8000 neuronów to tylko złudzenie. Mózg owada działa na 200 podstawowych planach

Dlaczego badacze mózgu mieliby dobrowolnie rezygnować z analizy tysięcy unikalnych neuronów na rzecz zaledwie dwustu modułów? Odpowiedź, którą przynosi zespół z Uniwersytetu Michigan, może zmienić sposób, w jaki myślimy o mózgach ssaków. W centrum tej historii stoi skromna muszka owocowa i zaskakująco logiczny plan architektoniczny jej układu nerwowego.

Zamiast chaosu – powtarzalny schemat

→ Czytaj też: Badanie DNA 142 średniowiecznych grobów. Co odkryto w parze dorosły-dziecko?

Mózg nawet tak prostego organizmu jak wywilżna karłowata (Drosophila melanogaster) mieści w swoim cerebrum, czyli ośrodku odpowiedzialnym za wrodzone instynkty, ponad 8000 typów neuronów. Standardowe podejście wymagałoby prześledzenia każdego z nich z osobna. Badanie pod kierunkiem dr. Najii Elkahlah z laboratorium prof. E. Josie Clowney wywraca to założenie do góry nogami. Naukowcy odkryli, że cała ta różnorodność redukuje się do mniej niż 200 fundamentalnych planów strukturalnych. „Zamiast badać wszystkie 8000 typów neuronów, możemy zrozumieć, jak działają obwody, analizując 200 modułowych elementów połączonych ze sobą na różne sposoby dla różnych funkcji” – tłumaczy Clowney, profesor nadzwyczajna w Departamencie Biologii Molekularnej, Komórkowej i Rozwojowej UM.

Te moduły to nie tylko anatomiczne klocki. Każdy z nich jest produktem ścisłej hierarchii genetycznej. Pierwszy zestaw genów działa jak generalny wykonawca: wyznacza ogólny, makroskopowy kształt neuronu, tworząc szkielet planu. Dopiero drugi zestaw, niczym precyzyjny dekorator wnętrz, wprowadza drobne modyfikacje w kształcie i lokalnej łączności, decydując, czy dany neuron wejdzie w skład obwodu blokującego jedzenie, czy też kopulację.

Smak, który każe się zatrzymać

→ Czytaj też: Kawa zmienia smak. Nowe badanie pokazuje, jak to robi

Aby udowodnić skuteczność swojego modelu, badacze wyizolowali konkretny plan strukturalny odpowiedzialny za instynktowne hamowanie zachowań w odpowiedzi na bodziec smakowy. Wewnątrz tego jednego makro-szkieletu, drugi zestaw genów różnicuje neurony na dwie wyspecjalizowane linie. Pierwsza wykrywa niesmaczne substancje i natychmiast powstrzymuje żerowanie. Druga rejestruje niepożądane feromony i blokuje próby godowe. Mechanizm „spróbuj i przestań” okazał się więc zapisany w genach z chirurgiczną precyzją, a nie w chaotycznej plątaninie połączeń.

Nie analizując pojedynczych neuronów, naukowcy mogą traktować mózg jako sieć 200 powtarzalnych bloków konfigurowanych w różne kombinacje w celu wykonania konkretnych działań.

Takie podejście odciąża obliczeniowo badaczy w stopniu trudnym do przecenienia. Nie grzęznąc w szczegółach tysięcy komórek, mogą skupić się na tym, jak moduły łączą się w funkcjonalne całości.

Od muszki do ludzkiego mózgu

Kluczowe pytanie brzmi: czy ten uproszczony schemat obowiązuje tylko u bezkręgowców, czy jest istotny także dla nas? Zespół z Michigan wskazuje na mocny argument ewolucyjny. Regulatory genów wytypowane u muszki owocowej mają bezpośrednie homologi u ssaków, a wiele z nich odgrywa krytyczną rolę w rozwoju nerwowym człowieka. „W tej chwili nie można jeszcze zapytać, czy te same zasady dotyczą analogicznych części mózgów ssaków, ponieważ nie wiemy wystarczająco dużo o związkach między obwodami, genami i programami rozwojowymi, które tam działają” – przyznaje Clowney. Uzupełnia jednak stanowczo: „Jestem głęboko przekonana, że u ssaka również istnieją jakieś upraszczające reguły i że my lub inni będziemy w stanie je odkryć, inspirując się sposobem, w jaki dokonaliśmy tego odkrycia”.

Praca, którą opublikowano w czasopiśmie Nature, podważa mit wyjątkowości muszki owocowej w badaniach neurologicznych. Profesor Clowney dystansuje się od przekonania, że wywilżna jest „specjalna”. Traktuje ją raczej jako uniwersalny przykład zwierzęcia, którego wartość leży w potężnej bazie stuletniej wiedzy i praktycznych udogodnieniach laboratoryjnych. Jeśli założymy, że mózg człowieka – przy całej swojej złożoności – podlegał tym samym ciśnieniom ewolucyjnym co mózg muszki, odkrycie uniwersalnych planów strukturalnych w naszej korze może być tylko kwestią czasu i odpowiednich narzędzi.

Prostszy obraz skomplikowanych decyzji

Badania te zmuszają do refleksji nad naturą instynktu. Jeśli najbardziej podstawowe zachowania, takie jak wstrzymanie jedzenia pod wpływem gorzkiego smaku, można rozpisać na sztywną sekwencję genów i modułów, to gdzie kończy się automatyzm, a zaczyna wolna wola? Odkrycie strukturalnych planów neuronów nie odbiera magii ludzkiemu poznaniu, ale oferuje wreszcie skalowalny plan jego rozszyfrowania. Bez zagłębiania się w gąszcz 86 miliardów ludzkich neuronów, przyszłe badania mogą śledzić architekturę zaledwie kilkuset funkcjonalnych fundamentów.

Finansowane przez Pew Charitable Trust, McKnight Endowment Fund for Neuroscience oraz amerykański NIH i NSF badania udowadniają, że ścieżka do zrozumienia wielkiego mózgu wiedzie czasem przez mikroskopijny mózg owada, który od stu lat cierpliwie podpowiada nam, że natura nie znosi niepotrzebnego skomplikowania.