Komórki mózgowe do spotkań towarzyskich

Niewielka była szansa na brak słonia w pokoju. Około tuzina lat po śmierci Simby w zoo w Cleveland Metroparks, pół cala jej żółtawego, pomarszczonego mózgu wielkości koszykówki została ułożona przed Johnem Allmanem, neurobiologiem z California Institute of Technology w Pasadenie.

powiązana zawartość

• Piękno mózgu
• Jak nasze mózgi tworzą wspomnienia

Zachowany w formaldehydzie, wyglądał jak pół naleśnika, zamrożonego ciała stałego na zamglonym złożu suchego lodu. Allman ostrożnie pokroił go za pomocą laboratoryjnego odpowiednika krajalnicy do mięsa. W ciągu ponad godziny wykroił 136 cienkich kawałków papieru.

Allman szukał szczególnego rodzaju komórki mózgowej, która, jak podejrzewa, jest kluczem do tego, jak słoń afrykański - podobnie jak człowiek - udaje się dostroić do ciągle zmieniających się niuansów interakcji społecznych. Te komórki mózgowe w kształcie wrzeciona, zwane neuronami von Economo - nazwane tak od człowieka, który pierwszy je opisał - znajdują się tylko u ludzi, wielkich małp człekokształtnych i garstki innych szczególnie towarzyskich stworzeń. 66-letni Allman porównuje mózgi ludzi i innych zwierząt, aby uzyskać wgląd w ewolucję ludzkich zachowań.

„Neuronauka wydaje się bardzo niechętna podejściu do pytania o to, co w naszych mózgach czyni nas ludźmi, a John właśnie to robi” - mówi Todd Preuss, neuroanatomik i antropolog z Yerkes National Primate Research Center w Atlancie. „Wiemy bardzo niewiele o tym, jak nasze mózgi różnią się od innych zwierząt, z wyjątkiem tego, że nasze mózgi są większe”.

Neurony von Economo są najbardziej uderzającym odkryciem ostatnich lat w porównawczych badaniach mózgu, w których naukowcy dowodzą drobnych różnic między gatunkami. Neuroanatomista Patrick Hof i jego koledzy z Mount Sinai School of Medicine na Manhattanie po raz pierwszy natknęli się na neurony w próbkach ludzkiego mózgu w 1995 r., W rejonie przedniej części mózgu zwanym przednią korą obręczy. Większość neuronów ma ciała w kształcie stożka lub gwiazdy z kilkoma rozgałęzionymi występami, zwanymi dendrytami, które odbierają sygnały z sąsiednich komórek. Ale neurony von Economo są cienkie i wydłużone, z tylko jednym dendrytem na każdym końcu. Są cztery razy większe niż większość innych komórek mózgu, a nawet u gatunków, które mają komórki, są rzadkie.

Okazało się, że zespół z Manhattanu odkrył na nowo niejasny typ komórek, zidentyfikowany po raz pierwszy w 1881 roku. Hof nazwał je na cześć anatoma z Wiednia, Constantina von Economo, który dokładnie opisał neurony w mózgach człowieka w 1926 roku; potem komórki pogrążyły się w mroku. Hof zaczął zaglądać do mózgów zmarłych naczelnych, w tym makaków i małp - szympansów, bonobo, goryli i orangutanów - podarowanych przez ogrody zoologiczne i świątynie. Skontaktował się z Allmanem, który miał kolekcję mózgów naczelnych, i poprosił go o współpracę. W 1999 r. Naukowcy podali, że wszystkie gatunki wielkich małp miały komórki von Economo, ale mniejsze ssaki naczelne, takie jak makaki, lemury i tarsjury, nie miały. Oznaczało to, że neurony ewoluowały we wspólnym przodku wszystkich wielkich małp około 13 milionów lat temu, po tym, jak oddzieliły się od innych naczelnych, ale na długo przed tym, jak linie ludzkie i szympansowe odeszły około sześć milionów lat temu.

Chociaż Allman jest znany jako neuroanatomista, nic dziwnego, że zastanawia się nad większymi pytaniami o to, co to znaczy być człowiekiem. Jego doktorat z University of Chicago zajmował się antropologią i od dawna fascynuje go ewolucja mózgu naczelnych. Przeprowadził przełomowe badania ze swoim kolegą Jonem Kaasem, identyfikując części mózgu sowy małpy, które analizują informacje wizualne i umożliwiają wzrok. W 1974 roku Allman przeniósł się do Caltech, gdzie studiował wizję przez 25 lat. Ale chciał też odkryć, w jaki sposób podstawowe działanie ludzkiego mózgu kształtuje zachowania społeczne. Neurony von Economo natychmiast wzbudziły jego zainteresowanie.

Rozwiedziony Allman mieszka w 150-letnim ceglanym domu w San Marino, który dzieli z dwoma owczarkami australijskimi, Luną i Lunitą. W odcieniach sepii fotografie jego sufrażystki wiszą na ścianie salonu. Będąc „notorycznie nocnym”, jak to ujął Allman, rzadko przychodzi do laboratorium przed godziną 13, wychodzi wieczorem, aby kontynuować pracę w domu i zwykle pozostaje do 2 w nocy. Jego biuro Caltech jest słabo oświetlone przez pojedyncze okno i małe okno lampka biurkowa; wygląda jak jaskinia przepełniona książkami i dokumentami. W głębi korytarza szklane szkiełka tkanek mózgu goryla, bonobo i słonia, zabarwione na niebiesko i brązowo, leżą na stołach i blatach.

Z pracy von Economo Allman dowiedział się, że niezwykłe komórki zdają się znajdować tylko w przedniej korze zakrętu obręczy (ACC) i jednej innej niszie ludzkiego mózgu, przednich wyspach (FI). Badania mózgu wykazały, że ACC i FI są szczególnie aktywne, gdy ludzie doświadczają emocji. Oba obszary wydają się być również ważne dla „samokontroli”, takiej jak zauważenie cielesnych odczuć bólu i głodu lub uznanie, że popełniłeś błąd. ACC wydaje się być szeroko zaangażowany w prawie każdy wysiłek umysłowy lub fizyczny.

Natomiast przednia izolacja może odgrywać bardziej specyficzną rolę w generowaniu emocji społecznych, takich jak empatia, zaufanie, wina, zakłopotanie, miłość - a nawet poczucie humoru. Zgodnie z eksperymentami mierzącymi funkcjonowanie różnych obszarów mózgu, obszar ten staje się aktywny, gdy matka słyszy na przykład płaczące dziecko lub gdy ktoś bada twarz w celu ustalenia intencji drugiej osoby. FI to miejsce, w którym mózg monitoruje i reaguje na „uczucia jelitowe” na podstawie doznań cielesnych lub interakcji w sieci społecznościowej, mówi Allman. Jest to związek między samokontrolą a świadomością innych, który pozwala nam zrozumieć uczucia innych ludzi. „Podstawową propozycją, którą popieram”, mówi, „jest przekonanie, że samoświadomość i świadomość społeczna są częścią tego samego funkcjonowania, a komórki von Economo są tego częścią”.

Allman uważa, że ​​neurony przyspieszają komunikację z ACC i FI do reszty mózgu. Komórki są niezwykle duże, a w układzie nerwowym rozmiar często koreluje z prędkością. „To duże neurony, które, jak sądzę, bardzo szybko coś czytają, a następnie szybko przekazują te informacje gdzie indziej”, mówi. Spekuluje, że ponieważ nasi przodkowie naczelni ewoluowali coraz bardziej, mieli potrzeby szybkich połączeń, aby wysyłać wiadomości na większe odległości. „Duży rozmiar mózgu niesie ze sobą spowolnienie komunikacji w mózgu” - dodaje. „Jednym ze sposobów radzenia sobie z tym jest posiadanie kilku wyspecjalizowanych populacji komórek, które są dość szybkie”.

Biorąc pod uwagę, że neurony żyją w gorących punktach społecznych mózgu, Allman zakłada, że ​​system komórek von Economo umożliwia szybki, intuicyjny odczyt na temat emocjonalnie naładowanych, niestabilnych sytuacji. Spekuluje, że neurony „pozwolą szybko dostosować się do zmieniających się kontekstów społecznych”. W starożytnej przeszłości takie okablowanie neuronowe mogło zapewnić przewagę naszym przodkom, umożliwiając im dokonywanie dokładnych, ułamkowych sekund ocen, szczególnie tych, którym mogli zaufać lub nie.

Allman, Hof i ich koledzy poszukiwali neuronów von Economo u ponad 100 gatunków zwierząt, od leniwców po dziobaki. Wiadomo, że tylko nieliczne z nich, oprócz naczelnych i słoni, mają komórki: humbaki, kaszaloty, płetwy, orki i delfiny. Komórki prawdopodobnie ewoluowały w wymarłych obecnie gatunkach, które dały początek ssakom morskim około 35 milionów lat temu.

Kiedy patrzyłem, jak dzieli mózg słonia w Caltech, Allman wraz z kolegami Atiyą Hakeem i Virginie Goubert w końcu dotarł do FI lewej półkuli Simby. Trzy dni później badanie mikroskopowe wycinków mózgu wykazało, że jest on usiany charakterystycznymi komórkami w kształcie wrzeciona. Potwierdziło to ich wcześniejsze obserwowanie podobnych neuronów na FI prawej półkuli Simby. Komórki słonia są większe niż ludzkie i naczelne, mniej więcej wielkości neuronów wieloryba, ale wielkość i kształt są bez wątpienia neuronami von Economo.

Na podstawie zliczenia komórek von Economo w 16 slajdach - oszałamiającej pracy - Hakeem i Allman szacują, że jest ich około 10 000 w FI wielkości znaczka pocztowego po prawej stronie mózgu słonia, czyli około 0, 8 procent 1, 3 miliona neuronów FI. Neurony von Economo są bardziej obfite w ludzkiej FI, średnio około 193 000 komórek i stanowią około 1, 25 procent wszystkich neuronów tam obecnych. W liczbach bezwzględnych ludzki mózg ma około pół miliona neuronów von Economo, znacznie więcej niż mózgi słoni, wielorybów i wielkich małp. Allman i jego koledzy nie znaleźli nikogo w najbliższej rodzinie słonia: mrówkojada, pancernika i góralka skalnego. Brak komórek w tych gatunkach potwierdza teorię Allmana, że ​​neurony są cechą dużych mózgów.

Allman spekuluje, że takie komórki łatwo ewoluują z małego zestawu neuronów w korze wyspowej, które znajdują się u wszystkich ssaków i regulują apetyt. Uważa, że ​​chociaż komórki von Economo prawdopodobnie ewoluowały w celu przyspieszenia informacji wokół dużego mózgu, kooptowały je potrzeby interakcji społecznych. Jeśli ma rację, inteligentne, towarzyskie zwierzęta, takie jak wieloryby i słonie, mogą mieć takie same wyspecjalizowane okablowanie do empatii i inteligencji społecznej, jak istoty ludzkie.

Wieloryby i słonie, podobnie jak ludzie i wielkie małpy człekokształtne, mają duże mózgi i dłuższy okres młodości, podczas którego uczą się od starszych. Rozpoznają się nawzajem i rozwijają relacje na całe życie. Orki polują w grupach i chronią rannych partnerów pod. Społeczeństwo słoni jest zakotwiczone przez matriarchów, którzy prowadzą swoje stada do wodopoju znanego z poprzednich wizyt. (I może być trochę prawdy w przekonaniu, że słonie nigdy nie zapominają: kiedy Allman, Hof i Hakeem zrobili pierwszy trójwymiarowy obraz mózgu słonia, w 2005 roku odkryli ogromny hipokamp, ​​obszar mózgu, w którym wspomnienia powstają.) Wrażliwe bestie identyfikują się nawzajem przez pomruki i trąby, przychodzą sobie z pomocą i wydają się opłakiwać swoich zmarłych.

Allman lubi pokazywać film dokumentalny o grupie słoni afrykańskich, które adoptowały osierocone cielę. Kiedy słoniątko wpada do wodopoju, matriarcha szybko wkracza, a następnie inni. Razem z drugą samicą używają kłów, pni i nóg, aby uwolnić cielę z błota. Kolejne zwierzęce łapy na stromym brzegu nogą, budujące rampę, z której młodzieniec wspina się bezpiecznie. „To naprawdę niezwykłe” - mówi Allman o tym, jak słonie szybko zmierzyły kryzys i wspólnie pracowały nad ratowaniem dziecka. „Jest to bardzo wysoki rodzaj funkcjonowania, który jest w stanie wykonać bardzo niewiele zwierząt. I”, dodaje z chichotem, „ludzie mogą to zrobić tylko w dobre dni”. Ratunek, mówi, „oddaje istotę naprawdę złożonych, skoordynowanych zachowań społecznych”.

Idea centralności neuronów wobec inteligencji społecznej zyskuje na popularności. Prymatolog Yerkes, Frans de Waal, mówi, że „niezwykle ekscytujące” badania Allmana łączą się z niektórymi jego własnymi badaniami inteligencji pachyderm. Dwa lata temu de Waal i dwóch współpracowników poinformowali, że słoń z Bronx Zoo o imieniu Happy mógł rozpoznać się w lustrze. Niektórzy naukowcy twierdzą, że umiejętność rozpoznania własnego odbicia wskazuje na zdolność do samoświadomości, a nawet empatii, przydatnych umiejętności u gatunku wysoce społecznego. De Waal podkreśla, że ​​mogą to robić tylko zwierzęta, które mają neurony von Economo.

Jednak de Waal ostrzega również, że „dopóki ktoś nie ustali dokładnej funkcji tych komórek, zasadniczo pozostaje to historią”.

Myśli Allmana o komórkach von Economo wciąż ewoluują. Gdy pojawiają się nowe dane, odrzuca początkowe koncepcje i integruje inne. W przeciwieństwie do stereotypowego ostrożnego naukowca, nie waha się wysuwać śmiałych hipotez opartych na kilku spostrzeżeniach. Teoria, że ​​neurony von Economo leżą u podstaw poznania społecznego, jest odważna. I kuszące jest wykorzystanie komórek jako prostego wyjaśnienia podstaw złożonej natury społecznej naszego gatunku. Ale Allman wie, że to odcinek.

Jego teoria ma swoich sceptyków. Antropolog Terrence Deacon z University of California w Berkeley zastanawia się, czy neurony są naprawdę innym typem komórek mózgowych, czy po prostu odmianą powstającą w dużych mózgach. Mówi, że różnice w naszych mózgach, które sprawiają, że jesteśmy ludźmi, są bardziej prawdopodobne na skutek zmian na dużą skalę niż subtelnych zmian w kształcie neuronów. „Nie sądzę, że to bardzo ważna część historii”, mówi o pomyśle Allmana. Jednak dodaje, jeśli chodzi o zrozumienie ludzkiego mózgu, „dopóki uznamy, że mamy tak niewiele do zrobienia, w tych okolicznościach wszystkie hipotezy powinny zostać przyjęte”.

Punkt wzięty. Trudno jednak nie dać się uwieść teorii Allmana, gdy jedne z najbardziej przekonujących dowodów nie pochodzą z laboratorium patologii zwierząt, ale z kliniki medycznej.

William Seeley, neurolog z University of California w San Francisco, bada słabo poznaną chorobę neurodegeneracyjną zwaną otępieniem czołowo-skroniowym. Pacjenci cierpią na załamanie charakteru, tracą łaski społeczne i empatię, stają się niewrażliwi, nieobliczalni i nieodpowiedzialni. Małżeństwa i kariery zawodzą. Wydaje się, że wielu pacjentom brakuje samoświadomości fizycznej: po zdiagnozowaniu innych chorób zaprzeczają jakimkolwiek problemom. Badania obrazowe mózgu u pacjentów z demencją ujawniły uszkodzenie czołowych obszarów mózgu.

W 2004 roku Seeley usłyszał wykład Allmana na temat neuronów von Economo. Gdy Allman przeglądał slajdy PowerPoint, Seeley zobaczył, że komórki są skupione w tych samych obszarach mózgu, na które celowała demencja, ACC i FI. „To było trochę jak Eureka” - wspomina Seeley. Pomyślał, że komórki mogą pomóc badaczom dowiedzieć się, dlaczego obszary te były podatne na zniszczenie. „Pomyślałem też, że to ciekawy sposób, aby dowiedzieć się czegoś o ludzkiej naturze. Być może deficyty, które rozwijają pacjenci, mogą dotyczyć rzeczy, które są wyjątkowo ludzkie. Więc było mnóstwo pomysłów”.

Następnie przy kawie Seeley i Allman zgodzili się połączyć siły, aby dowiedzieć się, czy neurony von Economo zostały uszkodzone u osób z otępieniem czołowo-skroniowym. Analizując mózgi zmarłych pacjentów, naukowcy odkryli, że w rzeczywistości około 70 procent neuronów von Economo w ACC zostało zniszczonych, podczas gdy sąsiednie komórki mózgowe były w dużej mierze niezmienione. „Jest bardzo jasne, że pierwotnym celem choroby są te komórki, a kiedy niszczysz te komórki, dochodzi do całkowitego załamania funkcjonowania społecznego”, mówi Allman. „To naprawdę zdumiewający wynik, który mówi o funkcji komórek tak wyraźnie, jak to tylko możliwe”.

Ten niezwykły układ nerwowy wydaje się leżeć u podstaw tego, co czyni nas ludźmi. Ale fakt, że słonie i wieloryby najwyraźniej mają ten sam neuronowy sprzęt, otwiera umysł na przechylenie w perspektywie: nasze mózgi mogą być bardziej podobne do mózgów innych inteligentnych zwierząt społecznych, niż nam się wydawało.

Ingfei Chen mieszka w Santa Cruz w Kalifornii.
Fotograf Aaron Huey mieszka w Seattle.

Duża komórka mózgowa w kształcie wrzeciona (prawa), znaleziona w 1881 r. I opisana w 1926 r. Przez Constantina von Economo, ma mniej gałęzi niż typowy neuron (po lewej). (KK Watson, TK Jones i JM Allman / za zgodą Elseviera (2)) John Allman (wraz z kolegą Atiją Hakeem z Caltech badającą próbki mózgu słonia) poszukuje jednego z biologicznych kluczy ludzkiego zachowania. (Aaron Huey) Wiadomo, że neurony Constantin von Economo występują w częściach ludzkiego mózgu, które przetwarzają wrażenia i emocje społeczne. (Ilustracja Guilbert Gates) Constantin von Economo precyzyjnie opisał neurony w ludzkich mózgach w 1926 r. (Oxford University Press) Badanie innych gatunków daje wgląd w „to, co sprawia, że ​​jesteśmy ludźmi w naszych mózgach”, mówi Todd Preuss. (Jack Kearse / Emory University) Sprytne, towarzyskie i tak, obdarzone doskonałą pamięcią, słonie (Simba w Cleveland Metroparks Zoo, gdzie zmarła w 1995 r.) Są jednymi z niewielu zwierząt z neuronami von Economo. (Cleveland Metroparks Zoo) John Allman bada sekcje mózgu Simby. (Aaron Huey) Patrick Hof bada, kiedy i gdzie neurony von Economo ewoluowały w drzewie genealogicznym naczelnych. (Michael Balter) John Allman za pomocą krajalnicy mózgu. (Ingfei Chen) John Allman wycina cienkie jak papier fragmenty zachowanego mózgu do zbadania. (Ingfei Chen) Próbki wycinka mózgu w laboratorium Johna Allmana. (Aaron Huey) Goryle górskie należą do zwierząt, o których wiadomo, że żyją w złożonych grupach. (iStockphoto) Humbaki to kolejny gatunek, o którym wiadomo, że żyje w złożonych grupach. (Blaine Harrington III / Corbis) Słonie afrykańskie znane są również z życia w złożonych grupach. Dlaczego są tak dobrzy w kontaktach towarzyskich? Jednym z powodów, jak twierdzi Allman, są wyspecjalizowane neurony von Economo, które przyspieszają impulsy w niezwykle dużych mózgach wśród centrów zaangażowanych w komunikację i współpracę. (iStockphoto)