Sukkulumatoihin kuuluvalla eleganssimadolla on vaatimattomat hoksottimet – kaikkiaan vain 302 aivosolua. Silti tämä noin millimetrin pituinen eläin ajattelee ja tuntee paljolti kuin ihminen.
Tieto on saatu uudella tekniikalla, jolla on mahdollista erottaa madon aivoista jokainen hermoimpulssi valon välähdyksenä.
Aivoelektrodeihin perustuvilla menetelmillä on taas voitu seurata isompien eläinten aivotoimintaa vaikuttamatta niiden käyttäytymiseen.
Tulosten valossa näyttää siltä, että pienetkään eläimet eivät ole vain yksinkertaisia koneita, jotka suorittavat ajattelematta automaattisia toimintoja. Ne punnitsevat mahdollisuuksia ja sopeuttavat käyttäytymisensä kulloiseenkin tilanteeseen.
Uudet tekniikat voivat ehkä paljastaa, mitä eläimet ajattelevat itsestään.
Vaikka eleganssimadolla on käytössään vaivaiset 302 aivosolua, se on ajatteleva olento, sillä hermoimpulssit eivät kulje aina samoja latuja. Impulssit vaihtavat suuntaa ja liikkuvat eri reittejä aina tilanteen mukaan.
Uudet tutkimustavat ovat jo tuoneet esiin yllättäviä asioita eläinten sisäisestä elämästä – ja voivat ehkä paljastaa, mitä eläimet ajattelevat itsestään.
Impulssi välähtää aivoissa
Yksi uusista menetelmistä on kalsiumkuvantaminen. Se näyttää, paljonko soluissa on kalsiumioneja.
Tekniikka perustuu siihen, että hermosolu sisältää normaalisti vain vähän kalsiumioneja mutta niitä virtaa sen sisään silloin, kun se lähettää viestin. Hermoimpulssin lähdettyä ionit pumppautuvat taas ulos.
Kalsiumioneista tehdään näkyviä muokkaamalla eläimen perimää niin, että solut tuottavat proteiinia, joka hohtaa valoa joutuessaan tekemisiin kalsiumionien kanssa. Siksi aivosolut loistavat hetken kirkkaasti aina lähettäessään viestin.
Valoshow ilmentää madon ajattelua
Siniset aivot, joissa syntyy keltaisia välähdyksiä. Laboratoriossa on luotu muuntogeenisiä sukkulamatoja, joiden aivosolut välähtävät lähettäessään viestin. Siksi eläimen ajattelua voidaan seurata.
1. Perimänmuokkaus sinistää hermosolut
Perimää muuttamalla sukkulamadon hermosolut saadaan tuottamaan ainetta, joka koostuu ketjuuntuneista CFP- ja YFP-proteiineista. Kun hermosoluun kohdistetaan ultraviolettisäteilyä, proteiineista vain CFP loistaa sinisenä.
2. Ionit virtaavat soluun
Kun hermosolu ottaa vastaan toisen hermosolun viestin, se aktivoituu ja valmistautuu itse lähettämään impulssin. Tässä vaiheessa pinnan ionikanavat avautuvat ja päästävät kalsiumionit virtaamaan sisäpuolelle.
3. Hermosolu vaihtaa väriään
Kalsiumionit sitoutuvat ketjuun. Silloin CFP- ja YFP-proteiinien yhteys tiivistyy ja CFP:n sininen valo imeytyy YFP:hen saaden aikaan keltaisen välähdyksen. Toisin sanoen hermosolun väri muuttuu hetkellisesti keltaiseksi.
Menetelmää voidaan soveltaa eläviin eläimiin, jotka liikkuvat vapaasti. Sen ansiosta on mahdollista seurata eläinten normaalia käyttäytymistä.
Kun aivosoluja on vähän niin kuin sukkulamatojen tapauksessa, kalsiumkuvantaminen toimii hienosti, sillä se kartoittaa kerralla joka ainoan hermosolun toiminnan.
Ominaisuuttaa hyödynsi biofyysikko Aravinthan Samuel vuonna 2020 selvittäessään, mitä madon päässä tapahtuu, kun se harjoittaa seksiä.
Aivojen tila vaihtuu
Kun Samuel havainnoi kuutta koirasta, hän totesi, että parittelua säätelee 46 hermosolua ja jokaiseen sen vaiheeseen liittyy tunnusmerkillistä aivotoimintaa.
Aivoissa esiintyi siis eri tiloja, jotka riippuivat siitä, etsikö koiras kumppania, paikansiko se sukupuoliaukkoa, suorittiko se paritteluliikkeitä vai laukaisiko se siittiöitä.
Yllättäen koiraiden aivotoiminnassa esiintyi yksilöllisiä eroja, mikä tarkoitti, että jokainen niistä paritteli omalla tavallaan.
On oletettu, että sukkulamatojen kaltaiset eläimet toimivat yksinkertaisuuttaan kuin robotit ja suorittavat toiminnot aina suoraviivaisesti vakiotavalla. Asia ei siis ole aivan näin.
Kaikkien seitsemän koiraan aivotoiminta oli kuitenkin niin kaavamaista, että siitä oli melko helppo päätellä, milloin parittelussa alkaa seuraava vaihe.
Molekyylibiologi Jennifer Li päätyi vuonna 2019 samankaltaiseen tulokseen tutkiessaan seeprakalojen poikasia, vaikka näiden 100 000 hermosolun aivot ovat paljon monimutkaisemmat kuin sukkulamadon aivot.
Solut enteilevät käyttäytymistä
Seeprakalan poikaset ovat silmäripsen kokoisia. Jennifer Lin tutkimuksessa ne uivat alle millimetrin syvyisessä altaassa, jonka läpimitta oli vain 35 millimetriä. Kun Li kartoitti kalsiumkuvantamisella poikasten aivotoimintaa, ne saivat saalistaa pieniä tohvelieläimiä.
Kaloilla esiintyi samaan tapaan kuin madoilla eri tiloja, jotka riippuivat niiden käyttäytymisestä, kuten saaliseläimen etsimisestä tai sen kimppuun käymisestä.
Seeprakala aloittaa elämänsä poikasena. Koska se on läpikuultava, sen hermosto voidaan nähdä ulkopuolelta.
Myös tässä tapauksessa voitiin päätellä aivotoiminnan piirteistä, milloin tila oli vaihtumassa eläinten käyttäytymisen mukaisesti.
Li erotti joitakin hermosoluja, jotka alkoivat lähettää viestejä jo useita sekunteja ennen saalistuksen alkua.
Havainto vihjaa, että pieni joukko hermosoluja määrää, milloin aivot vaihtavat tilaansa. Solut aktivoi ilmeisesti aistiärsytys, jonka esimerkiksi tohvelieläin liikkeillään aiheuttaa. Toiminnan kiihtyminen virittää kalan hyökkäysvalmiuteen.
Hermoverkko joutokäynnillä
Yksinkertaisten eläinten vaihtelevat aivotilat ovat kiinnostava löytö, sillä ne pohjautuvat samantapaiseen aivotoimintaan kuin ihmisen tajunta.
Ihmisen aivoihin kohdistuu jatkuva aistiärsykepommitus, johon tajunnan ei ole mahdollista reagoida. Siksi aivot suodattavat informaatiota ja päästävät tietoisuuteen siitä vain kaikkein olennaisimman osan. Kun tekijä tiedostetaan, siihen voidaan reagoida ja osataan toimia tilanteen vaatimalla tavalla.
Ihmisaivot suoriutuvat tehtävästä peruslepotilan avulla. Siinä hermoimpulssit kulkevat vakiintuneella, tunnusmerkillisellä tavalla esimerkiksi muistia, oppimista ja reflektiota säätelevien aivoalueiden välillä.
Kun kyseinen lepohermoverkko toimii vilkkaasti, ei keskitytä vaan ajatukset risteilevät sinne tänne tulematta koskaan kunnolla tiedostetuiksi.
Peruslepotilan osuus aivojen kokonaisenergiankulutuksesta on peräti 80 prosenttia. Aina kun tapahtuu jotakin yllättävää, aivot pystyvät kuitenkin siirtymään nopeasti suorituskeskeiseen tilaan.
Toimintatilan muutoksen ansiosta tapahtuma tiedostetaan ja kyetään arvioimaan. Jos tarve vaatii, aivot muuttavat tilaa kolmannen kerran ryhtyäkseen toimeen. Vastuullinen hermoverkko huolehtii siitä, että keho reagoi fyysisesti.
LUE MYÖS: Tutustu maailman rumimpiin eläimiin – ja äänestä suosikkiasi
Eläimet katsovat peiliin
Ihmisen ja eläinten samankaltaisuus viittaa siihen, että eläimet ajattelevat paljolti samoin kuin ihminen, mutta vielä ei tiedetä varmasti, ovatko eläimet tietoisia niin kuin ihmiset.
Tietoisuutta on pidetty nimenomaan ihmisen ominaisuutena, josta on ehkä jonkinlainen mukaelma muutamalla muulla lajilla. Tähän saakka on pitänyt tehdä sitä koskevia päätelmiä eläinten käyttäytymisen perusteella.
Klassinen koe on peilitesti. Siinä nukutettuun eläimeen tehdään merkki suoraan näkymättömään paikkaan.
Kun eläin herää, se asetetaan peilin eteen. Siinä tapauksessa, että eläin yrittää koskettaa tai poistaa merkkiä, voidaan ajatella, että eläin tunnistaa peilissä näkyvän hahmon omaksi itsekseen – ja tiedostaa siten itsensä.
Peilitestin ovat läpäisseet esimerkiksi ihmislapset jo noin puolentoista vuoden ikäisinä, ihmisapinat, delfiinit, norsut ja harakat.
🎬 VIDEO: Harakka läpäisee peilitestin
Osa tutkijoista kuitenkin kyseenalaistaa peilitestin käyttökelpoisuuden.
Vuonna 2011 tehdyn tutkimuksen mukaan esimerkiksi siinä, kuinka alle nelivuotiaat lapset reagoivat nähdessään itsensä peilissä merkki otsassaan, esiintyy suuria kulttuurieroja. Yhdysvalloissa ja Kanadassa yli kolme neljäsosaa lapsista yritti heti poistaa merkin, mutta Keniassa ja Fidžissä osuus jäi alle kolmeen prosenttiin.
Tutkimuksen tekijät uskovat, että länsimaiset lapset tarkkailevat enemmän ulkonäköään ja kiirehtivät siksi korjaamaan pienen kauneusvirheen. Muualla lasten suhtautumistapa voi olla toinen.
Kulttuurin vaikutus tulee esiin myös gorilloiden keskuudessa. Luonnonvaraiset yksilöt eivät yleensä suoriudu peilitestistä toisin kuin tarhayksilöt.
Koe ei siis valaise luotettavasti tietoisuutta.
Elektrodit kielivät ajatuksista
Testaamisen sijasta voidaan nyt katsoa suoraan aivoihin.
Eettisistä syistä kalsiumkuvantamista ei kuitenkaan ole mahdollista soveltaa suuriin eläimiin, kuten apinoihin tai koiriin, koska menetelmä vaatii paitsi perimänmuokkausta myös kallon avaamista aivojen paljastamiseksi.
Tekniikkaa on käytetty hiiriin, mutta koska niiden 70 miljoonaa hermosolua sijaitsevat useassa kerroksessa, yksittäisten solujen välähdykset on vaikea havaita.
Siksi kansainvälinen tutkimusryhmä kehitti vuonna 2017 Neuropixels-menetelmän.
Siinä työnnetään hiiren aivoihin enintään sentin syvyyteen neula, jossa on noin tuhat elektrodia. Elektrodit ovat kudoksessa yhteydessä eri hermosoluihin, ja kun jokin niistä lähettää hermoimpulssin, elektrodi rekisteröi sen.
Menetelmä ei vahingoita eläimiä. Vaikka neula johtoineen muistuttaa tötteröhattua, se ei estä hiirtä liikkumasta eikä käyttäytymästä normaalisti.
Aivoihin voidaan työntää samalla kertaa useita Neuropixels-neuloja, jotka ovat 0,07 millimetrin paksuisia. Pään päällä oleva paketti painaa 400 milligrammaa.
Käyttämällä monta neulaa voidaan seurata parin tuhannen hermosolun toimintaa aivojen sisällä. Lisäksi kalsiumkuvantamisella saadaan selville vähintään 10 000:n aivojen pintakerroksessa sijaitsevan solun aktiivisuus.
Aivotutkija Karl Deisseroth selvitti Neuropixels-menetelmällä, millainen aivotoiminta liittyy hiirillä janontunteen syntymiseen.
Lisäksi on paljastunut, että hiirien suorittaessa tiettyä tehtävää niiden aivoissa esiintyy samanaikaisesti toimintaa, jolla ei ole mitään tekemistä tehtävän kanssa.
Kolmasosa tästä toiminnasta liittyy lihasten liikuttamiseen, mutta loppu on ilmeisesti ajattelua.
Uusien menetelmien käyttöönottoa pidetään yleisesti eläinten aivoja koskevan tutkimuksen käännekohtana. Tekniikan kehittyessä päästään ehkä soveltamaan niitä myös apinoiden ja koirien kaltaisiin isoihin eläimiin.
Koiralla on vähemmän yhteyksiä
Matkalla kohti koiran ajattelun ymmärtämistä on jo otettu tärkeä askel. Noin sitruunan kokoiset aivot on kartoitettu, ja löydöt antavat arvokkaita vihjeitä eläimen henkisistä kyvyistä.
1. Ylpeys sijoittuu aivokuoreen
Otsalohko (keltainen) ja päälakilohko (oranssi) vastaavat ihmisellä sekundaaritunteista eli sellaisista mutkikkaista tunteista kuin syyllisyys, toivottomuus ja ylpeys. Alueet kattavat aivokuoresta ihmisellä 85 prosenttia ja koiralla 20 prosenttia.
2. Yhteydet selvittävät syyn
Ajattelusta vastaavan aivokuoren hermoyhteydet ja tunteita säätelevä limbinen järjestelmä (keltainen) auttavat ihmistä ymmärtämään tunteiden syyn. Koiralla on näitä yhteyksiä vähemmän.
3. Näköalue saa epäilemään
Epäluuloisuuden tunne vaatii, että kyetään tulkitsemaan kasvojenilmeitä, ja suuri osa näköalueesta (keltainen) palvelee nimenomaan tätä päämäärää. Koirilla tätä tehtävää hoitaa alue, joka osallistuu myös muihin toimintoihin.
Eläimillä on järjestään rakenteeltaan selvästi yksinkertaisemmat aivot kuin ihmisellä, mutta vielä ei tiedetä tarkalleen, mikä merkitys erolla on ajattelulle ja tietoisuudelle.
Asiaan antanevat pian valaistusta uudet tutkimustavat, kuten Neuropixels.
Mato auttaa mielenterveyspotilaita
Ajattelun samankaltaisuuden takia eläimistä voi olla apua ihmisen aivotoiminnan häiriöiden selvittämisessä. Mittaamalla matojen, kalojen ja hiirien aivojen aktiivisuutta saatetaan päästä jyvälle vaikka skitsofrenian, masennuksen, ADHD:n ja Alzheimerin taudin hoitokeinoista.
Jo nyt tiedetään, että nämä sairaudet ja häiriöt sekoittavat lepohermoverkon. Sen pitäisi sammua, kun keskitytään tekemään tehtävää. Kun tarve vaatii, aivot siirtävät huomion ympäristöön aktivoimalla suorituskeskeisen hermoverkon.
Tutkimalla esimerkiksi sukkulamatojen tapaa vaihtaa aivojensa tilaa voidaan löytää uusia keinoja hoitaa psyykkisiä sairauksia ja häiriöitä.
Vuonna 2014 ranskalaistutkimuksessa osoitettiin kuitenkin aivokuvausten avulla, että ADHD-lasten lepohermoverkko ei passivoitunut niin kuin sen pitäisi heidän keskittyessään tehtävän tekemiseen.
Lisäksi kiinalaistutkimus paljasti, että monilla skitsofreenikoilla lepohermoverkko on poikkeuksellisen aktiivinen. Siksi heidän on vaikea erottaa sisäistä maailmaansa ympäristöstä. Tämä saattaa selittää aistiharhat.
Esimerkiksi tutkimalla lähemmin, kuinka sukkulamadon 302 hermosolua vaihtavat aivojen tilaa, toivotaan saatavan lisää tietoa aivomekanismeista. Ne taas voivat valaista myös ihmisaivojen toimintaa.
Mahdollisesti löytyvät mekanismit voivat auttaa kehittämään uusia lääkkeitä ja muita hoitomenetelmiä esimerkiksi ADHD-oireisiin tai skitsofreniaan.