'Styrt evolusjon': Den minste hjernen er ikke enkel
Av Eric Cassell, 14. mars 2025. Oversatt herfra {kursiv og understreking ved oversetter}

Nematode-ormen C(aenorhabditis) elegans har den minste hjernen hos et frittlevende dyr. Det finnes to former for C. elegans, hann og hermafroditt. Hermafroditthjernen inneholder bare 302 nevroner og den mannlige 385 nevroner. De fysiske egenskapene og hjernedesignet er forskjellige, men det er mye til felles. Hele kroppen inneholder omtrent 900 celler og den er bare én millimeter lang. På grunn av dens lille størrelse, har forskere utført en betydelig mengde forskning på hjernen, i håp om å oppdage hvordan hjerner generelt fungerer. For noen år siden klarte forskere å bestemme hele kartet over hjernen, kalt et connectome -lenke, og publiserte resultatene i tidsskriftet Nature.(1) C. elegans er det første dyret hvor dette ble utført.

Bilde 1. Nematode-ormen C(aenorhabditis) elegans

Selv en overfladisk undersøkelse av connectomet viser kompleksiteten til hjernen, til tross for dens lille størrelse. Ytterligere kompleksitet vises av mangfoldet av typene nevroner og mangfoldet av forbindelser. Det er tre grunnleggende typer nevroner - sensoriske nevroner, motoriske nevroner og internevroner. Sensoriske nevroner reagerer på ulike stimuli (kjemiske, fysiske, etc.). Motoriske nevroner kobles til muskler for å kontrollere bevegelser. Internevroner er vanligvis mellomliggende mellom sensoriske og motoriske nevroner.

C. elegans atferd
C. elegans viser en rekke typer atferd, hvorav noen er komplekse. Det er overraskende med tanke på at det er en enkel organisme med en så liten hjerne. Den grunnleggende atferden inkluderer spising, faste, parring, egglegging og flere former for bevegelse. Disse inkluderer svømming i flytende medier og 'kryping' på faste overflater. De viser også en ikke-bevegelsesadferd kalt hvile. Forskning har funnet ut at atferden kontrolleres av ulike nevrale nettverk i tillegg til at den reguleres av nevrotransmittere som serotonin og dopamin og nevropeptid-signalering.(2) Disse formene for nevrale signaler finnes i alle dyrehjerner. Konklusjonen av den samme forskningen angående disse atferdene er at "Episodisk regulering av C. elegans atferd er kompleks fordi hendelses-forekomst og timing er regulert av samspillet mellom flere kretssystemer."

Bilde 2. C.elegans sine hoved-bestanddeler

I tillegg til grunnleggende atferd, er C. elegans også i stand til å lære, inkludert assosiativ og ikke-assosiativ læring. En artikkel publisert i Journal of Neurochemistry dokumenterte læringsatferden, inkludert tiltrekning og aversjon mot salt, temperatur og andre stoffer.(3) Det som kan være overraskende for mange er at denne læringen involverer både kortsiktige og langsiktige minnemekanismer, som inkluderer regulering av nevrotransmittere. Konklusjonen i den samme artikkelen var forventningen om at funnene "vil gi kritisk innsikt i sammenheng med lærings- og hukommelses-forstyrrelser i høyere organismer, inkludert mennesker."

Bilde 3. Fra C(aenorhabditis) elegans sin hjerne

Generelle kjennetegn ved hjernen
En fersk studie ledet av forskere ved Hebrew University analyserte strukturen til nevrale nettverk i C. elegans. Et av funnene er at "Posisjonene til de kjemiske synapsene langs nevrittene ikke er tilfeldig fordelt og kan heller ikke forklares av anatomiske begrensninger. I stedet har synapser en tendens til å danne klynger, en organisasjon som støtter lokale kompartmentaliserte beregninger." (4) På den annen side viser studien at «De aller fleste av de 302 nevronene i C. elegans nematoder mangler forseggjorte trelignende strukturer. Faktisk består mange av disse nevronene av en enkelt (unipolar) nevrittforlengelse, på hvilken synaptiske inngangs- og utgangssteder periodisk er plassert." Det står i kontrast til større hjerner til avanserte dyr som har komplekse nevronstrukturer. Det er totalt 83 sensoriske nevroner og 108 motoriske nevroner (i C-elegans). Det er omtrent 100 klasser av nevroner som er identifisert. Det er omtrent 5000 kjemiske synapser og 1500-1700 elektriske synapser (gap)-kryss.

I artikkelen som beskriver koblingen, er noe av kompleksiteten oppsummert som følger: "De store motoriske nevronene så vel som deres primære pre-motoriske internevroner er sterkt sammenkoblet og mottar noe input fra de fleste av de gjenværende nevronene, og trosser enkel tolkning av motorytelse. Det komplekse kretsløpet må ligge til grunn for både de mange kjente atferdene i C. elegans, og grunnlaget for mindre godt forstått eller ny atferd, som læring og hukommelse, kommunikasjon mellom dyr, sosial atferd og kompleksiteten ved paring. i C. elegans."

Undersøkelse av nevrontripletter
Et bemerkelsesverdig aspekt ved nevrale nettverk er at det er en rekke trillinger, som betyr en klynge av tre nevroner. Artikkelen fra forskerne ved det hebraiske universitetet observerer: "Den grupperte organisasjonen av synapser finnes hovedsakelig i spesifikke typer tri-neuronkretser, noe som ytterligere understreker den høye prevalensen for utviklet, snarere enn for tilfeldig, synaptisk organisasjon som kan fylle en funksjonell rolle." En enkel forekomst av en tre-nevronklynge er en 'feed forward'-løkke. For eksempel er nevron A et sensorisk nevron, nevron B er et internevron, og nevron C er et motorisk nevron. Fremmatingsnettverk er vanlige i både biologiske og kunstige nevrale nettverk. Betydningen av dette er sannsynligvis at "Den allestedsnærværende utseendet til disse kretsene i biologiske nettverk antyder at de kan ha viktige beregningsroller, inkludert støyfiltrering og tilfeldighetsdeteksjon." Annen forskning har funnet at antallet fremmatingsforbindelser øker ettersom ormen modnes.(6)

Bilde 4. Nevrale nettverk i C.elegans

Ytterligere detaljert undersøkelse av tre nevronklynger fant at "For tre forskjellige oppsett, der hver av de tre nevronene kan være enten sensoriske, inter- eller motoriske nevroner, er det 63 mulige kretskombinasjoner. Av disse 63 kombinasjonene var det noen få kretser som dukket opp som formende av grupperte synaptiske forbindelser, betydelig flere enn tilfeldig forventet.”(7) De to kombinasjonene som er de vanligste er: (1) to sensoriske nevroner danner en postsynaptisk kontakt med et internevron; og, (2) et internevron som er presynaptisk med to motoriske nevroner. Forskerne teoretiserer at kombinasjon (1) kan fungere som en signalintegrator, og kombinasjon (2) kan fungere ved å synkronisere aktivering. Det virker logisk at dette vil være vanlige kretsløp, da disse to funksjonene sannsynligvis er vanlige når det gjelder å kontrollere dyreadferd.

Berørings-respons nevralt nettverk
Et interessant eksempel på et nevralt nettverk i C. elegans som har blitt belyst, er "berørings-tilbaketrekkings-kretsen", også kalt berøringsresponsen, som styrer hvordan ormen reagerer på å bli fysisk berørt. Atferden er interessant av flere grunner, en er at responsen viser tilvenning. Det nevrale nettverket er illustrert i Bilde 5 (hentet herfra). Nettverket består av fire sensoriske nevroner (røde trekanter), fem internevroner (sirkler) og to motoriske nevroner (blå trekanter). Det er totalt syv eksitatoriske kjemiske synapser (grønne linjer med piler) og 15 hemmende kjemiske synapser (røde linjer med sirkler). Det er også seks elektriske kryssgap synapser (blå linjer med firkanter). Responsen aktiveres når de sensoriske nevronene oppdager et trykk. Stimulusen overføres deretter via interneuronene (PVC og AVD), som deretter overfører den til kommandonevronene (AVA og AVB). De to utgangstilstandene er enten "beveg fremover" (FWD motornevron) eller "beveg revers" (REV motornevron). Responsen moduleres gjennom konkurranse mellom de to kommandoneuronene. Konkurransen mellom kommandoer for å gå fremover eller bakover er tydelig basert på antall hemmende synapser. Det er åpenbart at selv for en så enkel oppførsel er den nevrale kretsen relativt kompleks.

Bilde 5. Skisse av berørings-respons nevralt nettverk

Liten men ikke enkel
Det er flere observasjoner som kan trekkes fra forskning på hjernen til C. elegans. Den ene er at selv om hjernen er liten, har den ikke en enkel struktur. Man kan forvente at den minste kjente hjernen har en struktur som enten er relativt jevn eller tilfeldig. Et eksempel på en ensartet struktur er den som finnes i krystaller, som danner et symmetrisk gitter. En tilfeldig struktur ville forventes hvis posisjonene til nevronene ikke ble spesifisert, men snarere utvikles gjennom en tilfeldig prosess. I motsetning til å være enten enhetlig eller tilfeldig, har hjernen en kompleks struktur som er spesifisert og repeterbar.

En annen observasjon er at hjernen inneholder et stort antall (omtrent 100) forskjellige typer nevroner, både når det gjelder design og funksjon. De er ikke alle identiske. Det ville heller ikke vært forventet for den minste hjernen. En tredje observasjon er at små nevrale nettverk i hjernen kontrollerer ulike atferder, for eksempel berøringsresponsnettverket. Det er mulig at noen av disse nevrale nettverkene er irreduserbart komplekse.

Den fjerde observasjonen gjelder opprinnelsen til C. elegans hjernen. Den vanlige darwinistiske evolusjonsforklaringen er gitt i artikkelen som dokumenterte organiseringen av synapsene, "Bare eksistensen av slike strukturer kan faktisk ytterligere understreke den styrte evolusjonen til å danne slike klynger, som antagelig har fine funksjonelle roller langs nevrittene. Til sammen kan lokale kompartmentaliserte aktiviteter, tilrettelagt av de grupperte synaptiske organisasjonene som er avslørt her, forbedre beregnings- og minnekapasiteten til et nevralt nettverk. En slik forbedring kan være spesielt relevant for dyr med et kompakt nevralt nettverk og med begrensede beregningsevner, og forklarer dermed de evolusjonære kreftene for fremveksten av disse synaptiske organisasjonene."(8) Nøkkeluttrykkene er 'evolusjonskrefter' og 'styrt evolusjon'. Slike termer har aldri generelt blitt akseptert som gyldige vitenskapelige forklaringer, spesielt når det gjelder opprinnelsen til nye biologiske strukturer.

Bilde 6. Når en orms hjerne viser tegn på 'styrt evolusjon' -hvor mye mer da ett menneskes?

Til kontrast viser utformingen av hjernen til C. elegans en rekke egenskaper assosiert med intelligent design. De inkluderer den spesifiserte kompleksiteten til det generelle designet og små nevrale nettverk. Det inkluderer også ingeniørdesign, inkludert den effektive koblingen. Det er også tydelig at en betydelig mengde informasjon er nødvendig for å spesifisere utformingen og funksjonen til hjernen.

Bilde 7. Eric Cassell

Eric Cassell er forfatteren av Animal Algorithms: Evolution and the Mysterious Origin of Ingenious Instincts -lenke og er ekspert på navigasjonssystemer, inkludert GPS. Han har lenge hatt interesse for dyrenavigasjon. Han har mer enn fire tiår med erfaring innen systemteknikk knyttet til flynavigasjon og sikkerhet. Han har fungert som ingeniørkonsulent for NASA og Federal Aviation Administration (FAA); har utviklet dataalgoritmer for sikkerhetssystemer; og har publisert en rekke tekniske artikler. Hans akademiske opplæring inkluderer bachelorgrader i biologi (George Mason University) og elektroteknikk (Villanova University), og en mastergrad i vitenskap og religion fra Biola University, som inkluderte vitenskapens historie og filosofi.

Oversettelse, via google oversetter, og bilder ved Asbjørn E. Lund