Nicholas Strausfeld számára egy apró agy gyönyörű dolog. A Tucsoni Arizonai Egyetem neurobiológusa 35 éves pályafutása során csótányok, vízi bogarak, bársonyférgek, sós garnélák és tucatnyi más gerinctelen állat apró agyszerkezetét vizsgálta. Mikroszkópok, csipeszek és kézzel épített elektronika segítségével ő és végzős diákjai – igen óvatosan – sejtről sejtre bontják szét a néhány sószemnyi méretű agyi struktúrák működését. Ebből a fáradságos elemzésből Strausfeld arra a következtetésre jut, hogy a rovarok rendelkeznek “a legfejlettebb aggyal ezen a bolygón.”
Strausfeld és tanítványai nincsenek egyedül odaadásukkal. Bruno van Swinderen, a San Diegó-i Neurosciences Institute (NSI) kutatója magasabb kognitív funkciókra utaló nyomokat talál a rovarokban – nyomokat arra, amit egy tudományos folyóirat “a tudat távoli gyökereinek” nevezett.”
“Sokan fújolnák azt a gondolatot, hogy a rovarok agya bármilyen módon összehasonlítható a főemlősökével” – teszi hozzá Strausfeld. “De gondolni kell azokra az elvekre, amelyek az agy összeállításának alapjául szolgálnak, és ezek az elvek valószínűleg univerzálisak.”
A megállapítások ellentmondásosak. “Az eddig látott bizonyítékok nem győztek meg” – mondja Gilles Laurent, a Caltech idegkutatója. De néhány kutató olyan lehetőségeket is mérlegel, amelyek a legtöbb laikus megfigyelőt sokkolnák. “Szó szerint fogalmunk sincs arról, hogy az agy komplexitásának mely szintjén áll meg a tudatosság” – mondja Christof Koch, a Caltech egy másik idegkutatója. “A legtöbb ember azt mondja: ‘Az ég szerelmére, egy bogár nem tudatos’. De honnan tudjuk? Már nem vagyunk benne biztosak. Én már nem ölök bogarakat feleslegesen.”
Heinrich Reichert a svájci Bázeli Egyetemről egyre inkább érdeklődik “minden agy rokonsága” iránt. Reichert saját tanulmányai az agy eredetéről egy kevéssé ismert őshöz, egy szerény, Urbilateria nevű élőlényhez vezetnek, amely közel egymilliárd évvel ezelőtt vonaglott és úszott. A kétoldali szimmetriájú állatok nagyapja, az Urbilateria a pókok, csigák, rovarok, kétéltűek, halak, férgek, madarak, hüllők, emlősök, rákok, kagylók – és igen, az ember őse.
A rovarok agyát persze jó okkal tekinthetjük primitívnek – legalábbis mennyiségileg. Az emberek 100 000 000 000 000 agysejttel rendelkeznek. Egy csótánynak közel 1.000.000 agysejtje van; egy gyümölcslégynek csak 250.000. A rovarok mégis lenyűgöző információkezelést végeznek: Tízszer sűrűbben pakolják az idegsejteket az agyukba, mint az emlősök. Az egyes agysejteket is rugalmasabban használják, mint az emlősök. Egyetlen neuron több, egymástól távol eső nyúlványa is képes egymástól függetlenül működni, ami a sejtek számának növelése nélkül növeli a számítási teljesítményt. Valahogy ez az áramkör teszi lehetővé, hogy egy méh, alig egymillió neuronnal a fedélzetén, hat mérföldre kanyarogjon a kaptárától, élelmet találjon, és egyenesen hazainduljon. Kevés ember lenne képes ugyanerre még térkép és iránytű segítségével is.
A felszínen a rovarok és az emlősök agya semmiben sem hasonlít egymásra. Csak a sejtenkénti kapcsolatok vizsgálatából derül ki a meghökkentő hasonlóság. Egy délután Christopher Theall, Strausfeld egyik doktorandusza megmutatja nekem a saját kísérleti berendezését, amellyel a csótány agyának egy gombatestként ismert részét csapolja meg. Ezt a gomba alakú agyi struktúrát analógnak tartják az emlősök hippokampuszával, a helyekre vonatkozó emlékek kialakításában részt vevő agyi komponenssel.
“Amit mi próbálunk csinálni” – mondja Theall, miközben belépünk egy szűk laboratóriumba – “az az, hogy a patkányok és főemlősök agyában használt technikákat lekicsinyítjük – lekicsinyítjük őket egy ezredannyi méretű agyra.”
Theall kísérleti berendezése egy asztalon nyugszik, amely rezgéselnyelő nyomás alatt álló levegőn lebeg. Még egy kinti folyosón zörgő kocsi is alááshatja a kísérletet. Mivel Theallnak mindössze egy ^1/10,0000 voltnyi idegimpulzust kell rögzítenie, az asztalt egy ketrecbe zárták, amely blokkolja a szoba fényeinek elektromágneses interferenciáját. Theall mikroszkóp alatt csipesszel, biztos kézzel és visszafojtott lélegzettel dolgozik, és egy vörösvérsejt átmérőjének kétszeresét kitevő rézdrótot alakít ki elektródákká, amelyeket a csótány agyába helyez.
“Törékenyek” – mondja. “Még egy ajtónyitásból eredő szellő is tönkreteheti néhány óra munkáját.”
20 óra előkészület után Theall készen áll a kísérletre. Miközben a mikroszkópba nézve elforgat egy gombot, addig süllyeszti az elektródát a csótány agyába, amíg az meg nem nyugszik az egyik gombatestben. A kísérlet során Theall ezt a csótányt betanítja, hogy jutalmat kapjon: Ha a rovar az antennájával bizonyos tájékozódási pontok felé mutat, izgalmas mogyoróvajszagot kap. Theall az idegsejteket akarja lehallgatni, hogy meghatározza, hogyan járulnak hozzá e tájékozódási pontok helyének megtanulásához.
A kísérlet utolsó lépése – a gombatest felboncolása – lehetővé teszi Theall számára, hogy megnézze az általa megfigyelt két-három sejtet. Mivel a sejtek felszívták az elektródából felszabaduló rezet, meg tudja különböztetni őket a gombatestben lévő 200 000 másik agysejttől. Theall ezután toll, papír és egy fénydoboz segítségével nyomon követi az egyes sejtek szerkezetét. Ez olyan, mintha egy göcsörtös tölgyfát rajzolna le az utolsó ágig, és egyetlen sejt rekonstruálása két napig is eltarthat. Theall, Strausfeld laboratóriumának tipikus hallgatója, több száz ilyen kísérletet fog elvégezni, mielőtt befejezi a doktoriját.
Theall és Strausfeld soha nem tudja, hogy a több tízezer sejt közül melyikre fog rátalálni, amikor megcsapolják egy csótány gombatestét. A kísérletet újra és újra megismételve azonban összeállítanak egy képet arról, hogy milyen típusú sejtek léteznek, hogyan működnek ezek a sejtek a helymeghatározási feladatok során, és milyen kapcsolatokat alakítanak ki más sejtekkel. Sejtről sejtre haladva remélik, hogy össze tudják rakni a szerkezet áramköreit.
Az irodájában folytatott beszélgetés során Strausfeld felvázolja a gombatestet, rámutatva számos párhuzamra a hippokampusszal, az emlősök memóriával és helymeghatározással foglalkozó agyi központjával. A bázis több ezer párhuzamos idegrostból áll, amelyek úgy futnak egymás mellett, mint egy fadarab szemcséi. A bázistól feljebb a rostok olyan hurkokban bocsátanak ki kapcsolatokat, amelyek úgy néznek ki, mint az autópálya korsófogantyúi; ez az a forma, amely miatt az agy ezen része a “gombatest” nevet kapta. A kapcsolatok feljebb, a csúcs közelében újra egyesülnek a rostokkal. Strausfeld azt gyanítja, hogy ezek a hurokszerű pályák hozzák össze az egymással összefüggő információdarabokat, mint a különböző nevezetességek látványa és szaga, amelyekkel a csótány egymás után találkozik, miközben az otthonába és onnan hazafelé utazik.
“A szerkezet geometriája”, mondja, “olyan furcsán emlékeztet a hippokampuszra”. Strausfeld és mások arra keresik a nyomokat, hogy a hasonlóságok vajon egy mély és ősi rokonságból erednek-e, vagy egyszerűen csak analóg megoldásokból, amelyek egymástól függetlenül fejlődtek ki a túlélést segítendő.
A Neurotudományi Intézet földalatti laboratóriumában van Swinderen egy legyet figyel, amely egy miniatűr IMAX-mozihoz hasonlóan lebeg. A berendezést arra tervezték, hogy megfigyeljék a légy agyában a figyelem összpontosítását. Egy LED-képernyő tekeredik a légy köré, amely villogó tárgyak sorozatát jeleníti meg a szeme előtt, egyszerre két tárgyat. Jelenleg egy X és egy négyzet. Az X másodpercenként 12-szer, a négyzet pedig 15-ször villog másodpercenként.
Van Swinderen egy elektródát helyezett a légy agyába, hogy megfigyelje az idegi aktivitását. Az elektródán keresztül átszűrődő cakkos agyhullámok egy számítógép képernyőjén gördülnek végig. A csipkézett csúcsok zűrzavarában két apró jel van eltemetve: az egyik hullám másodpercenként 12-szer emelkedik és süllyed, a másik pedig másodpercenként 15-ször emelkedik és süllyed. Ez a két hullám több ezer agysejtből származik, amelyek a két villódzó tárgyra reagálnak. Minél több sejt tüzel együtt egy adott tárgyra, annál magasabb a megfelelő hullám. Figyelembe véve, hogy melyik hullám magasabb, van Swinderen meg tudja mondani, hogy a légy melyik célpontra irányítja nagyobb figyelmét.
Van Swinderen inkább “figyelemnek” nevezi ezt a jelenséget, mint “figyelemnek”, mert nem akarja azt sugallni, hogy a legyek tudatosak. De bárhogy is hívják ezt az észlelési fókuszt, a légyben való megtalálása óriási jelentőséggel bír az emberi tudatosság gyökereinek megértésében. Minden másodpercben érzékszervi információk árasztanak el minket a szemünkből, fülünkből, orrunkból és bőrünk minden porcikájából. A figyelem kóborló reflektora – az elménk szeme – határozza meg, hogy ennek a beáramlásnak mely apró töredékét fogadjuk be a tudatunkba, és – csak talán – emlékként tároljuk el.
Van Swinderen gyakran rögzíti az agyhullámokat egyszerre három helyről egy nagy rovar agyi régióban, a medialis protocerebrumban. Első pillantásra az ezekről a területekről érkező kusza hullámok olyan változatosnak tűnhetnek, mint Mozart, a Sex Pistols és a tuvai torokéneklés hangjai. De amíg a légy éber és figyel valamire, addig ebben a zűrzavarban neuronok kórusa létezik, amelyek mindhárom területen ugyanazt a hullámmintát zengik összehangoltan. Ez a hullámminta jelképezi azt a dolgot, amire a légy éppen figyel, és ahogy a figyelme egyik dologról a másikra változik, a hullámminta is változik. Van Swinderen azért tudja érzékelni a kórust, mert gondosan megtervezte a kísérletét a kis IMAX-színházzal, hogy meghatározza, mire fog figyelni a légy. Ez a figyelem gyönyörű illusztrációja: minden neuron ugyanazt a dalt énekli – a négyzet dalát.”
“A figyelem – mondja van Swinderen – egész agyi jelenség. Egy dolog nem tisztán vizuális, nem tisztán szaglószervi. Ez különböző részek összekapcsolása, amelyek számunkra egy dolgot jelentenek. Miért ne lehetne a légy mechanizmusát az emlékei egymásutánjára irányítani?” – kérdezi. “Ez számomra csak egy ugrásnyira van attól, ami a tudatosság lehet”. A különbség a légy és az ember emlékei között talán csak fokozati kérdés. Az ember sokkal több emléket képes tárolni, és ezért kifinomultabb személyes elbeszélést tud fenntartani a múltjáról és a jelenéről. De van Swinderen úgy véli, hogy “pontosan ugyanarról a mechanizmusról lehet szó a légyben és az emberben”. Bár még nincs bizonyíték arra, hogy bármelyik irányban is döntsünk, az eredmény lehet a tudatosság.
“Valószínűleg a tudatossághoz – mondja Koch a Caltechről – egy eléggé bonyolult rendszerre van szükség, masszív visszacsatolással. A rovarok rendelkeznek ilyennel. Ha megnézzük a gombák testét, azok masszívan párhuzamosak és van visszacsatolásuk.”
A kémiai nyomok megerősítik, hogy legalább néhány alapvető agyi folyamat azonos az emberekben és a rovarokban. Van Swinderen és Rozi Andretic, az NSI idegkutatója azt találták, hogy a dopamin nevű neurotranszmitterből túl keveset termelő mutáns legyeknél károsodtak a szalience-reakciók. A mutáns legyek etetése metamfetaminnal – a figyelemhiányos/hiperaktivitás-zavar kezelésére használt gyógyszerekkel rokon vegyi anyaggal – enyhíti a dopaminhiányt, és normalizálja a legyek figyelmét. De ha metamfetamint adunk egy normális légynek, az nem tud ugyanúgy figyelni. “Hasonló mechanizmusok vannak jelen a gerinceseknél és a legyeknél” – mondta Andretic. “Optimális dopamin-koncentrációra van szükség, és ha túl kevés vagy túl sok van, akkor károsodik a figyelem”. Mind az emberekben, mind a legyekben a dopamint felszabadító sejtek segíthetnek a figyelem jelenségében részt vevő távoli agyi régiók koordinálásában.”
Ha figyelembe vesszük, hogy maguk az idegsejtek feltűnően hasonlóak az állatvilágban, kezd értelmet nyerni a dolog. “Ugyanazok az alapvető építőelemek vannak a gerincesek és a gerinctelenek számára” – mondja Strausfeld – “és vannak bizonyos módok, amelyekkel ezeket az építőelemeket össze lehet rakni .” Tehát amikor egy olyan agyközpontot kellett felépíteni, mint a hippokampusz, amely képes felismerni a helyeket, lehet, hogy csak egyféleképpen lehetett összekötni ezeket a furcsa neuronokat, hogy elvégezzék a feladatot – és az evolúció többször, egymástól függetlenül jutott el ugyanerre a megoldásra, ahogyan a szárnyak genetikai utasításai is többször fejlődtek ki különböző vonalakban.
A még meglepőbb lehetőség az, hogy az agy talán csak egyszer fejlődött ki az élet történetében. A távoli rokonok – a csótányok és az emberek – az alapvető tervrajzot egy közös őstől, az Urbilateria-tól, az összes kétoldali szimmetriájú állat utolsó közös ősétől örökölhették. Erről az élőlényről nem maradtak fenn fosszíliák, de a genetikusok becslése alapján, hogy a legyek és az egerek DNS-szekvenciái mennyi idő alatt tértek el egymástól, úgy becsülik, hogy az Urbilateria 600 millió és 1 milliárd évvel ezelőtt élt.
A mai tengeri gerinctelen állatok analógiájára egyes tudósok úgy vélik, hogy az Urbilateria felnőttként a tengerfenéken ásott, és lárvaként úszott, egyszerű szemekkel, mint sok élő tengeri lárva.
Az Urbilateria agytervére utaló nyomok a ma élő élőlények embrionális fejlődésének tanulmányozásából származnak. Detlev Arendt, a németországi Heidelbergben működő Európai Molekuláris Biológiai Laboratórium evolúcióbiológusa egér- és gyümölcslégy-embriókban egyaránt azt találta, hogy az agy és az idegzsinór kialakításában részt vevő sejtek három sejtoszlopra osztódnak. Az oszlopok kialakulását szabályozó gének közül legalább néhány megegyezik a legyekben és az egerekben. “Ez a mintázat annyira specifikus” – mondja Arendt – “hogy nyilvánvalóan az utolsó közös ősnek is rendelkeznie kellett ezzel a három oszloppal.”
Heinrich Reichert a Bázeli Egyetemről egy másik feltűnő hasonlóságra bukkant. Az embrionális növekedés során egy gén, amely a legyeknél és az egereknél (és következésképpen az embernél is) hasonló, az agy elülső, középső és hátsó szegmensre való osztódását indítja el. Azoknál az egereknél, amelyekből hiányzik a gén, súlyos agyi rendellenességek alakulnak ki. A gén légyváltozatának beültetése ezekbe a mutáns egerekbe azonban a legtöbb ilyen rendellenességet korrigálja. “Ez olyan mély rokonságot mutat” – mondja Reichert – “a legyek, a halak, az egerek és az emberek agyában, amit a felületes anatómia alapján biztosan nem vártunk.”
Természetesen ezek a gének már korán, az embrió kezdetleges állapotában hatnak. Tehát az Urbilateria rendelkezhetett velük, és mégsem volt szinte semmi agya. A végső választ további tucatnyi rovar- és emlősgén azonosítása és összehasonlítása fogja megadni. Különösen érdekesek azok, amelyek hasonló szerepet játszó komplex struktúrák, például a gombatestek és a hippokampusz kialakításában vesznek részt.
“Az egymillió dolláros kérdés az lenne – mondja Strausfeld -, hogy az e struktúrák kialakulásában részt vevő gének közösek-e az egér és a légy között”. Ez természetesen izgalmas lenne.”