten om det som sker och kan göra en bedömning av situationen. Vid behov kan du sedan övergå till ett tredje hjärntillstånd, handlingsnätverket, som ser till att din kropp reagerar fysiskt.
LÄS ÄVEN: Här är världens fulaste djur – rösta på din favorit
Djur ser sig själva i spegeln
Likheterna mellan oss och djuren tyder på att djuren på många sätt faktiskt tänker som vi. Forskarna saknar dock fortfarande svar på om djuren även är självmedvetna på samma sätt som vi.
Självmedvetande har länge betraktats som ett fenomen som är unikt för människan och eventuellt ett fåtal arter till, och hittills har forskarna varit tvungna att iaktta djurens beteende för att få en bild av vad som händer i huvudet på dem.
Ett klassiskt försök är spegeltestet. Då sövs djuret och får ett märke på ett ställe på kroppen som djuret inte ser.
När djuret vaknar placeras det framför en spegel. Om djuret försöker få bort märket tar forskarna det som ett tecken på att djuret är medvetet om att spegelbilden visar djuret självt och att det därmed är medvetet om sin egen existens.
Så små barn som ett och ett halvt-åringar, människoapor, delfiner, elefanter och skator tillhör dem som har klarat provet.
🎬 VIDEO: Skata klarar spegeltestet
Vissa forskare ifrågasätter dock spegeltestets värde.
En studie från år 2011 visade till exempel att det är stora kulturella skillnader på hur barn ända upp till tre–fyra år reagerar när de ser sig själva i spegeln med ett märke i pannan. I USA och Kanada skyndade sig över tre fjärdedelar av barnen att ta bort märket, medan under tre procent gjorde det i Kenya och Fiji.
Forskarna bakom studien tror att barn i väst tänker mer på sitt utseende och därför vill rätta till små skönhetsfel, medan icke-västliga barn bryr sig mindre om sådant.
Kulturella faktorer påverkar även gorillor. Vilda gorillor klarar vanligen inte spegeltestet, medan djur i fångenskap normalt gör det.
Testet ger alltså inte någon exakt bild av självmedvetenheten.
Elektroder skvallrar om tankar
I stället för spegeltestet kan forskarna nu se in i hjärnan.
Av etiska skäl kan de emellertid inte använda kalciumavbildning på stora djur som apor eller hundar, eftersom tekniken både kräver genmodifiering och att en del av kraniet avlägsnas för att blottlägga hjärnan.
Metoden har använts på möss, men deras 70 miljoner nervceller ligger i olika lager, vilket gör det svårt att se när de enskilda cellerna lyser upp.
Därför utvecklade en internationell forskargrupp år 2017 tekniken neuropixels.
Då används en nål med cirka tusen elektroder som kan föras upp till en centimeter in i mushjärnan, det vill säga nästan hela vägen igenom den. Inne i hjärnvävnaden kommer elektroderna i kontakt med var sin nervcell och när cellen avger en signal registreras det av elektroden.
Djuren tar inte skada av ingreppet, och trots att nålen med sina kablar ser ut som en hög hatt kan musen röra sig fritt och bete sig som vanligt.
Forskarna kan sätta in flera av de endast 0,07 millimeter breda nålarna i mushjärnan samtidigt. Paketet på djurets huvud väger 400 milligram.
Forskarna använder ofta flera nålar för att mäta ett par tusen nervceller djupt inne i hjärnan. Samtidigt används kalciumavbildning för att registrera aktiviteten hos 10 000 eller fler celler i hjärnans översta lager.
I ett försök använde hjärnforskaren Karl Deisseroth neuropixels för att avkoda det mönster av hjärnaktivitet som får möss att känna sig törstiga.
Andra försök har visat att när möss utför en viss uppgift så har deras hjärna samtidigt fullt upp med en aktivitet som inte har någonting med den aktuella uppgiften att göra.
En tredjedel av denna aktivitet är förknippad med att röra muskler, men resten tycks vara ren tankeverksamhet.
Flera forskare betraktar de nya metoderna som ett genombrott i utforskningen av djurs hjärnor. I takt med att teknikerna utvecklas kommer vi kanske också att kunna använda dem på större djur som apor eller hundar.
Hundar har färre kopplingar
Forskarna har redan tagit ett viktigt steg mot förståelsen av hundens tankar. De har kartlagt hundhjärnan, som inte är större än en citron, och deras fynd ger en viktig fingervisning om djurets mentala kapacitet.
1. Stolthet sitter i hjärnbarken
Hos människor ansvarar pannloben (gult) och hjässloben (orange) för sekundära känslor, det vill säga komplexa känslor som skuld, hopplöshet och stolthet. Hos oss utgör dessa områden 85 procent av hjärnbarken, medan de hos hundar bara utgör 20 procent.
2. Kopplingar hittar orsaken
Nervförbindelser mellan hjärnbarken, som ansvarar för kognition, och limbiska systemet (gul), som hanterar känslor, hjälper oss att förstå orsaken till våra känslor. Hundar har betydligt färre av dessa kopplingar än vi människor.
3. Syncentrum gör oss misstänksamma
Känslor som misstänksamhet kräver att vi kan tolka ansiktsuttryck och en stor del av vårt syncentrum (gult) ägnar sig uteslutande åt den uppgiften. Hos hundar sköts detta av ett område som även är upptaget med andra uppgifter.
Djurs hjärna har i regel en väsentligt enklare uppbyggnad än vår, men forskarna vet ännu inte exakt vad det innebär för deras tankar och deras grad av självmedvetenhet.
Det kommer tekniker som neuropixels förmodligen snart att kunna visa.
Maskar hjälper psykiskt sjuka
Djurens sätt att tänka påminner om vårt. Därför kan de vara till hjälp när vår hjärna inte fungerar som den ska. De nya, exakta mätningarna av maskars, fiskars och möss hjärnaktivitet kan till exempel få betydelse för behandling av sjukdomar som schizofreni, depression, adhd och Alzheimers sjukdom.
Redan i dag vet forskarna att dessa sjukdomar stör tomgångsnätverket. Normalt stängs detta nätverk av när handlingsnätverket ska ta över. Det gör att hjärnan enkelt kan växla mellan en ofokuserad inre tankevärld och en fokuserad yttre värld när så krävs.
Genom att studera hur djur som rundmaskar växlar mellan två hjärntillstånd kan forskarna hitta nya sätt att behandla psykiska sjukdomar.
I en fransk studie från år 2014 visade hjärnskanningar att tomgångsnätverket inte stängdes av som det borde göra när barn med adhd fokuserade på en viss uppgift.
En kinesisk studie har också visat att många schizofrena patienter har onormal aktivitet i tomgångsnätverket, vilket gör det svårt för dem att skilja mellan sin egen, inre värld och omvärlden. Det kan vara därför de drabbas av hallucinationer.
Genom att studera hur till exempel rundmaskens 302 nervceller växlar mellan olika hjärntillstånd hoppas forskarna kunna upptäcka nya mekanismer som visar hur vår egen hjärna fungerar.
I slutändan kan dessa nya mekanismer bli mål för nya typer av läkemedel, som kan hjälpa personer med exempelvis adhd eller schizofreni att få ett bättre liv.