Det var liten sjanse for å savne elefanten i rommet. Omtrent et dusin år etter at Simba døde i Cleveland Metroparks Zoo, ble en halvtommers plate av hennes gulaktige, rynkete, basketballhjerne lagt ut foran John Allman, en nevrovitenskapsmann ved California Institute of Technology i Pasadena.
Relatert innhold
- Beauty of the Brain
- Hvordan hjernen vår lager minner
Bevart i formaldehyd, det så ut som en halv pannekake, frossent fast stoff på en tåkeseng av tørris. Allman skiver den forsiktig med laboratorieekvivalent til en deli-kjøttkutter. Han tok over en times tid og hugget 136 papirtynne seksjoner.
Allman lette etter en særegen slags hjernecelle som han mistenker er en nøkkel til hvordan den afrikanske elefanten - som et menneske - klarer å holde seg oppdatert på de stadig skiftende nyansene i sosialt samspill. Disse spindelformede hjernecellene, kalt von Economo-nevroner - oppkalt etter mannen som først beskrev dem - finnes bare i mennesker, store aper og en håndfull andre spesielt gregarious skapninger. Allman, 66, sammenligner hjernen til mennesker og andre dyr for å få innsikt i utviklingen av menneskelig atferd.
"Nevrovitenskap virker virkelig motvillig til å nærme seg spørsmålet om hva det dreier seg om hjernen vår som gjør oss menneskelige, og John gjør akkurat det, " sier Todd Preuss, nevroatom og antropolog ved Yerkes National Primate Research Center i Atlanta. "Vi vet veldig, veldig lite om hvordan hjernen vår skiller seg fra andre dyr, bortsett fra at hjernen vår er større."
Von Economo-nevronene er det mest slående funnet de siste årene innen sammenlignende hjerneforskning, der forskere driller ut fine forskjeller mellom arter. Neuroanatomist Patrick Hof og kollegene ved Mount Sinai School of Medicine på Manhattan snublet først over nevronene i menneskelige hjerneeksempler i 1995, i et område mot fronten av hjernen som kalles den fremre cingulate cortex. De fleste nevroner har kjegle- eller stjerneformede kropper med flere forgreningsfremspring, kalt dendritter, som mottar signaler fra naboceller. Men von Economo nevroner er tynne og langstrakte, med bare en dendritt i hver ende. De er fire ganger større enn de fleste andre hjerneceller, og selv i arter som har cellene, er de sjeldne.
Manhattan-teamet, viste det seg, hadde gjenoppdaget en uklar celletype som først ble identifisert i 1881. Hof oppkalte cellene etter en Wien-basert anatomist, Constantin von Economo, som nøyaktig beskrev nevronene i menneskelige hjerner i 1926; etterpå gled cellene ut i uklarhet. Hof begynte å se på hjernen til avdøde primater, inkludert makak-aper og store aper - sjimpanser, bonoboer, gorillaer og orangutanger - donert av dyrehager og helligdommer. Han tok kontakt med Allman, som hadde en samling primathjerner, og ba ham samarbeide. I 1999 rapporterte forskerne at alle store aperearter hadde von Economo-celler, men mindre primater, som makaker, lemurer og tarsier, gjorde det ikke. Det betydde at nevronene utviklet seg i en felles stamfar til alle de store apene for rundt 13 millioner år siden, etter at de divergerte fra andre primater, men i god tid før menneske- og sjimpanse-avstammene divergerte for omtrent seks millioner år siden.
Selv om Allman er kjent som en neuroanatom, er det ikke overraskende å finne ham dykke ned i større spørsmål om hva det vil si å være menneske. Doktorgraden hans, fra University of Chicago, var i antropologi, og han har lenge vært fascinert av hvordan primhjerne utviklet seg. Han gjennomførte landemerkeundersøkelser sammen med kollegaen Jon Kaas, og identifiserte delene av uglen apehjernen som analyserer visuell informasjon og gjør synlig mulig. I 1974 flyttet Allman til Caltech, der han studerte syn i 25 år. Men han kløet også for å avdekke hvordan de grunnleggende funksjonene i den menneskelige hjernen former sosial atferd. Von Economo-nevronene fanget umiddelbart interessen.
Allman, som er skilt, bor i et 150 år gammelt murhus i San Marino som han deler med to australske gjeterhunder, Luna og Lunita. Sepia-tonede fotografier av hans suffragist bestemor henger på stueveggen. Som "notorisk nattlig", som Allman uttrykker det, kommer han sjelden til laboratoriet før klokka 13.00, drar om kvelden for å fortsette å jobbe hjemme og holder seg vanligvis til kl. 02.00. Hans Caltech-kontor er svakt opplyst av et enkelt vindu og et lite bord lampe; det ser ut som en hule som er overkjørt med bøker og papirer. Nede i gangen ligger glassglass av gorilla, bonobo og elefant hjernevev, farget blått og brunt, og tørker på bord og skranker.
Fra von Economos arbeid lærte Allman at de uvanlige cellene så ut til å bare befinne seg i den fremre cingulate cortex (ACC) og en annen nisje i den menneskelige hjernen, frontal insula (FI). Hjerneskanningsstudier har vist at ACC og FI er spesielt aktive når folk opplever følelser. Begge områdene ser ut til å være viktige for "selvovervåking", for eksempel å legge merke til kroppslige følelser av smerte og sult eller erkjenner at man har gjort en feil. ACC virker stort sett involvert i nesten alle mentale eller fysiske anstrengelser.
Derimot kan frontalinsulaen spille en mer spesifikk rolle i å generere sosiale følelser som empati, tillit, skyld, flauhet, kjærlighet - til og med en sans for humor. I følge eksperimenter som måler virkningen i forskjellige hjerneområder, blir området aktivt når en mor for eksempel hører en gråtende baby, eller når noen gransker et ansikt for å bestemme den andre personens intensjoner. FI er der hjernen overvåker og reagerer på "magefølelse" fra kroppslige sensasjoner eller interaksjoner i et sosialt nettverk, sier Allman. Det er koblingen mellom selvovervåking og bevissthet rundt andre som gjør det mulig for oss å forstå andre menneskers følelser. "Det grunnleggende forslaget om at jeg fremmer, " sier han, "er forestillingen om at selvinnsikt og sosial bevissthet er en del av den samme funksjonen, og von Economo-cellene er en del av det."
Allman mener at nevronene fremskynder kommunikasjonen fra ACC og FI til resten av hjernen. Cellene er uvanlig store, og i nervesystemet korrelerer størrelse ofte med hastighet. "Det er store nevroner, som jeg synes leser veldig raskt av noe og deretter overfører den informasjonen andre steder raskt, " sier han. Han spekulerer i at etter hvert som våre forfedre utviklet seg større og større hjerner, trengte de høyhastighetsforbindelser for å sende meldinger over større avstander. "Stor hjernestørrelse medfører nødvendigvis en bremsing av kommunikasjonen i hjernen, " legger han til. "Så en måte å håndtere det på er å ha noen få spesialiserte populasjonsceller av celler som er ganske raske."
Gitt at nevronene lever i hjernens sosiale hot spots, teoretiserer Allman at von Economo cellesystemet tillater en rask, intuitiv lesning av følelsesladede, flyktige situasjoner. Nevronene "ville gjøre det mulig for en å raskt tilpasse seg endrede sosiale kontekster, " spekulerer han. I den gamle fortiden kan denne nevrale kablingen ha gitt en foroverlevelse til våre forfedre ved å gjøre dem i stand til å treffe nøyaktige dommer med delt sekund, spesielt om hvem de kunne stole på eller ikke.
Allman, Hof og kollegene deres har sett etter von Economo-nevroner i mer enn 100 dyrearter, fra dovendyr til platypuses. Bare noen få av dem, bortsett fra primater og elefanter, er kjent for å ha cellene: knølhval, sædhval, finnhval, orkaer og delfiner med flaske nese. Cellene utviklet seg antagelig i nå utdødde arter som ga opphav til de marine pattedyrene for rundt 35 millioner år siden.
Da jeg så ham sone elefanthjernen på Caltech, nådde endelig Allman sammen med kollegene Atiya Hakeem og Virginie Goubert FI på Simbas venstre hjernehalvdel. Tre dager senere avslørte mikroskopundersøkelse av hjerneskivene at den var prikket med de karakteristiske spindelformede cellene. Dette bekreftet deres tidligere syn på lignende nevroner i FI på Simbas høyre hjernehalvdel. Elefantcellene er større enn menneskelige og primitive, omtrent på størrelse med hvalneuroner, men størrelsen og formen er tydeligvis von Economo-nevroner.
Fra å telle von Economo-celler i 16 lysbilder - et øye-vinduarbeid - anslår Hakeem og Allman at det er omtrent 10.000 av dem i porto-stempel-størrelse FI på høyre side av elefanthjernen, eller omtrent 0, 8 prosent av FIs 1, 3 millioner nevroner. Von Economo nevroner er mer rikelig i den menneskelige FI, i gjennomsnitt rundt 193 000 celler og utgjør omtrent 1, 25 prosent av alle nevroner der. I absolutte tall har den menneskelige hjernen omtrent en halv million von Economo-nevroner, langt mer enn hjernen til elefanter, hvaler eller store aper. Allman og kollegene har ikke funnet noen i elefantens nærmeste slekt: anteater, armadillo og rock hyrax. Cellens fravær hos disse artene støtter Allmans teori om at nevronene er et trekk ved store hjerner.
Allman spekulerer i at slike celler lett utvikler seg fra et lite sett med nevroner i den insulære cortex som finnes i alle pattedyr og regulerer appetitten. Han tror at mens von Economo-celler sannsynligvis utviklet seg for å øke informasjonen rundt en stor hjerne, ble de kooperert av kravene fra sosiale interaksjoner. Hvis han har rett, kan smarte, sosiale dyr som hvaler og elefanter ha den samme spesialiserte ledningen for empati og sosial intelligens som mennesker.
Hvaler og elefanter, som mennesker og store aper, har store hjerner og et langvarig ungdomstrinn hvor de lærer av sine eldste. De kjenner hverandre og utvikler livslange samarbeidsrelasjoner. Spekkhoggere jakter i grupper og beskytter skadde pods-kamerater. Elefantsamfunnet er forankret av matriarker som guder flokkene sine til vannhull de kjenner fra tidligere besøk. (Og det kan være en viss sannhet i troen som elefanter aldri glemmer: Da Allman, Hof og Hakeem laget det første høyoppløselige 3D-bildet av en elefanthjerne, i 2005, fant de en enorm hippocampus, hjerneområdet der minner dannes.) De følsomme beistene identifiserer hverandre ved deres rumling og trompetoppkall, kommer til hjelp for hverandre og ser ut til å sørge over de døde.
Allman liker å vise et klipp fra en dokumentar om en gruppe afrikanske elefanter som adopterte en foreldreløs kalv. Når babyelefanten faller ned i et vannhull, marsjerer matriarken raskt inn, etterfulgt av de andre. Sammen bruker hun og en annen kvinne tusen, badebukser og ben for å frigjøre leggen fra møkka. Et annet dyr poter ved den bratte bredden med foten, og bygger en rampe unggutten bruker for å klatre i sikkerhet. "Det er virkelig bemerkelsesverdig, " sier Allman om hvordan elefantene raskt dimensjonerte krisen og jobbet sammen for å redde babyen. "Det er en veldig høy form for funksjon som veldig få dyr er i stand til å gjøre. Og, " legger han til med en humring, "mennesker kan gjøre det bare på gode dager." Redningen, sier han, "fanger essensen av virkelig kompleks, koordinert sosial atferd."
Ideen om nevronenes sentralitet til sosial intelligens vinner fot. Yerkes-primatolog Frans de Waal sier Allmans "ekstremt spennende" forskning stemmer overens med noen av hans egne undersøkelser av pachyderm-intelligens. For to år siden rapporterte de Waal og to samarbeidspartnere at en Bronx Zoo-elefant ved navn Happy kunne kjenne seg igjen i et speil. Noen forskere teoretiserer at evnen til å gjenkjenne ens egen refleksjon indikerer en evne til selvinnsikt og til og med empati, nyttige ferdigheter hos en svært sosial art. De Waal påpeker at bare dyr som har von Economo-nevroner kan gjøre det.
Likevel advarer de Waal også at "inntil noen etablerer den nøyaktige funksjonen til disse cellene, forblir det en historie, i utgangspunktet."
Allmans tanker om von Economo-celler utvikler seg fortsatt. Når nye data kommer inn, kasserer han de første konseptene og integrerer andre. I motsetning til den stereotype forsiktige forskeren, nøler han ikke med å komme med dristige hypoteser basert på noen få observasjoner. Teorien om at von Economo nevroner ligger til grunn for sosial erkjennelse er vågal. Og det er fristende å gripe cellene som en enkel forklaring på grunnlaget for artenes sammensatte sosiale natur. Men Allman vet at det er en strekning.
Hans teori har sine skeptikere. Antropolog Terrence Deacon, fra University of California i Berkeley, stiller spørsmål ved om nevronene virkelig er en annen type hjernecelle eller bare er en variasjon som oppstår i store hjerner. Han sier at forskjellene i hjernen vår som gjør oss menneskelige, mer sannsynlig har oppstått fra store endringer enn fra subtile endringer i nevronform. "Jeg tror ikke det er en veldig stor del av historien, " sier han om Allmans idé. Likevel legger han til, når det gjelder forståelse av den menneskelige hjerne, "så lenge vi erkjenner at vi har så lite å gå på, under alle omstendigheter bør alle hypoteser underholdes."
Poeng tatt. Men det er vanskelig å ikke bli forført av Allmans teori når noen av de mest overbevisende bevisene ikke kommer fra dyrepatologilaboratoriet, men fra medisinsk klinikk.
William Seeley, en nevrolog ved University of California i San Francisco, studerer en dårlig forstått nevrodegenerativ sykdom kalt frontotemporal demens. Pasientene lider av karakteren deres og mister sosiale nåder og empati, blir ufølsomme, uberegnelige og uansvarlige. Ekteskap og karriere imploderer. Det ser ut til at mange pasienter mangler fysisk selvbevissthet: når de får diagnosen andre sykdommer, nekter de å ha noen problemer. Hjernebildingsundersøkelser av pasienter med demens har avdekket skade på frontale områder av hjernen.
I 2004 hørte Seeley Allman foredrag om von Economo nevroner. Da Allman klikket gjennom PowerPoint-lysbildene, så Seeley at cellene var samlet i de samme hjerneområdene som demens målrettet, ACC og FI. "Det var liksom, Eureka, " husker Seeley. Han trodde cellene kan hjelpe forskere med å finne ut hvorfor disse områdene var sårbare for ødeleggelser. "Også tenkte jeg, hvilken interessant måte å lære noe om menneskets natur. Kanskje kan underskuddene som pasienter utvikler være i ting som er unikt menneskelig. Så det var et stort rush av ideer."
Etterpå, over kaffe, ble Seeley og Allman enige om å slå seg sammen for å finne ut om von Economo nevroner var skadet hos personer med frontotemporal demens. Forskerne analyserte hjerner fra avdøde pasienter, og oppdaget at omtrent 70 prosent av von Economo-nevronene i ACC var blitt ødelagt, mens hjernecellene i nærheten stort sett ikke ble påvirket. "Det er veldig tydelig at det opprinnelige målet for sykdommen er disse cellene, og når du ødelegger disse cellene får du hele sammenbruddet av sosial fungering, " sier Allman. "Det er et virkelig forbløffende resultat som taler til funksjonen til cellene omtrent så tydelig som noe kan."
Dette uvanlige nevrale systemet ser ut til å ligge til grunn for mye av det som gjør oss til mennesker. Men det faktum at elefanter og hvaler tilsynelatende har den samme nevrale maskinvaren, åpner tankene for et vipp i perspektiv: hjernen vår kan være mer lik dem fra andre smarte, sosiale dyr enn vi trodde.
Ingfei Chen bor i Santa Cruz, California.
Fotograf Aaron Huey bor i Seattle.
Funnet i 1881 og beskrevet i 1926 av Constantin von Economo, den store, spindelformede hjernecellen (til høyre) har færre grener enn en typisk nevron (til venstre). (KK Watson, TK Jones & JM Allman / med tillatelse fra Elsevier (2)) 
John Allman (sammen med kollega Atiya Hakeem ved Caltech undersøker elefanthjerneprøver) søker etter en av de biologiske nøklene til menneskelig oppførsel. (Aaron Huey) 
Constantin von Economo nevroner er nå kjent for å oppstå i deler av den menneskelige hjernen som behandler sensasjoner og sosiale følelser. (Illustrasjon av Guilbert Gates) 
Constantin von Economo beskrev nøyaktig nevronene i menneskelige hjerner i 1926. (Oxford University Press) 
Å studere andre arter gir innsikt i "hva det er med hjernen vår som gjør oss menneskelige, " sier Todd Preuss. (Jack Kearse / Emory University) 
Smart, sosial og ja, utstyrt med et utmerket minne, elefanter (Simba på Cleveland Metroparks Zoo, hvor hun døde i 1995) er blant de få dyrene med von Economo-nevroner. (Cleveland Metroparks Zoo) 
John Allman studerer deler av Simbas hjerne. (Aaron Huey) 
Patrick Hof forsker på når og hvor von Economo nevroner utviklet seg i primatet. (Michael Balter) 
John Allman bruker en hjernehøvel. (Ingfei Chen) 
John Allman hugger av papirtynne seksjoner av en bevart hjerne som skal studeres. (Ingfei Chen) 
Hjerneskiveprøver i John Allmans laboratorium. (Aaron Huey) 
Fjellgorillaer er blant dyrene som er kjent for å leve i sammensatte grupper. (IStockphoto) 
Pukkelhval er en annen art kjent for å leve i sammensatte grupper. (Blaine Harrington III / Corbis) 
Afrikanske elefanter er kjent for å bo i sammensatte grupper også. Hvorfor er de så flinke til å omgås? En grunn, hevder Allman, er spesialiserte von Economo-nevroner som fremskynder impulser over uvanlig store hjerner blant sentre som er involvert i kommunikasjon og samarbeid. (IStockphoto)
