Dla Nicholasa Strausfelda maleńki mózg to piękna rzecz. W ciągu swojej 35-letniej kariery neurobiolog z Uniwersytetu Arizony w Tucson badał miniaturowe struktury mózgu karaluchów, pluskwiaków wodnych, aksamitnych robaków, krewetek solankowych i dziesiątków innych bezkręgowców. Używając mikroskopów, pęset i własnoręcznie skonstruowanej elektroniki, on i jego studenci rozszyfrowują – tak delikatnie – komórka po komórce działanie struktur mózgowych wielkości kilku ziaren soli. Z tej żmudnej analizy Strausfeld wyciąga wniosek, że owady posiadają „najbardziej wyrafinowane mózgi na tej planecie.”

Strausfeld i jego studenci nie są osamotnieni w swoim oddaniu. Bruno van Swinderen, badacz z Neurosciences Institute (NSI) w San Diego, znajduje wskazówki dotyczące wyższych funkcji poznawczych u owadów – wskazówki do tego, co jedno z czasopism naukowych nazwało „odległymi korzeniami świadomości.”

„Wielu ludzi odrzuciłoby koncepcję owadów posiadających mózgi, które są w jakikolwiek sposób porównywalne z mózgami naczelnych” – dodaje Strausfeld. „Ale trzeba myśleć o zasadach leżących u podstaw tego, jak złożyć mózg razem, a te zasady są prawdopodobnie uniwersalne.”

Odkrycia są kontrowersyjne. „Dowody, które do tej pory widziałem, nie przekonały mnie” – mówi Gilles Laurent, neurobiolog z Caltech. Ale niektórzy badacze rozważają możliwości, które zaszokowałyby większość świeckich obserwatorów. „Nie mamy dosłownie pojęcia, na jakim poziomie złożoności mózgu świadomość przestaje istnieć” – mówi Christof Koch, inny neurobiolog z Caltech. „Większość ludzi mówi: 'Na litość boską, robak nie jest świadomy’. Ale skąd mamy to wiedzieć? Nie jesteśmy już tego pewni. Nie zabijam już niepotrzebnie robaków.”

Heinrich Reichert z Uniwersytetu w Bazylei w Szwajcarii coraz bardziej interesuje się „pokrewieństwem wszystkich mózgów.” Własne badania Reicherta nad pochodzeniem mózgu prowadzą do mało znanego przodka, skromnego stworzenia zwanego Urbilateria, które wiło się i pływało prawie miliard lat temu. Dziadek wszystkich dwustronnie symetrycznych zwierząt, Urbilateria jest przodkiem pająków, ślimaków, owadów, płazów, ryb, robaków, ptaków, gadów, ssaków, krabów, małży – i tak, ludzi.

Jest oczywiście dobry powód, by postrzegać mózgi owadów jako prymitywne – przynajmniej ilościowo. Ludzie posiadają 100,000,000,000 komórek mózgowych. Karaluch ma prawie 1,000,000 komórek mózgowych; muszka owocowa, tylko 250,000. Mimo to, owady ćwiczą imponujące zarządzanie informacją: Pakują neurony do swoich mózgów 10 razy gęściej niż ssaki. Wykorzystują też każdą komórkę mózgową bardziej elastycznie niż ssaki. Kilka oddalonych od siebie odnóg pojedynczego neuronu może działać niezależnie – co zwiększa moc obliczeniową bez zwiększania liczby komórek. W jakiś sposób ten obwód pozwala pszczole miodnej, z zaledwie milionem neuronów na pokładzie, wędrować sześć mil od swojego ula, znaleźć pożywienie i skierować się bezpośrednio do domu. Niewielu ludzi mogłoby zrobić to samo nawet z mapą i kompasem.

Na powierzchni, mózgi owadów i ssaków nie wyglądają podobnie. Tylko z badań połączeń komórka po komórce wyłania się zdumiewające podobieństwo. Pewnego popołudnia Christopher Theall, jeden z doktorantów Strausfelda, pokazuje mi swój własny eksperymentalny zestaw do badania części mózgu karalucha, znanej jako ciało grzyba. Uważa się, że ta struktura mózgu w kształcie grzyba jest analogiczna do hipokampa ssaków, elementu mózgu zaangażowanego w tworzenie wspomnień o miejscach.

„To co próbujemy zrobić,” mówi Theall, gdy wchodzimy do ciasnego laboratorium, „to przeskalować techniki, które zostały użyte w mózgach szczurów i naczelnych – przeskalować je w dół do mózgu, który jest tysięczną część wielkości.”

Aparatura eksperymentalna Thealla spoczywa na stole, który unosi się na pochłaniającym drgania sprężonym powietrzu. Nawet wózek grzechoczący w korytarzu na zewnątrz mógłby podważyć eksperyment. Ponieważ Theall musi rejestrować impulsy nerwowe wynoszące zaledwie jeden ^1/10,0000 wolta, stół jest zamknięty w klatce, która blokuje zakłócenia elektromagnetyczne od świateł w pokoju. Pracując pod mikroskopem z pincetą, stabilnymi rękami i wstrzymanym oddechem, Theall wyrabia drut miedziany o średnicy dwa razy większej od średnicy czerwonej krwinki w elektrody, które włoży do mózgu karalucha.

„Są delikatne”, mówi. „Nawet powiew wiatru z otwieranych drzwi może zrujnować kilka godzin pracy.”

Sparowane struktury zwane ciałami grzybkowymi w mózgu karalucha odgrywają kluczową rolę w nawigacji.

Po 20 godzinach przygotowań Theall jest gotowy do przeprowadzenia eksperymentu. Przekręcając pokrętło podczas patrzenia w mikroskop, zatapia elektrodę w mózgu karalucha, aż spocznie ona w jednym z ciał grzybów. Podczas eksperymentu Theall będzie trenował karalucha, aby zdobył nagrodę: Jeśli owad skieruje swoją antenę w kierunku określonych punktów orientacyjnych, otrzyma ekscytujące pufy o zapachu masła orzechowego. Theall chce podsłuchiwać neurony, aby określić, w jaki sposób przyczyniają się one do nauki lokalizacji tych punktów orientacyjnych.

Ostatni etap eksperymentu – rozbiórka ciała grzyba – pozwala Theallowi zobaczyć dwie lub trzy komórki, które monitorował. Ponieważ komórki te wchłonęły miedź uwolnioną z elektrody, może je odróżnić od 200 000 innych komórek mózgowych w ciele grzyba. Theall prześledzi następnie strukturę każdej komórki za pomocą pióra, papieru i pudełka świetlnego. Przypomina to rysowanie sękatego dębu aż do ostatniej gałązki, a rekonstrukcja pojedynczej komórki może zająć dwa dni. Theall, typowy student w laboratorium Strausfelda, wykona setki takich eksperymentów, zanim jego doktorat zostanie ukończony.

Theall i Strausfeld nigdy nie wiedzą, w którą z dziesiątek tysięcy komórek trafią, kiedy wkłuwają się w ciało grzyba. Powtarzając eksperyment w kółko, tworzą jednak obraz tego, jakie typy komórek istnieją, jak te komórki funkcjonują podczas zadań związanych z pamięcią miejsca i jakie rodzaje połączeń tworzą z innymi komórkami. Komórka po komórce, mają nadzieję poskładać obwody struktury.

Podczas rozmowy w swoim biurze, Strausfeld szkicuje ciało grzyba, wskazując na kilka podobieństw do hipokampa, centrum mózgu poświęconego pamięci i lokalizacji miejsca u ssaków. Podstawa składa się z tysięcy równoległych włókien nerwowych biegnących razem jak słoje w kawałku drewna. Dalej w górę od podstawy, włókna wysyłają połączenia w pętlach, które wyglądają jak uchwyty dzbanka na autostradzie; jest to kształt, który przyniósł tej części mózgu nazwę „ciało grzyba”. Połączenia ponownie łączą się z włóknami wyżej, w pobliżu szczytu. Strausfeld podejrzewa, że te zapętlone ścieżki łączą powiązane fragmenty informacji, jak widoki i zapachy różnych punktów orientacyjnych, które płoć napotyka, jeden po drugim, podróżując do i ze swojego domu.

„Geometria struktury”, mówi, „jest tak dziwnie przypominająca hipokamp”. Strausfeld i inni szukają wskazówek, czy podobieństwa wynikają z głębokiego i starożytnego pokrewieństwa, czy po prostu z analogicznych rozwiązań, które wyewoluowały niezależnie, aby pomóc przetrwać.

W swoim podziemnym laboratorium w Instytucie Nauk Neurologicznych van Swinderen obserwuje muchę zawieszoną w czymś, co przypomina miniaturowe kino IMAX. Konfiguracja ta ma na celu monitorowanie koncentracji uwagi w mózgu muchy. Ekran LED owija się wokół muchy, wyświetlając przed jej oczami sekwencję migających obiektów, po dwa na raz. W tej chwili są to X i kwadrat. X migocze 12 razy na sekundę, a kwadrat 15 razy na sekundę.

Van Swinderen włożył elektrodę do mózgu muchy, aby monitorować jej aktywność neuronalną. Poszarpane fale mózgowe przenikające przez elektrodę przewijają się przez ekran komputera. Głęboko w gąszczu poszarpanych szczytów zakopane są dwa maleńkie sygnały: jedna fala wznosząca się i opadająca 12 razy na sekundę oraz druga wznosząca się i opadająca 15 razy na sekundę. Te dwie fale pochodzą z tysięcy komórek mózgowych reagujących na te dwa migoczące obiekty. Im większa liczba komórek reagujących na dany obiekt, tym wyższa jest odpowiadająca mu fala. Zauważając, która fala jest wyższa, van Swinderen może powiedzieć, na który cel mucha kieruje więcej uwagi.

Van Swinderen woli nazywać to „saliencją” niż „uwagą”, ponieważ nie chce sugerować, że muchy są świadome. Ale bez względu na to, jak nazywa się to percepcyjne skupienie, znalezienie go u muchy ma ogromne znaczenie dla zrozumienia korzeni świadomości u ludzi. W każdej sekundzie jesteśmy zalewani przez informacje sensoryczne z naszych oczu, uszu, nosa i każdego centymetra naszej skóry. Wędrujący reflektor uwagi – nasze oko umysłu – określa, który maleńki ułamek tego napływu faktycznie dopuszczamy do naszej świadomości i, tylko możliwe, składamy jako pamięć.

Van Swinderen często rejestruje fale mózgowe jednocześnie z trzech miejsc w dużym regionie mózgu owada zwanym przyśrodkowym protocerebrum. Na pierwszy rzut oka, pomieszane fale z tych obszarów mogą wydawać się tak różnorodne, jak dźwięki Mozarta, Sex Pistols i śpiew gardłowy Tuvan. Ale tak długo, jak mucha jest czujna i zwraca uwagę na coś, istnieje w tym zlepku chór neuronów, które chrzęszczą tym samym wzorem fal w zgodzie we wszystkich trzech obszarach. Ten wzorzec fal reprezentuje rzecz, na którą mucha zwraca uwagę, a gdy jej uwaga przesuwa się z jednej rzeczy na drugą, wzorzec fal również się zmienia. Van Swinderen może wykryć ten chór, ponieważ starannie zaprojektował swój eksperyment z małym kinem IMAX, aby określić, na co mucha będzie zwracać uwagę. Jest to piękna ilustracja uwagi: każdy neuron śpiewa tę samą piosenkę – piosenkę o kwadracie.

„Uwaga”, mówi van Swinderen, „jest zjawiskiem obejmującym cały mózg. Dana rzecz nie jest czysto wizualna, nie jest czysto węchowa. Jest to połączenie różnych części, które dla nas oznaczają jedną rzecz. Dlaczego mechanizm muchy nie mógłby być ukierunkowany na sukcesję jej wspomnień?” – pyta. „Dla mnie to tylko krótki skok, przeskok i odskocznia od tego, co może być świadomością”. Różnica między wspomnieniami muchy i człowieka może być kwestią stopnia. Człowiek może przechowywać o wiele więcej wspomnień i dlatego może utrzymywać bardziej wyrafinowaną osobistą narrację o swojej przeszłości i teraźniejszości. Ale van Swinderen uważa, że „może to być dokładnie ten sam mechanizm u muchy i u człowieka”. Chociaż nadal nie ma dowodów, aby zdecydować w którąkolwiek stronę, wynikiem może być świadomość.

„Prawdopodobnie to, czego wymaga świadomość”, mówi Koch z Caltech, „to wystarczająco skomplikowany system z masywnym sprzężeniem zwrotnym. Owady to mają. Jeśli spojrzysz na ciała grzybów, są one masywnie równoległe i mają sprzężenie zwrotne.”

Chemiczne wskazówki potwierdzają, że przynajmniej niektóre podstawowe procesy mózgowe są takie same u ludzi i owadów. Van Swinderen i Rozi Andretic, neurobiolog w NSI, odkryli, że zmutowane muchy produkujące zbyt mało neuroprzekaźnika dopaminy mają upośledzone reakcje wrażliwości. Karmienie zmutowanych muszek metamfetaminą – substancją chemiczną podobną do leków stosowanych w leczeniu zespołu nadpobudliwości psychoruchowej z deficytem uwagi – łagodzi niedobór dopaminy i normalizuje uwagę muszek. Jednak podanie metamfetaminy normalnej muszce powoduje, że nie jest ona w stanie tak dobrze uczestniczyć w zajęciach. „Podobne mechanizmy są obecne w kręgowców i much,” Andretic powiedział mi. „Potrzebujesz optymalnych stężeń dopaminy, a jeśli masz jej za mało lub za dużo, będziesz upośledzony”. Zarówno u ludzi jak i u much, komórki uwalniające dopaminę mogą pomóc w koordynacji odległych regionów mózgu zaangażowanych w zjawisko uwagi.

Gdy weźmiesz pod uwagę, że same neurony są uderzająco podobne w całym królestwie zwierząt, to wszystko zaczyna mieć sens. „Masz te same podstawowe bloki konstrukcyjne dla kręgowców i bezkręgowców”, mówi Strausfeld, „i są pewne sposoby, w jakie można umieścić te bloki razem .” Więc kiedy przyszło do budowania centrum mózgu, jak hipokamp, który może rozpoznawać miejsca, mógł być tylko jeden sposób, aby okablować te dziwaczne neurony razem, aby wykonać zadanie – i ewolucja doszła do tego samego rozwiązania wiele razy niezależnie, tak jak genetyczne instrukcje dla skrzydeł ewoluowały wiele razy w różnych lineages.

Bardziej zaskakująca możliwość jest taka, że mózg mógł wyewoluować tylko raz w historii życia. Odlegli kuzyni – karaluchy i ludzie – mogli odziedziczyć podstawowy schemat od wspólnego przodka, Urbilateria, ostatniego wspólnego przodka wszystkich dwustronnie symetrycznych zwierząt. Nie są znane żadne skamieniałości tego stworzenia, ale genetycy szacując, ile czasu zajęło rozejście się sekwencji DNA między muchami i myszami, oceniają, że Urbilateria żyła 600 milionów do 1 miliarda lat temu.

Przez analogię do dzisiejszych bezkręgowców morskich, niektórzy naukowcy uważają, że Urbilateria grzebała w dnie morza jako dorosły osobnik i pływała jako larwa, z prostymi oczami, takimi jak u wielu żywych larw morskich.

Klucze do planu mózgu Urbilaterii pochodzą z badania rozwoju embrionalnego stworzeń żyjących obecnie. W embrionach myszy i muszki owocowej Detlev Arendt, biolog ewolucyjny z Europejskiego Laboratorium Biologii Molekularnej w Heidelbergu w Niemczech, odkrył, że komórki biorące udział w tworzeniu mózgu i rdzenia nerwowego dzielą się na trzy kolumny komórek. Przynajmniej niektóre z genów, które rządzą tworzeniem kolumn, są takie same u much i myszy. „Ten wzór jest tak specyficzny,” mówi Arendt, „że wyraźnie ostatni wspólny przodek musiał mieć te trzy kolumny.”

Heinrich Reichert z Uniwersytetu w Bazylei odkrył kolejne uderzające podobieństwo. Podczas wzrostu embrionalnego, gen, który jest podobny zarówno u much, jak i myszy (i, przez implikację, u ludzi) wyzwala podział mózgu na przednie, środkowe i tylne segmenty. Myszy pozbawione tego genu rozwijają poważne anomalie mózgu. Jednak podmiana wersji genu u much na zmutowane myszy koryguje większość tych nieprawidłowości. „To ujawnia”, mówi Reichert, „głębokie pokrewieństwo w mózgach much i ryb, myszy i ludzi, które z pewnością nie było oczekiwane przez samo patrzenie na powierzchowną anatomię.”

Oczywiście, te geny działają wcześnie, podczas gdy embrion jest prymitywny. Tak więc Urbilateria mogła je posiadać i nadal nie mieć prawie żadnego mózgu. Ostateczna odpowiedź przyjdzie z identyfikacji i porównania dziesiątki więcej genów owadów i ssaków. Szczególnie interesujące są te zaangażowane w tworzenie złożonych struktur, które odgrywają podobne role, jak ciała grzybów i hipokamp.

„Pytanie za milion dolarów”, mówi Strausfeld, „byłoby, czy geny zaangażowane w rozwój tych struktur są wspólne dla myszy i muchy. Byłoby to, oczywiście, porywające.”

.