För Nicholas Strausfeld är en liten hjärna en vacker sak. Under sin 35-åriga karriär har neurobiologen vid University of Arizona i Tucson undersökt de små hjärnstrukturerna hos kackerlackor, vattenbaggar, sammetmaskar, saltvattenräkor och dussintals andra ryggradslösa djur. Med hjälp av mikroskop, pincetter och handbyggd elektronik tar han och hans doktorander – så försiktigt som möjligt – fram hur hjärnan fungerar cell för cell i hjärnstrukturer som är lika stora som flera saltkorn. Av denna mödosamma analys drar Strausfeld slutsatsen att insekter har ”de mest sofistikerade hjärnorna på den här planeten”.

Strausfeld och hans studenter är inte ensamma i sin hängivenhet. Bruno van Swinderen, forskare vid Neurosciences Institute (NSI) i San Diego, finner antydningar om högre kognitiva funktioner hos insekter – ledtrådar till vad en vetenskaplig tidskrift kallade ”medvetandets avlägsna rötter”.

”Många människor skulle avfärda föreställningen om att insekter skulle ha hjärnor som på något sätt kan jämföras med primaternas”, tillägger Strausfeld. ”Men man måste tänka på de principer som ligger till grund för hur man sätter ihop en hjärna, och dessa principer är sannolikt universella.”

Fyndet är kontroversiellt. ”De bevis som jag har sett hittills har inte övertygat mig”, säger Gilles Laurent, neurovetare vid Caltech. Men vissa forskare överväger möjligheter som skulle chockera de flesta lekmän. ”Vi har bokstavligen ingen aning om på vilken nivå av hjärnans komplexitet medvetandet upphör”, säger Christof Koch, en annan neurovetenskapsman vid Caltech. ”De flesta människor säger: ’För Guds skull, en insekt är inte medveten’. Men hur vet vi det? Vi är inte säkra längre. Jag dödar inte insekter i onödan längre.”

Heinrich Reichert vid universitetet i Basel i Schweiz har blivit mer och mer intresserad av ”släktskapet mellan alla hjärnor”. Reicherts egna studier av hjärnans ursprung leder till en föga känd förfader, en ödmjuk varelse kallad Urbilateria, som vinglade och simmade för nästan en miljard år sedan. Urbilateria är farfar till alla bilateralt symmetriska djur och föregångare till spindlar, sniglar, insekter, amfibier, fiskar, maskar, fåglar, reptiler, däggdjur, krabbor, musslor – och ja, människor.

Det finns förstås goda skäl att betrakta insekters hjärnor som primitiva – åtminstone kvantitativt sett. Människor har 100 000 000 000 000 hjärnceller. En kackerlacka har nästan 1 000 000 hjärnceller, en fruktfluga endast 250 000. Ändå har insekterna en imponerande informationshantering: De packar neuronerna i sina hjärnor 10 gånger tätare än vad däggdjur gör. De använder också varje hjärncell mer flexibelt än däggdjur. Flera avlägset belägna ränder av en enda neuron kan agera oberoende av varandra – vilket ökar beräkningskraften utan att öka antalet celler. På något sätt gör detta kretslopp det möjligt för ett honungsbi, med knappt en miljon neuroner ombord, att vandra sex mil från sin kupa, hitta mat och sedan ta sig raka vägen hem. Få människor skulle kunna göra samma sak även med karta och kompass.

På ytan ser hjärnorna hos insekter och däggdjur inte alls likadana ut. Det är först när man studerar förbindelserna cell för cell som den häpnadsväckande likheten framträder. En eftermiddag visar Christopher Theall, en av Strausfelds doktorander, mig sin egen experimentella uppställning för att ta sig in i en del av kackerlackans hjärna som kallas svampkroppen. Denna svampformade hjärnstruktur anses vara analog med däggdjurens hippocampus, en hjärnkomponent som är involverad i bildandet av minnen av platser.

”Vad vi försöker göra”, säger Theall när vi kommer in i ett trångt laboratorium, ”är att skala ner de tekniker som har använts i hjärnor från råttor och primater – skala ner dem till en hjärna som är en tusendel av storleken.”

Thealls experimentella apparatur vilar på ett bord som svävar på vibrationsdämpande tryckluft. Även en vagn som skramlar i korridoren utanför kan underminera experimentet. Eftersom Theall måste registrera nervimpulser som uppgår till endast en ^1/10,0000 av en volt, är bordet inneslutet i en bur som blockerar elektromagnetiska störningar från rummets lampor. Under ett mikroskop arbetar Theall med pincett, stadiga händer och andningsstillestånd, och han tillverkar koppartråd som bara är dubbelt så stor som en röd blodkropp i diameter till elektroder som han kommer att föra in i kackerlackans hjärna.

”De är ömtåliga”, säger han. ”Till och med en bris från en dörröppning kan förstöra ett par timmars arbete.”

Parade strukturer som kallas svampkroppar i en kackerlacks hjärna spelar en nyckelroll i navigeringen.

Efter 20 timmars förberedelser är Theall redo att utföra experimentet. Genom att vrida på ett vred medan han tittar in i mikroskopet sänker han elektroden in i kackerlackans hjärna tills den vilar i en av svampkropparna. Under experimentet kommer Theall att träna kackerlackan för att få en belöning: Om insekten riktar sin antenn mot vissa landmärken kommer den att få spännande puffar av jordnötssmörlukt. Theall vill tjuvlyssna på neuronerna för att avgöra hur de bidrar till att lära sig var dessa landmärken finns.

Det sista steget i experimentet – dissektion av svampkroppen – gör det möjligt för Theall att se de två eller tre celler som han har övervakat. Eftersom cellerna har absorberat koppar som frigjorts från elektroden kan han skilja dem från de 200 000 andra hjärncellerna i svampkroppen. Theall spårar sedan strukturen hos varje cell med hjälp av penna, papper och en ljuslåda. Det är som att rita en knotig ek ner till sista kvist, och att rekonstruera en enda cell kan ta två dagar. Theall, en typisk student i Strausfelds labb, kommer att utföra hundratals experiment som dessa innan hans doktorsexamen är klar.

Theall och Strausfeld vet aldrig vilken av de tiotusentals celler de kommer att träffa när de knackar på en kackerlacka svampkropp. Genom att upprepa experimentet om och om igen sätter de dock samman en bild av vilka typer av celler som finns, hur dessa celler fungerar under uppgifter om platsminne och vilka typer av förbindelser de bildar med andra celler. Cell för cell hoppas de kunna sätta ihop strukturens kretslopp.

Under en pratstund på sitt kontor skissar Strausfeld på en svampkropp och pekar på flera paralleller till hippocampus, det hjärncentrum som ägnar sig åt minne och platsbestämning hos däggdjur. Basen består av tusentals parallella nervfibrer som löper tillsammans likt fibern i en träbit. Längre upp från basen sänder fibrerna ut förbindelser i slingor som ser ut som korghandtag på en motorväg; det är denna form som har gett denna del av hjärnan namnet ”svampkropp”. Förbindelserna återförenas med fibrerna högre upp, nära toppen. Strausfeld misstänker att dessa slingrande banor sammanför relaterade delar av informationen, som sevärdheterna och lukterna från olika landmärken som en kackerlacka möter, en efter en, när den reser till och från sitt hem.

”Strukturens geometri”, säger han, ”påminner på ett så märkligt sätt om hippocampus”. Strausfeld och andra letar efter ledtrådar om huruvida likheterna beror på ett djupt och uråldrigt släktskap eller helt enkelt på analoga lösningar som utvecklats oberoende av varandra för att underlätta överlevnaden.

I sitt underjordiska laboratorium vid Neurosciences Institute observerar van Swinderen en fluga som är upphängd i vad som liknar en IMAX-biograf i miniatyr. Uppställningen är utformad för att övervaka uppmärksamhetsfokus i flugans hjärna. En LED-skärm sveper runt flugan och visar en sekvens av blinkande objekt framför dess ögon, två objekt i taget. Just nu är det ett X och en kvadrat. X:et flimrar 12 gånger per sekund och kvadraten 15 gånger per sekund.

Van Swinderen har satt in en elektrod i flugans hjärna för att övervaka dess neurala aktivitet. De hackiga hjärnvågorna som tränger igenom elektroden rullar över en datorskärm. Djupt begravda i virrvarret av ojämna toppar finns två små signaler: en våg som stiger och sjunker 12 gånger per sekund och en annan som stiger och sjunker 15 gånger per sekund. Dessa två vågor kommer från tusentals hjärnceller som reagerar på de två flimrande objekten. Ju fler celler som reagerar samtidigt på ett visst objekt, desto högre är den motsvarande vågen. Genom att notera vilken våg som är högre kan van Swinderen avgöra vilket mål flugan riktar mer uppmärksamhet mot.

Van Swinderen föredrar att kalla det ”salience” snarare än ”attention”, eftersom han inte vill antyda att flugorna är medvetna. Men oavsett vad detta perceptuella fokus kallas har det enorma konsekvenser för förståelsen av rötterna till medvetande hos människor att hitta det hos en fluga. Varje sekund översvämmas vi av sensorisk information från våra ögon, öron, näsa och varje tum av vår hud. Uppmärksamhetens kringflackande strålkastare – vårt sinnesöga – avgör vilken liten del av detta inflöde som vi faktiskt släpper in i vårt medvetande och, möjligen, arkiverar som minne.

Van Swinderen registrerar ofta hjärnvågor samtidigt från tre ställen i en stor hjärnregion hos en insekt som kallas för mediala protocerebrum. Vid en första anblick kan de blandade vågorna från dessa områden tyckas lika varierade som ljudet av Mozart, Sex Pistols och tuvanisk strupsång. Men så länge flugan är alert och uppmärksam på något, finns det i detta virrvarr en kör av neuroner som spelar samma vågmönster i konsert i alla tre områdena. Det vågmönstret representerar det som flugan uppmärksammar, och när dess uppmärksamhet flyttas från en sak till en annan ändras vågmönstret också. Van Swinderen kan upptäcka kören eftersom han noggrant har utformat sitt experiment med en liten IMAX-biograf för att avgöra vad flugan kommer att uppmärksamma. Det är en vacker illustration av uppmärksamhet: varje neuron sjunger samma sång – kvadratsången.

”Uppmärksamhet”, säger van Swinderen, ”är ett fenomen som omfattar hela hjärnan. En sak är inte enbart visuell, inte enbart olfaktorisk. Det är en sammanbindning av olika delar som för oss betecknar en sak. Varför skulle inte flugans mekanism kunna riktas mot en följd av dess minnen?” frågar han. ”För mig är det bara ett kort hopp från vad som skulle kunna vara medvetande.” Skillnaden mellan minnen hos en fluga och en människa kan vara en fråga om grad. Människan kan lagra mycket fler minnen och kan därför upprätthålla en mer sofistikerad personlig berättelse om sitt förflutna och sin nutid. Men van Swinderen tror att ”det kan vara exakt samma mekanism i en fluga och en människa”. Även om det ännu inte finns några bevis för att bestämma sig åt något håll, skulle resultatet kunna vara medvetande.

”Troligen är det som medvetandet kräver”, säger Koch från Caltech, ”ett tillräckligt komplicerat system med massiv återkoppling. Insekter har det. Om man tittar på svampkropparna är de massivt parallella och har återkoppling.”

Kemiska ledtrådar bekräftar att åtminstone vissa grundläggande hjärnprocesser är desamma hos människor och insekter. Van Swinderen och Rozi Andretic, en neurovetare vid NSI, har funnit att muterade flugor som producerar för lite av neurotransmittorn dopamin har försämrade salience-reaktioner. Genom att mata de muterade flugorna med metamfetamin – en kemikalie som är besläktad med läkemedel som används för att behandla uppmärksamhetsstörningar – lindras dopaminbristen och flugornas uppmärksamhet normaliseras. Men om man ger metamfetamin till en normal fluga kan den inte uppmärksamma sig lika bra. ”Liknande mekanismer finns hos ryggradsdjur och flugor”, berättade Andretic. ”Man behöver optimala koncentrationer av dopamin, och om man har för lite eller för mycket blir man nedsatt.” Hos både människor och flugor kan dopaminfrisättande celler hjälpa till att samordna avlägsna hjärnregioner som är involverade i fenomenet uppmärksamhet.

När man betänker att neuronerna i sig själva är slående lika i hela djurriket börjar det hela bli begripligt. ”Vi har samma grundläggande byggstenar för ryggradsdjur och ryggradslösa djur”, säger Strausfeld, ”och det finns vissa sätt att sätta ihop dessa byggstenar.” Så när det gällde att bygga ett hjärncentrum som hippocampus, som kan känna igen platser, kan det ha funnits bara ett sätt att koppla ihop de märkliga neuronerna för att göra jobbet – och evolutionen kom fram till samma lösning flera gånger oberoende av varandra, precis som de genetiska instruktionerna för vingar utvecklades flera gånger i skilda släktled.

Den mer häpnadsväckande möjligheten är att hjärnan kan ha utvecklats bara en gång i livets historia. Avlägsna kusiner – kackerlackor och människor – kan ha ärvt den grundläggande ritningen från en gemensam förfader, Urbilateria, den sista gemensamma förfadern till alla bilateralt symmetriska djur. Inga fossil av denna varelse är kända, men genom att uppskatta hur lång tid det tog för DNA-sekvenser att skilja sig åt mellan flugor och möss uppskattar genetiker att Urbilateria levde för 600 miljoner till 1 miljard år sedan.

Med analogi till dagens ryggradslösa havsdjur tror vissa forskare att Urbilateria grävde sig ner på havsbottnen som vuxen och simmade som larv, med enkla ögon som hos många levande marina larver.

Klyssningar till Urbilaterias hjärnplan kommer från studier av embryonalutvecklingen hos varelser som lever idag. I både mus- och fruktflugembryon har Detlev Arendt, en evolutionsbiolog vid European Molecular Biology Laboratory i Heidelberg, Tyskland, funnit att celler som är involverade i bildandet av hjärnan och nervtrådarna delar sig i tre cellkolumner. Åtminstone några av de gener som styr kolonnbildningen är desamma hos flugor och möss. ”Detta mönster är så specifikt”, säger Arendt, ”att det är uppenbart att den sista gemensamma förfadern måste ha haft dessa tre kolumner.”

Heinrich Reichert vid universitetet i Basel har hittat en annan slående likhet. Under embryonaltillväxten utlöser en gen som är likartad hos både flugor och möss (och därmed även hos människor) att hjärnan delar sig i främre, mellersta och bakre segment. Möss som saknar genen utvecklar allvarliga avvikelser i hjärnan. Men genom att byta ut flugans version av genen till dessa muterade möss korrigeras de flesta av dessa abnormiteter. ”Det avslöjar”, säger Reichert, ”ett djupt släktskap mellan hjärnorna hos flugor, fiskar, möss och människor som man verkligen inte förväntade sig om man bara tittade på den ytliga anatomin.”

Dessa gener verkar förstås tidigt, medan embryot är primitivt. Så Urbilateria skulle kunna ha besuttit dem och ändå ha haft nästan ingen hjärna. Det slutgiltiga svaret kommer att komma genom att identifiera och jämföra dussintals fler gener från insekter och däggdjur. Av särskilt intresse är de som är involverade i bildandet av komplexa strukturer som spelar liknande roller, t.ex. svampkroppar och hippocampus.

”Frågan som är värd en miljon dollar”, säger Strausfeld, ”skulle vara om de gener som är involverade i utvecklingen av dessa strukturer är gemensamma för musen och flugan. Det skulle naturligtvis vara spännande.”