For Nicholas Strausfeld er en lille hjerne en smuk ting. I løbet af sin 35-årige karriere har neurobiologen ved University of Arizona i Tucson undersøgt de meget små hjernestrukturer hos kakerlakker, vandinsekter, fløjlsorme, saltvandsrejer og snesevis af andre hvirvelløse dyr. Ved hjælp af mikroskoper, pincetter og håndbygget elektronik har han og hans ph.d.-studerende – så nænsomt som muligt – skildret, celle for celle, hvordan hjernestrukturer på størrelse med flere saltkorn fungerer. Ud fra denne kedelige analyse konkluderer Strausfeld, at insekter har “de mest sofistikerede hjerner på denne planet”.
Strausfeld og hans studerende er ikke alene om deres hengivenhed. Bruno van Swinderen, der er forsker ved Neurosciences Institute (NSI) i San Diego, finder antydninger af højere kognitive funktioner hos insekter – spor til det, som et videnskabeligt tidsskrift kaldte “bevidsthedens fjerne rødder”.
“Mange mennesker ville afvise tanken om, at insekter skulle have en hjerne, der på nogen måde kan sammenlignes med primaters hjerner”, tilføjer Strausfeld. “Men man er nødt til at tænke på de principper, der ligger til grund for, hvordan man sætter en hjerne sammen, og disse principper er sandsynligvis universelle.”
Fundene er kontroversielle. “De beviser, som jeg har set indtil videre, har ikke overbevist mig,” siger Gilles Laurent, der er neurovidenskabsmand på Caltech. Men nogle forskere overvejer muligheder, der ville chokere de fleste lægmandsobservatører. “Vi har bogstaveligt talt ingen idé om, på hvilket niveau af hjernens kompleksitet bevidstheden stopper,” siger Christof Koch, en anden Caltech-neurovidenskabsmand. “De fleste mennesker siger: ‘For himlens skyld, et insekt er ikke bevidst.’ Men hvordan kan vi vide det? Vi er ikke længere sikre. Jeg dræber ikke insekter unødigt længere.”
Heinrich Reichert fra universitetet i Basel i Schweiz er blevet mere og mere interesseret i “alle hjerners beslægtethed”. Reicherts egne undersøgelser af hjernens oprindelse fører til en lidet kendt forfader, et ydmygt væsen kaldet Urbilateria, som vred sig og svømmede for næsten en milliard år siden. Urbilateria er bedstefar til alle bilateralt symmetriske dyr og er forfader til edderkopper, snegle, insekter, padder, fisk, orme, fugle, krybdyr, pattedyr, krabber, muslinger – og ja, mennesker.
Der er naturligvis god grund til at betragte insekthjerne som primitive – i hvert fald kvantitativt set. Mennesker besidder 100.000.000.000.000 hjerneceller. En kakerlak har næsten 1.000.000.000 hjerneceller; en frugtflue kun 250.000. Alligevel udøver insekterne en imponerende informationshåndtering: De pakker neuroner 10 gange tættere ind i deres hjerner end pattedyr gør. De bruger også hver enkelt hjernecelle mere fleksibelt end pattedyr. Flere vidtforgrenede ranke af en enkelt neuron kan hver især handle uafhængigt af hinanden – hvilket øger regneevnen uden at øge antallet af celler. På en eller anden måde gør dette kredsløb det muligt for en honningbi med knap en million neuroner om bord at bevæge sig seks miles fra sit bistade, finde føde og tage direkte hjem. Kun få mennesker ville kunne gøre det samme selv med et kort og et kompas.
Overfladisk set ligner hjernerne hos insekter og pattedyr ikke hinanden. Kun ved at studere forbindelserne celle for celle viser den forbløffende lighed sig. En eftermiddag viser Christopher Theall, en af Strausfelds ph.d.-studerende, mig sin egen forsøgsopstilling, hvor han kan trykke sig ind i en del af kakerlakkers hjerne, der er kendt som svampekroppen. Denne svampeformede hjernestruktur menes at være analog med pattedyrenes hippocampus, en hjernekomponent, der er involveret i dannelsen af erindringer om steder.
“Det, vi forsøger at gøre,” siger Theall, da vi træder ind i et trangt laboratorium, “er at nedskalere de teknikker, der er blevet brugt i rotte- og primathjerner – nedskalere dem til en hjerne, der er en tusindedel af størrelsen.”
Thealls forsøgsapparat hviler på et bord, der svæver på vibrationsabsorberende trykluft. Selv en vogn, der rasler i gangen udenfor, kan underminere eksperimentet. Fordi Theall skal registrere nerveimpulser, der kun udgør en ^1/10.0000 volt, er bordet omsluttet af et bur, der blokerer elektromagnetisk interferens fra rummets lys. Under et mikroskop arbejder Theall med en pincet, rolige hænder og tilbageholdt åndedræt for at lave kobbertråd, der kun er to gange så stor som en rød blodcelle i diameter, til elektroder, som han vil indsætte i kakerlakkens hjerne.
“De er skrøbelige”, siger han. “Selv en brise fra en døråbning kan ødelægge et par timers arbejde.”
Efter 20 timers forberedelse er Theall klar til at udføre eksperimentet. Ved at dreje på en knap, mens han kigger ind i mikroskopet, sænker han elektroden ned i kakerlakkens hjerne, indtil den hviler i et af svampelegemerne. I løbet af eksperimentet vil Theall træne kakerlakken til at optjene en belønning: Hvis insektet peger sin antenne mod bestemte landemærker, vil det modtage spændende pust af peanutbutterlugt. Theall ønsker at lytte til neuroner for at fastslå, hvordan de bidrager til at lære placeringen af disse landemærker.
Det sidste trin i eksperimentet – dissektion af svampelegemet – giver Theall mulighed for at se de to eller tre celler, han har overvåget. Fordi cellerne har absorberet kobber, der er frigivet fra elektroden, kan han adskille dem fra de 200.000 andre hjerneceller i svampekroppen. Derefter tegner Theall strukturen af hver enkelt celle ved hjælp af pen, papir og en lysboks. Det er som at tegne et knudret egetræ ned til den sidste kvist, og det kan tage to dage at rekonstruere en enkelt celle. Theall, en typisk studerende i Strausfelds laboratorium, vil udføre hundredvis af eksperimenter som disse, før hans ph.d. er færdig.
Theall og Strausfeld ved aldrig, hvilken af de titusindvis af celler, de vil ramme, når de tapper på en kakerlaks svampekrop. Ved at gentage eksperimentet igen og igen er de imidlertid ved at samle et billede af, hvilke celletyper der findes, hvordan disse celler fungerer under opgaver med stedhukommelse, og hvilke former for forbindelser de danner med andre celler. Celle for celle håber de at kunne stykke strukturens kredsløb sammen.
Under en snak på sit kontor skitserer Strausfeld et svampelegeme og påpeger flere paralleller til hippocampus, det hjernecenter, der er helliget hukommelse og stedbestemmelse hos pattedyr. Basen består af tusindvis af parallelle nervefibre, der løber sammen som årerne i et stykke træ. Længere oppe fra basen sender fibrene forbindelser ud i sløjfer, der ligner kandehåndtag på en motorvej; det er denne form, der har givet denne del af hjernen navnet “svampekroppen”. Forbindelserne samler sig igen med fibrene højere oppe, nær toppen. Strausfeld formoder, at disse sløjfebaner samler relaterede stykker information, ligesom synet og lugtene fra forskellige landemærker, som en kakerlak møder den ene efter den anden, når den rejser til og fra sit hjem.
“Strukturens geometri”, siger han, “minder så mærkeligt meget om hippocampus.” Strausfeld og andre leder efter ledetråde til, om lighederne skyldes et dybt og gammelt slægtskab eller blot analoge løsninger, der udviklede sig uafhængigt af hinanden for at hjælpe med at overleve.
I sit underjordiske laboratorium på Neurosciences Institute observerer van Swinderen en flue, der er ophængt i noget, der svarer til en IMAX-biograf i miniaturestørrelse. Opstillingen er designet til at overvåge fokuseringen af opmærksomheden i en flues hjerne. En LED-skærm er viklet rundt om fluen og viser en sekvens af blinkende objekter foran dens øjne, to objekter ad gangen. Lige nu er det et X og en firkant. X’et flimrer 12 gange i sekundet og kvadratet 15 gange i sekundet.
Van Swinderen har indsat en elektrode i fluens hjerne for at overvåge dens neurale aktivitet. De takkede hjernebølger, der trænger igennem elektroden, ruller over en computerskærm. Dybt begravet i det uoverskuelige virvar af takkede to små signaler: en bølge, der stiger og falder 12 gange i sekundet, og en anden, der stiger og falder 15 gange i sekundet. Disse to bølger udgår fra tusindvis af hjerneceller, der reagerer på de to flimrende objekter. Jo flere celler, der reagerer enslydende på et givet objekt, jo højere er den tilsvarende bølge. Ved at notere, hvilken bølge der er højere, kan van Swinderen se, hvilket mål fluen retter mest opmærksomhed mod.
Van Swinderen foretrækker at kalde det “salience” frem for “opmærksomhed”, fordi han ikke ønsker at antyde, at fluerne er bevidste. Men uanset hvad dette perceptuelle fokus kaldes, har det at finde det hos en flue store konsekvenser for forståelsen af rødderne til bevidsthed hos mennesker. Hvert sekund bliver vi oversvømmet af sanseinformation fra vores øjne, ører, næse og hver eneste centimeter af vores hud. Opmærksomhedens omstrejfende spotlight – vores sindets øje – bestemmer, hvilken lille brøkdel af denne tilstrømning vi rent faktisk lader ind i vores bevidsthed og muligvis gemmer som hukommelse.
Van Swinderen optager ofte hjernebølger samtidig fra tre steder i et stort insekthjerneområde kaldet det mediale protocerebrum. Ved første øjekast kan de sammenblandede bølger fra disse områder virke lige så varierede som lyden af Mozart, Sex Pistols og Tuvan-halssang. Men så længe fluen er vågen og opmærksom på noget, findes der i dette virvar et kor af neuroner, der spiller det samme bølgemønster i koncert på tværs af alle tre områder. Dette bølgemønster repræsenterer den ting, som fluen er opmærksom på, og når dens opmærksomhed skifter fra en ting til en anden, ændres bølgemønsteret også. Van Swinderen kan registrere koret, fordi han omhyggeligt har designet sit eksperiment med en lille IMAX-biograf til at bestemme, hvad fluen vil være opmærksom på. Det er en smuk illustration af opmærksomhed: alle neuroner synger den samme sang – firkantens sang.
“Opmærksomhed”, siger van Swinderen, “er et fænomen, der omfatter hele hjernen. En ting er ikke udelukkende visuel, ikke udelukkende olfaktorisk. Det er en sammenbinding af forskellige dele, der for os betyder én ting. Hvorfor kunne fluens mekanisme ikke være rettet mod en række af dens erindringer?” spørger han. “Det er for mig kun et lille hop, spring og et spring væk fra det, der kunne være bevidsthed.” Forskellen mellem en flues og et menneskes erindringer er måske et spørgsmål om grad. Mennesket kan lagre langt flere erindringer og kan derfor opretholde en mere sofistikeret personlig fortælling om sin fortid og nutid. Men van Swinderen mener, at “det kunne være nøjagtig den samme mekanisme i en flue og et menneske”. Selv om der endnu ikke er beviser til at afgøre det ene eller det andet, kunne resultatet være bevidsthed.
“Det, bevidsthed kræver,” siger Koch fra Caltech, “er sandsynligvis et tilstrækkeligt kompliceret system med massiv feedback. Insekter har det. Hvis man ser på svampekroppe, er de massivt parallelle og har feedback.”
Kemiske spor bekræfter, at i det mindste nogle grundlæggende hjerneprocesser er de samme hos mennesker og insekter. Van Swinderen og Rozi Andretic, der er neurovidenskabsmand ved NSI, har fundet ud af, at mutante fluer, der producerer for lidt af neurotransmitteren dopamin, har nedsat salience-reaktioner. Ved at fodre de muterede fluer med methamfetamin – et kemisk stof, der er beslægtet med lægemidler, der anvendes til behandling af opmærksomhedsunderskud/hyperaktivitetsforstyrrelser – afhjælpes dopaminmanglen og normaliseres fluernes opmærksomhed. Men hvis man giver metamfetamin til en normal flue, kan den ikke være lige så opmærksom. “Der findes lignende mekanismer hos hvirveldyr og fluer”, fortalte Andretic mig. “Man har brug for optimale koncentrationer af dopamin, og hvis man har for lidt eller for meget, vil man blive svækket.” Hos både mennesker og fluer kan dopamin-frigivende celler hjælpe med at koordinere fjerntliggende hjerneområder, der er involveret i fænomenet opmærksomhed.
Når man tænker på, at neuroner i sig selv er slående ens i hele dyreriget, begynder det hele at give mening. “Du har de samme grundlæggende byggesten for hvirveldyr og hvirvelløse dyr,” siger Strausfeld, “og der er visse måder, hvorpå du kan sætte disse byggesten sammen.” Så da det gjaldt om at opbygge et hjernecenter som hippocampus, der kan genkende steder, var der måske kun én måde at koble disse finurlige neuroner sammen på, så de kunne udføre opgaven – og evolutionen nåede frem til den samme løsning flere gange uafhængigt af hinanden, ligesom de genetiske instruktioner til vinger udviklede sig flere gange i forskellige slægter.
Den mere overraskende mulighed er, at hjernen måske kun har udviklet sig én gang i livets historie. Fjerntliggende fætre – kakerlakker og mennesker – kunne have arvet det grundlæggende blueprint fra en fælles forfader, Urbilateria, den sidste fælles forfader til alle bilateralt symmetriske dyr. Der findes ingen fossiler af dette væsen, men ved at anslå, hvor lang tid det tog for DNA-sekvenserne at divergere mellem fluer og mus, anslår genetikerne, at Urbilateria levede for 600 millioner til 1 milliard år siden.
I analogi med nutidens hvirvelløse havdyr mener nogle forskere, at Urbilateria gravede sig ned på havbunden som voksen og svømmede som larve med simple øjne som hos mange levende havlarver.
Anledninger til Urbilaterias hjerneplan kommer fra studier af den embryonale udvikling hos nulevende væsener. I både muse- og frugtflueembryoner har Detlev Arendt, der er evolutionsbiolog ved European Molecular Biology Laboratory i Heidelberg i Tyskland, fundet ud af, at de celler, der er involveret i dannelsen af hjernen og nervebåndet, deler sig i tre kolonner af celler. I det mindste nogle af de gener, der styrer kolonnedannelsen, er de samme hos fluer og mus. “Dette mønster er så specifikt,” siger Arendt, “at det er klart, at den sidste fælles forfader må have haft disse tre kolonner.”
Heinrich Reichert fra universitetet i Basel har fundet en anden slående lighed. Under den embryonale vækst udløser et gen, der ligner hinanden hos både fluer og mus (og dermed også hos mennesker), at hjernen deler sig i et forreste, et midterste og et bageste segment. Mus, der mangler genet, udvikler alvorlige abnormiteter i hjernen. Men ved at bytte flueversionen af genet ind i disse mutante mus korrigeres de fleste af disse abnormiteter. “Det afslører”, siger Reichert, “en dyb beslægtethed i hjernen hos fluer, fisk, mus og mennesker, som man bestemt ikke havde forventet ved blot at se på den overfladiske anatomi.”
Disse gener virker naturligvis tidligt, mens embryoet er primitivt. Så Urbilateria kunne have besiddet dem og stadig have haft næsten ingen hjerne. Det endelige svar vil komme ved at identificere og sammenligne snesevis af flere insekt- og pattedyrgener. Af særlig interesse er de gener, der er involveret i dannelsen af komplekse strukturer, der spiller lignende roller, som f.eks. svampekroppe og hippocampus.
“Millionspørgsmålet”, siger Strausfeld, “vil være, om de gener, der er involveret i udviklingen af disse strukturer, er fælles for mus og flue. Det ville selvfølgelig være spændende.”