De rondworm Caenorhabditis elegans heeft met zijn 302 hersencellen het buskruit niet uitgevonden. Toch denkt en voelt het slechts 1 millimeter lange dier in veel opzichten net als wij.
Onderzoekers hebben dit achterhaald met een nieuwe techniek waarmee elk zenuwsignaal in het microscopisch kleine brein van de worm te zien is als een lichtflitsje.
Door elektroden diep de hersenen in te sturen kunnen onderzoekers de hersenactiviteit bij grotere dieren in detail volgen zonder hun gedrag te verstoren.
Daaruit blijkt dat zelfs kleine dieren geen simpele machines zijn die gedachteloos automatische handelingen uitvoeren. Ze kijken naar de mogelijkheden en passen hun gedrag aan de gegeven situatie aan.
Binnenkort kunnen de nieuwe technieken wellicht aangeven wat dieren van hun eigen bestaan denken.
Zelfs met die 302 hersencellen gedraagt C. elegans zich als een denkend wezen, want de zenuwsignalen lopen niet altijd in dezelfde netwerken, maar vinden nieuwe paden tussen de hersencellen, al naargelang de omstandigheden.
De nieuwe technieken hebben ons al verrassende inzichten gegeven in het innerlijke leven van de dieren – en binnenkort kunnen ze wellicht aangeven wat dieren van hun eigen bestaan denken.
Signalen lichten op in hersenen
Een van de nieuwe methoden, calcium imaging of calciumvisualisatie, laat zien hoeveel calciumionen de lichaamscellen bevatten.
Meestal telt een zenuwcel maar een paar calciumionen, die bij ieder signaal naar binnen stromen. Zodra het zenuwsignaal is verzonden, worden de ionen weer weggepompt. De techniek volgt dit proces.
De onderzoekers maken de calciumionen zichtbaar door dieren zodanig genetisch te modificeren dat ze een specifiek eiwit vormen dat oplicht in contact met calciumionen. De afzonderlijke zenuwcellen in de hersenen lichten dan kort op als ze een signaal afgeven.
Lichtshow leidt ons rond in de gedachten van een worm
Wetenschappers hebben genetisch gemodificeerde rondwormen gemaakt waarvan de hersencellen oplichten als ze een signaal afgeven. Zo kunnen ze de gedachten van de dieren volgen.
1. Genetische manipulatie kleurt neuronen blauw
De onderzoekers manipuleren een rondworm zodanig dat de zenuwcellen een molecuul vormen met de eiwitten CFP en YFP en een koppeling ertussen. Zodra de onderzoekers de zenuwcel verlichten met uv-licht, licht CFP blauw op; YFP licht niet op.
2. Ionen stromen de cel in
Als de zenuwcel een signaal ontvangt van een andere zenuwcel, wordt hij geactiveerd en verstuurt hij zelf een signaal. Zo opent hij zich voor zogeheten ionkanalen op het oppervlak en kunnen calciumionen naar het binnenste van de cel stromen.
3. Zenuwcel wordt geel
De calciumionen binden zich aan de koppeling, waardoor de eiwitten CFP en YFP nauw met elkaar in contact komen. Het blauwe licht van CFP wordt nu geabsorbeerd door YFP, en verandert in geel licht. Zo wordt de zenuwcel tijdelijk geel.
De techniek is toepasbaar op dieren die vrij rondbewegen. Zo kunnen onderzoekers ze continu volgen terwijl ze hun normale gedrag vertonen.
Bij dieren met weinig hersencellen, zoals wormen, is calciumvisualisatie een ideale techniek, die de activiteit van alle zenuwcellen tegelijk in kaart brengt.
Daarmee bestudeerde de biofysicus Aravinthan Samuel in 2020 wat er in de kop van de worm gebeurt als hij seks heeft.
Hersenen veranderen van toestand
Samuel observeerde zeven mannetjes en ontdekte dat 46 zenuwcellen de hele paring aanstuurden, en dat elke fase daarvan gekenmerkt wordt door specifieke patronen van hersenactiviteit.
De hersentoestand verschilde al naargelang het mannetje op zoek was naar een partner, de genitale opening zocht, paringsbewegingen maakte of een ejaculatie had.
Tot verbazing van de onderzoekers hadden de zeven mannetjes niet hetzelfde patroon van hersenactiviteit, maar voerden ze de paring op hun eigen manier uit.
Vroeger dachten onderzoekers dat primitieve dieren als rondwormen alleen vaste, automatische activiteitspatronen kunnen volgen, maar dit klopt dus niet.
De hersenactiviteit van de zeven mannetjes vertoonde voldoende overeenkomsten om op basis van kennis van de andere mannetjes vrij precies te kunnen voorspellen wanneer een mannetje naar de volgende fase van de paring zou gaan.
Moleculair bioloog Jennifer Li bereikte in 2019 een vergelijkbaar resultaat toen ze zebravissenlarven bestudeerde, maar met 100.000 zenuwcellen zijn de hersenen van vissenlarven veel complexer dan die van wormen.
Cellen voorspellen gedrag
Zebravissenlarven zijn zo klein als een wimper, en in het experiment van Jennifer Li zwommen ze rond in een badje van nog geen millimeter hoog met een diameter van 35 millimeter. Hier gingen ze achter pantoffeldiertjes aan, terwijl Li hun hersenactiviteit volgde met calciumvisualisatie.
Net als de wormen kenden de vissen speciale toestanden voor hun gedrag, zoals het zoekn naar een prooi of er actief jacht op maken.
De zebravis begint zijn leven als een larfje. Doordat het doorzichtig is, kunnen onderzoekers rechtstreeks naar het zenuwstelsel kijken.
Ook nu wisten de onderzoekers aan de hand van de patronen te voorspellen wanneer de hersenen van toestand zouden veranderen en de dieren iets anders gingen doen.
Li zag bij de dieren dat een handjevol neuronen signalen begon af te vuren een paar tellen voordat ze op jacht gingen.
Een paar neuronen lijken dus te bepalen wanneer de hersenen van toestand veranderen. Die werden waarschijnlijk geactiveerd door de bewegingen van pantoffeldiertjes, die de vissen aanzetten tot jagen.
Netwerk draait stationair
De ontdekking van veranderende hersentoestanden bij primitieve dieren is interessant omdat het algemene patroon sterk lijkt op de manier waarop ons eigen bewustzijn werkt.
Ons brein wordt constant bestookt met zintuiglijke indrukken die het bewustzijn niet allemaal kan verwerken. Daarom sorteren de hersenen de informatie zodat alleen de belangrijkste aan het bewustzijn wordt doorgegeven. Dat kan de informatie dan beoordelen en een handeling in gang zetten.
Ons brein verricht de taak met behulp van het zogeheten defaultnetwerk: een stabiele toestand in het brein waarbij de zenuwsignalen in karakteristieke patronen bewegen tussen de hersencentra voor onder meer geheugen, empathie en reflectie.
Dit netwerk staat onder hoge druk als we ons nergens op concentreren maar een hoofd vol losse gedachten hebben die nooit echt tot bewustzijn komen.
Het defaultnetwerk is goed voor maar liefst 80 procent van het totale energieverbruik van de hersenen. Als er iets onverwachts gebeurt, kunnen de hersenen het snel uitschakelen en overstappen op het saliencenetwerk.
Daardoor word je je bewust van wat er speelt en kun je situaties beoordelen. Zo nodig kun je overschakelen naar het centraal-executief netwerk, dat ervoor zorgt dat je lichaam fysiek reageert.
Dieren zien zichzelf in de spiegel
De overeenkomsten tussen mens en dier duiden erop dat dieren in veel opzichten denken zoals wij, maar we weten nog niet of hun bewustzijn ook werkt als het onze.
Bewustzijn leek lange tijd alleen voor te komen bij mensen en misschien enkele dieren, en tot nu toe moesten onderzoekers naar het gedrag van dieren kijken om een idee te krijgen van wat er in hun kop omgaat.
Een klassiek experiment is de spiegeltest. Hierbij krijgt het dier onder narcose ergens een merkje op zijn eigen lichaam dat voor hemzelf niet zichtbaar is.
Als het dier wakker wordt, wordt het voor een spiegel gezet. Probeert het het merkje weg te krijgen, dan gaan de onderzoekers ervan uit dat het dier zich ervan bewust is dat het zichzelf in de spiegel ziet – en dus zijn eigen bestaan begrijpt.
Kinderen tot circa anderhalf jaar, mensapen, dolfijnen, olifanten en eksters slagen geregeld voor de test.
🎬 VIDEO: Ekster slaagt voor spiegeltest
Sommige onderzoekers twijfelen echter aan het belang van de spiegeltest.
Een onderzoek uit 2011 toonde aan dat er grote culturele verschillen zijn in de manier waarop kinderen tot 3 à 4 jaar reageren als ze zichzelf in de spiegel zien met een merkje op hun voorhoofd. In de VS en Canada haastte ruim driekwart zich om het te verwijderen, maar in Kenia en Fiji was dat nog geen 3 procent.
De onderzoekers denken dat kinderen in het Westen veel nadenken over hun uiterlijk en daarom graag kleine afwijkingen willen corrigeren, terwijl niet-westerse kinderen daar minder in opgaan.
Ook bij gorilla’s speelt culturele invloed een rol. Gorilla’s in het wild slagen meestal niet voor de spiegeltest, in gevangenschap wel.
De test geeft dus geen nauwkeurig beeld van bewustzijn.
Elektroden verraden gedachten
In plaats van de spiegeltest kunnen onderzoekers nu rechtstreeks in de hersenen kijken.
Om ethische redenen kunnen ze echter geen calciumvisualisatie gebruiken bij grote dieren, want er komt genetische manipulatie bij kijken en er is een schedellichting voor nodig.
De methode is toegepast op muizen, maar doordat de 70 miljoen zenuwcellen van de muis vele lagen vormen, is het lastig de afzonderlijke lichtgevende cellen te zien.
Daarom ontwikkelde een internationaal team in 2017 de zogeheten Neuropixels-techniek.
Daarbij wordt een naald met circa 1000 elektroden een centimeter in de muizenhersenen gestoken – bijna helemaal erdoorheen. In het hersenweefsel komen de elektroden in contact met elk een zenuwcel, en als de cel een signaal afgeeft, registreert de elektrode dit.
De dieren houden er niets aan over, en al lijkt de naald met zijn snoeren net een hoge hoed, de muis kan vrij rondlopen en doen zoals anders.
Onderzoekers kunnen een aantal van de slechts 0,07 millimeter dikke Neuropixels-naalden per keer in muizenhersenen steken. Het pakketje op de muizenkop weegt 400 milligram.
Vaak meten onderzoekers met meerdere naalden duizenden zenuwcellen diep in de hersenen, waarbij calciumvisualisatie de activiteit van 10.000 cellen in de bovenste lagen van de hersenen registreert.
In een experiment ontcijferde hersenonderzoeker Karl Deisseroth met Neuropixels het patroon van hersenactiviteit dat muizen dorstig maakt.
Andere experimenten tonen aan dat wanneer muizen een taak uitvoeren, hun hersenen bezig zijn met een activiteit die niets met de taak te maken heeft.
Een derde van deze activiteit houdt verband met bewegende spieren, maar de rest is kennelijk puur denkwerk.
Verschillende onderzoekers beschouwen de nieuwe methoden als een keerpunt in de verkenning van dierenhersenen. En naarmate de technologie vordert, gaan we haar misschien ook toepassen op grotere dieren, zoals apen of honden.
Honden hebben minder verbindingen
Om de gedachten van de hond te kunnen begrijpen, hebben onderzoekers zijn hersenen in kaart gebracht, die niet groter zijn dan een citroen. Dat geeft ons een idee van de mentale vermogens van het dier.
1. Trots zit in de hersenschors
De frontaalkwab (geel) en de pariëtaalkwab (oranje) verwerken bij de mens secundaire emoties: complexe emoties als schuld, wanhoop en trots. Bij ons vormen de gebieden 85 procent van de hersenschors, bij honden maar 20 procent.
2. Verbindingen leggen oorzaak bloot
Zenuwverbindingen tussen de hersenschors, die verantwoordelijk is voor het denken, en het limbisch systeem (geel), dat emoties hanteert, helpen ons de oorzaak van onze emoties te begrijpen. Honden hebben veel minder van deze verbindingen dan wij.
3. Gezichtscentrum maakt ons achterdochtig
Voor emoties als achterdocht moeten we gezichtsuitdrukkingen kunnen ontcijferen, en een groot deel van ons gezichtscentrum (geel) houdt zich exclusief met die taak bezig. Bij honden wordt dit afgehandeld door een gebied dat ook bezig is met andere taken.
Dierenhersenen zijn meestal veel simpeler van structuur dan die van ons, maar onderzoekers weten niet precies wat dit betekent voor hun gedachten en bewustzijn.
Technieken als Neuropixels kunnen hier helderheid in geven.
LEES OOK: Bekijk de lelijkste dieren ter wereld en stem op je favoriet
Wormen helpen psychische patiënten
De gedachten van dieren doen denken aan die van ons, en kunnen ons helpen als onze hersenen zich ondoelmatig gedragen. Zo kunnen precieze metingen van de hersenactiviteit van wormen, vissen en muizen van belang zijn voor de behandeling van ziekten als schizofrenie, depressie, ADHD en alzheimer.
Onderzoekers weten al dat deze aandoeningen het defaultnetwerk verstoren. Normaal ‘dooft’ dit netwerk zodra het saliencenetwerk het overneemt. Zo kunnen de hersenen makkelijk wisselen tussen de mijmer- en concentratiestand.
Door te onderzoeken hoe dieren als rondwormen wisselen tussen twee hersentoestanden kunnen onderzoekers nieuwe manieren vinden om psychische klachten te behandelen.
Maar in een Frans onderzoek uit 2014 toonden hersenscans aan dat het defaultnetwerk niet stopte bij kinderen met ADHD die een taak uitvoeren.
Verder blijkt uit een Chinese studie dat het defaultnetwerk van veel schizofrene patiënten abnormaal actief is, waardoor ze moeilijk onderscheid kunnen maken tussen hun belevingswereld en de werkelijkheid. Dit kan de oorzaak van hun waanbeelden zijn.
Door nauwkeurig te bestuderen hoe de 302 neuronen van de rondworm schakelen tussen hersentoestanden hopen de onderzoekers nieuwe mechanismen te ontdekken die aangeven hoe onze eigen hersenen werken.
Op die nieuwe mechanismen zouden ooit nieuwe soorten medicijnen kunnen worden afgestemd die mensen met bijvoorbeeld ADHD of schizofrenie helpen om een beter leven te leiden.