Voor Nicholas Strausfeld is een piepklein brein een prachtig iets. Gedurende zijn 35-jarige carrière heeft de neurobioloog aan de Universiteit van Arizona in Tucson de minuscule hersenstructuren van kakkerlakken, waterwantsen, fluweelwormen, pekelkreeftjes en tientallen andere ongewervelde dieren onderzocht. Met behulp van microscopen, pincetten en met de hand gebouwde elektronica halen hij en zijn afgestudeerde studenten – heel voorzichtig – de celgewijze werking uit elkaar van hersenstructuren ter grootte van enkele zoutkorrels. Uit deze moeizame analyse concludeert Strausfeld dat insecten “de meest geavanceerde hersenen op deze planeet” bezitten.

Strausfeld en zijn studenten staan niet alleen in hun toewijding. Bruno van Swinderen, een onderzoeker aan het Neurosciences Institute (NSI) in San Diego, vindt hints van hogere cognitieve functies bij insecten – aanwijzingen voor wat een wetenschappelijk tijdschrift “de verre wortels van het bewustzijn” noemde.”

“Veel mensen zouden het idee dat insecten hersenen hebben die op enigerlei wijze vergelijkbaar zijn met die van primaten, verwerpen,” voegt Strausfeld eraan toe. “Maar je moet denken aan de principes die ten grondslag liggen aan hoe je een brein in elkaar zet, en die principes zijn waarschijnlijk universeel.”

De bevindingen zijn controversieel. “Het bewijs dat ik tot nu toe heb gezien, heeft me niet overtuigd,” zegt Gilles Laurent, een neurowetenschapper aan Caltech. Maar sommige onderzoekers overwegen mogelijkheden die de meeste lekenwaarnemers zouden schokken. “We hebben letterlijk geen idee op welk niveau van hersencomplexiteit het bewustzijn ophoudt,” zegt Christof Koch, een andere neurowetenschapper van Caltech. “De meeste mensen zeggen: ‘In hemelsnaam, een insect is niet bewust.’ Maar hoe weten we dat? We weten het niet meer zeker. Ik dood niet meer nodeloos insecten.”

Heinrich Reichert van de Universiteit van Basel in Zwitserland is meer en meer geïnteresseerd geraakt in “de verwantschap van alle hersenen.” Reicherts eigen onderzoek naar de oorsprong van de hersenen leidt naar een weinig bekende voorouder, een nederig schepsel genaamd Urbilateria, dat bijna een miljard jaar geleden kronkelde en zwom. Urbilateria, de grootvader van alle tweezijdig symmetrische dieren, is de voorvader van spinnen, slakken, insecten, amfibieën, vissen, wormen, vogels, reptielen, zoogdieren, krabben, mosselen – en ja, mensen.

Er is natuurlijk een goede reden om insectenhersenen als primitief te beschouwen – althans kwantitatief. Mensen bezitten 100.000.000.000 hersencellen. Een kakkerlak heeft bijna 1.000.000 hersencellen; een fruitvlieg, slechts 250.000. Toch doen insecten aan indrukwekkend informatiebeheer: Ze proppen neuronen tien keer dichter in hun hersenen dan zoogdieren. Ze gebruiken elke hersencel ook flexibeler dan zoogdieren. Verscheidene uitlopers van één neuron kunnen onafhankelijk van elkaar werken, waardoor de rekenkracht toeneemt zonder dat het aantal cellen toeneemt. Op de een of andere manier kan een honingbij, met amper een miljoen neuronen aan boord, dankzij dat schakelsysteem zes mijl van haar bijenkorf vandaan slenteren, voedsel vinden en dan rechtstreeks naar huis gaan. Weinig mensen zouden hetzelfde kunnen, zelfs met een kaart en een kompas.

Aan de oppervlakte lijken de hersenen van insecten en zoogdieren in niets op elkaar. Alleen uit studies van cel-voor-cel verbindingen komt de verbazingwekkende gelijkenis naar voren. Op een middag laat Christopher Theall, een van Strausfelds promovendi, me zijn eigen experimentele opstelling zien om een deel van de hersenen van kakkerlakken te onderzoeken dat bekend staat als het paddenstoelenlichaam. Deze paddestoelvormige hersenstructuur wordt geacht analoog te zijn aan de hippocampus van zoogdieren, een hersencomponent die betrokken is bij het vormen van herinneringen aan plaatsen.

“Wat we proberen te doen,” zegt Theall, terwijl we een krap laboratorium binnengaan, “is de technieken die zijn gebruikt in ratten- en primatenhersenen terug te brengen tot een duizendste van de omvang.”

Theall’s experimentele apparatuur rust op een tafel die drijft op trillingsabsorberende perslucht. Zelfs een karretje dat buiten in de gang rammelt, kan het experiment ondermijnen. Omdat Theall zenuwimpulsen moet registreren die slechts één ^1/10,0000 van een volt bedragen, is de tafel omsloten door een kooi die elektromagnetische interferentie van de verlichting in de kamer tegenhoudt. Werkend onder een microscoop met een pincet, vaste handen, en ingehouden adem, knutselt Theall koperdraad van slechts twee keer de diameter van een rode bloedcel in elektroden die hij in de hersenen van de kakkerlak zal inbrengen.

“Ze zijn kwetsbaar,” zegt hij. “

Gepaarde structuren, paddestoellichamen genaamd, in de hersenen van een kakkerlak spelen een sleutelrol in de navigatie.

Na 20 uur voorbereiding is Theall klaar om het experiment uit te voeren. Terwijl hij in de microscoop kijkt, draait hij aan een knop en laat de elektrode in het brein van de kakkerlak zinken tot hij in een van de paddestoellichamen rust. Tijdens het experiment zal Theall deze kakkerlak trainen om een beloning te verdienen: Als het insect zijn antenne naar bepaalde oriëntatiepunten richt, zal het opwindende pindakaasgeuren ontvangen. Theall wil neuronen afluisteren om te bepalen hoe zij bijdragen aan het leren van de locatie van die herkenningspunten.

De laatste stap van het experiment – dissectie van het paddenstoellichaam – stelt Theall in staat om de twee of drie cellen te zien die hij heeft gevolgd. Omdat de cellen koper hebben geabsorbeerd dat uit de elektrode is vrijgekomen, kan hij ze onderscheiden van de 200.000 andere hersencellen in het paddenstoellichaam. Theall tekent dan de structuur van elke cel met pen, papier en een lichtbak. Het is alsof je een knoestige eik tot op het laatste twijgje uittekent, en het reconstrueren van één enkele cel kan twee dagen duren. Theall, een typische student in Strausfelds lab, zal honderden van dit soort experimenten uitvoeren voordat zijn Ph.D. is afgerond.

Theall en Strausfeld weten nooit welke van de tienduizenden cellen ze gaan raken wanneer ze in het paddenstoellichaam van een kakkerlak tappen. Maar door het experiment steeds te herhalen, krijgen ze een beeld van welke soorten cellen er zijn, hoe die cellen functioneren tijdens taken van plaatsgeheugen, en welke verbindingen ze vormen met andere cellen. Cel voor cel hopen ze de schakelschema’s van de structuur samen te stellen.

Tijdens een gesprek in zijn kantoor schetst Strausfeld een paddenstoellichaam en wijst hij op verschillende parallellen met de hippocampus, het hersencentrum dat bij zoogdieren is gewijd aan geheugen en plaatsbepaling. De basis bestaat uit duizenden parallelle zenuwvezels die samen lopen als de nerven in een stuk hout. Verder omhoog vanaf de basis zenden de vezels verbindingen uit in lussen die eruit zien als kruikgrepen op een snelweg; dit is de vorm waaraan dit deel van de hersenen de naam “paddestoellichaam” te danken heeft. De verbindingen komen weer samen met de vezels hogerop, bij de top. Strausfeld vermoedt dat deze lusvormige paden verwante stukjes informatie samenbrengen, zoals de bezienswaardigheden en geuren van verschillende oriëntatiepunten die een kakkerlak, de een na de ander, tegenkomt op zijn reis van en naar zijn huis.

“De geometrie van de structuur,” zegt hij, “doet zo vreemd veel denken aan de hippocampus.” Strausfeld en anderen zijn op zoek naar aanwijzingen over de vraag of de overeenkomsten het gevolg zijn van een diepe en oude verwantschap of gewoon van analoge oplossingen die onafhankelijk van elkaar zijn geëvolueerd om te helpen overleven.

In zijn ondergrondse laboratorium in het Neurosciences Institute, observeert van Swinderen een vlieg die is opgehangen in wat neerkomt op een miniatuur IMAX theater. De opstelling is ontworpen om de focus van de aandacht in de hersenen van een vlieg te controleren. Een LED-scherm wikkelt zich rond de vlieg en toont een opeenvolging van knipperende objecten voor zijn ogen, twee objecten per keer. Op dit moment, het is een X en een vierkant. De X flikkert 12 keer per seconde en het vierkant 15 keer per seconde.

Van Swinderen heeft een elektrode in de hersenen van de vlieg geplaatst om de neurale activiteit te controleren. De gekartelde hersengolven die door de elektrode sijpelen scrollen over een computerscherm. Diep verscholen in de wirwar van grillige pieken zitten twee kleine signalen: een golf die 12 keer per seconde opkomt en weer afneemt, en een andere die 15 keer per seconde opkomt en weer afneemt. Deze twee golven zijn afkomstig van duizenden hersencellen die reageren op de twee flikkerende objecten. Hoe groter het aantal cellen dat gelijktijdig op een bepaald object reageert, hoe hoger de bijbehorende golf. Door te noteren welke golf hoger is, kan van Swinderen vertellen welk doel de vlieg meer aandacht geeft.

Van Swinderen noemt het liever “salience” dan “aandacht”, omdat hij niet wil impliceren dat vliegen bewust zijn. Maar hoe die perceptuele aandacht ook wordt genoemd, het vinden ervan in een vlieg heeft enorme implicaties voor het begrijpen van de wortels van het bewustzijn bij de mens. Elke seconde worden we overspoeld door zintuiglijke informatie uit onze ogen, oren, neus, en elke centimeter van onze huid. Het zwervende oog van de aandacht – ons geestesoog – bepaalt welke kleine fractie van deze toevloed we daadwerkelijk in ons bewustzijn opnemen en, heel misschien, wegvagen als geheugen.

Van Swinderen registreert vaak hersengolven tegelijkertijd van drie locaties in een groot insectenbreingebied dat het mediale protocerebrum wordt genoemd. Op het eerste gezicht lijken de door elkaar gehusselde golven uit die gebieden even gevarieerd als de klanken van Mozart, de Sex Pistols en keelzang uit Tuvan. Maar zolang de vlieg alert is en ergens aandacht aan besteedt, bestaat er binnen die warboel een koor van neuronen die hetzelfde golfpatroon in alle drie de gebieden laten horen. Dat golfpatroon vertegenwoordigt datgene waar de vlieg aandacht aan besteedt, en als de aandacht verschuift van het ene ding naar het andere, verandert het golfpatroon ook. Van Swinderen kan het refrein waarnemen omdat hij zijn experiment met zijn kleine IMAX theater zorgvuldig heeft ontworpen om te bepalen waar de vlieg aandacht aan zal schenken. Het is een prachtige illustratie van aandacht: elk neuron zingt hetzelfde lied – het lied van het vierkant.

“Aandacht,” zegt Van Swinderen, “is een verschijnsel van de hele hersenen. Iets is niet louter visueel, niet louter olfactorisch. Het is een samenbinden van verschillende delen die voor ons één ding betekenen. Waarom zou het mechanisme van de vlieg niet gericht kunnen zijn op een opeenvolging van zijn herinneringen?” vraagt hij. “Dat is voor mij maar een klein stukje verwijderd van wat bewustzijn zou kunnen zijn.” Het verschil tussen de herinneringen van een vlieg en een mens kan een kwestie van gradatie zijn. De mens kan veel meer herinneringen opslaan en kan daardoor een meer verfijnd persoonlijk verhaal over zijn verleden en heden bijhouden. Maar van Swinderen gelooft “dat het precies hetzelfde mechanisme kan zijn bij een vlieg en een mens.” Hoewel er nog geen bewijs is om een van beide uit te sluiten, zou het resultaat bewustzijn kunnen zijn.

“Waarschijnlijk is wat bewustzijn vereist,” zegt Koch van Caltech, “een voldoende gecompliceerd systeem met massieve terugkoppeling. Insecten hebben dat. Als je kijkt naar de paddestoellichamen, die zijn massaal parallel en hebben terugkoppeling.”

Chemische aanwijzingen bevestigen dat ten minste enkele fundamentele hersenprocessen hetzelfde zijn bij mensen en insecten. Van Swinderen en Rozi Andretic, een neurowetenschapper bij het NSI, hebben ontdekt dat mutantvliegen die te weinig van de neurotransmitter dopamine produceren, verminderde salience-reacties hebben. Door de gemuteerde vliegen methamfetamine te voeren – een chemische stof die verwant is aan medicijnen tegen aandachtstekortstoornis en hyperactiviteit – wordt het dopaminetekort opgeheven en de aandacht van de vliegen genormaliseerd. Maar geef methamphetamine aan een normale vlieg en hij kan minder goed opletten. “Soortgelijke mechanismen zijn aanwezig in gewervelde dieren en vliegen,” vertelde Andretic me. “Je hebt optimale concentraties dopamine nodig, en als je er te weinig of te veel hebt, raak je verstoord.” Bij zowel mensen als vliegen kunnen dopamine-afgevende cellen helpen bij het coördineren van verafgelegen hersengebieden die betrokken zijn bij het fenomeen aandacht.

Wanneer je bedenkt dat neuronen zelf opvallend veel op elkaar lijken in het hele dierenrijk, begint het allemaal logisch te worden. “Je hebt dezelfde basisbouwstenen voor gewervelde en ongewervelde dieren,” zegt Strausfeld, “en er zijn bepaalde manieren waarop je deze bouwstenen kunt samenvoegen.” Dus toen het ging om het bouwen van een hersencentrum zoals de hippocampus die plaatsen kan herkennen, was er misschien maar één manier om die eigenzinnige neuronen samen te bedraden om het werk te doen – en de evolutie kwam meerdere keren onafhankelijk van elkaar tot diezelfde oplossing, net zoals de genetische instructies voor vleugels meerdere keren evolueerden in verschillende lineages.

De meer opzienbarende mogelijkheid is dat de hersenen misschien maar één keer zijn geëvolueerd in de geschiedenis van het leven. Verre neven – kakkerlakken en mensen – zouden de basisblauwdruk kunnen hebben geërfd van een gemeenschappelijke voorouder, Urbilateria, de laatste gemeenschappelijke voorouder van alle tweezijdig symmetrische dieren. Van dit schepsel zijn geen fossielen bekend, maar door te schatten hoe lang het duurde voordat DNA-sequenties tussen vliegen en muizen uiteenliepen, schatten genetici dat Urbilateria 600 miljoen tot 1 miljard jaar geleden leefde.

Naar analogie van de huidige ongewervelde zeedieren geloven sommige wetenschappers dat Urbilateria zich als volwassene op de zeebodem ingroef en als larve zwom, met eenvoudige ogen zoals die in veel levende mariene larven.

Aanwijzingen voor het hersenplan van Urbilateria zijn afkomstig van het bestuderen van de embryonale ontwikkeling van vandaag levende wezens. In zowel muizen- als fruitvliegembryo’s heeft Detlev Arendt, een evolutiebioloog aan het Europees Laboratorium voor Moleculaire Biologie in Heidelberg, Duitsland, ontdekt dat cellen die betrokken zijn bij de vorming van de hersenen en het zenuwstelsel zich verdelen in drie kolommen van cellen. Ten minste enkele van de genen die de kolomvorming regelen, zijn dezelfde in vliegen en muizen. “Dit patroon is zo specifiek,” zegt Arendt, “dat de laatste gemeenschappelijke voorouder duidelijk deze drie kolommen moet hebben gehad.”

Heinrich Reichert van de Universiteit van Basel heeft een andere opvallende overeenkomst gevonden. Tijdens de embryonale groei zorgt een gen dat zowel bij de vlieg als bij de muis (en dus ook bij de mens) hetzelfde is, ervoor dat de hersenen zich verdelen in een voorste, een middelste en een achterste segment. Muizen die dit gen missen, ontwikkelen ernstige afwijkingen aan de hersenen. Maar door de vliegversie van het gen in deze gemuteerde muizen te plaatsen, worden de meeste van deze afwijkingen gecorrigeerd. “Het onthult,” zegt Reichert, “een diepe verwantschap in de hersenen van vliegen en vissen en muizen en mensen die zeker niet werd verwacht door alleen maar te kijken naar de oppervlakkige anatomie.”

Natuurlijk werken deze genen al vroeg, terwijl het embryo nog primitief is. Dus Urbilateria kan ze bezeten hebben en toch bijna geen hersenen hebben gehad. Het uiteindelijke antwoord zal komen van de identificatie en vergelijking van tientallen andere insecten- en zoogdiergenen. Van bijzonder belang zijn de genen die betrokken zijn bij de vorming van complexe structuren die een soortgelijke rol spelen, zoals paddenstoellichamen en de hippocampus.

“De miljoen-dollar-vraag,” zegt Strausfeld, “zou zijn of de genen die betrokken zijn bij de ontwikkeling van deze structuren worden gedeeld tussen muis en vlieg. Dat zou natuurlijk opwindend zijn.”