I hodet på en svermer

Nattsvermerens hjerne er mindre enn et knappenålshode. Men det foregår atskillig inni den, som mennesker vil ha nytte av å kjenne til.

Publisert
Nattsvermeren Heliothis virescens gjør årlig skade for 14 milliarder kroner.
Nattsvermeren Heliothis virescens gjør årlig skade for 14 milliarder kroner.

Nattsvermerarten Heliothis virescens er ikke mange centimeterne lang. Men den er alle bomullsdyrkeres skrekk.

Den trives nemlig særdeles godt på bomullsmarker, der den gjør skade for 14 milliarder kroner årlig.

Skal man bekjempe fienden, må man kjenne fienden. Det er en av grunnene til at forskere ved NTNUs Institutt for biologi rett som det er bedriver avansert hjernekirurgi på det vesle insektet.

En annen grunn er at det som skjer i en nattsvermerhjerne, ikke er så ulikt det som skjer i en menneskehjerne. Derfor vil kunnskap om insekters sansing, læring og hukommelse i neste omgang være kunnskap om hvordan den menneskelige hjernen fungerer.

Stipendiatene Bjarte Bye Løfaldli og Pål Kvello studerer luktesans, hukommelse og smakssans hos insekter. De viser gjerne fram sin lille operasjonssal, der en grågul nattsvermer for anledningen ligger låst fast i en voksklump under et sterkt mikroskop, klar for mikrokirurgi.

Lyden av en tanke

Mikroskopbilde av nattsvermer med blottlagt hjerne (manipulert inn). Svermeren er to centimeter lang, og hjernen mindre enn et knappenålshode. (Foto: Institutt for biologi, NTNU)
Mikroskopbilde av nattsvermer med blottlagt hjerne (manipulert inn). Svermeren er to centimeter lang, og hjernen mindre enn et knappenålshode. (Foto: Institutt for biologi, NTNU)

Gjennom mikroskopet ser jeg inn i to kjempedigre øyne. Blikket går videre til en skalpell, som skjærer seg inn i hodet og blottlegger hjernen.

En glasselektrode, mindre enn én mikrometer, fylles med kontrastvæske og føres inn i den gråhvite substansen.

Det brukes ikke bedøvelse. Gjør det ikke ulidelig vondt?

– Ikke det minste, svarer kirurg Pål Kvello rolig og noterer nye data på notatblokka.

– Insekter har verken smertereseptorer eller de kognitive egenskaperne som må til for å oppleve smerte sånn som oss. Smerteopplevelsen formes i hjernen. Insekter mangler et system som kan formidle informasjon om smerte, forsikrer han.

Et øyeblikk senere sitter jeg foran en dataskjerm med hodetelefon på øret, og opplever noe helt fantastisk: Jeg lytter på opptak av en nattsvermers ”tanker” – eller mer vitenskapelig forklart: på signalene som går gjennom hjerneceller.

Lyden er helt spesiell, den kan best beskrives som en slags tikking. Signalene kommer i en jevn takt, som rolige pulsslag.

Sukkerkick

Plutselig eksploderer aktiviteten i en vanvittig fart og styrke.

– Svermeren har fått et sukkerkick, forklarer Kvello.

Hensikten er å forstå hvordan nervenettverket i luktesystemet er bygd opp, og hvordan signalene mellom cellene formidles. Signalene må dekodes.

Det foregår ved at elektroder blir ført inn i enkelte nerveceller som inngår i luktenettverket. Slik blir det mulig å se og høre signalene når de passerer gjennom den enkelte nervecellen, på vei mot de andre cellene den har kontakt med.

Modell av en "gjennomsnittlig" nattsvermerhjerne. De blå områdene er det primære luktesenteret. Læring og hukommelse foregår i de grønne. Utstikkerne på siden er øynene. (Illustrasjon: Institutt for biologi, NTNU)
Modell av en "gjennomsnittlig" nattsvermerhjerne. De blå områdene er det primære luktesenteret. Læring og hukommelse foregår i de grønne. Utstikkerne på siden er øynene. (Illustrasjon: Institutt for biologi, NTNU)

Signalene sendes når nattsvermeren stimuleres med en duft som nervecellen bidrar til å informere om. I dette tilfellet, duften av sukker. Når stimuleringen er ferdig, blir det sprøytet inn et fluoriserende fargestoff.

Fargestoffet lyser opp når det blir stimulert av et lys med en bestemt bølgelengde.

Dermed ser forskerne cellen og hvilke hjernestrukturer den har forbindelse med.

Konstruert gjennomsnittshjerne

I siste del av eksperimentet blir hjernen operert ut og preparert. Nå kan forskerne titte på nervecellen i et mikroskop. De får ut en hel kortstokk med bilder, som til sammen viser cellen i tre dimensjoner.

Bildekortstokken brukes til å rekonstruere cellen og lage en tredimensjonal modell av den.

– Etter hvert har vi fått mange slike nervecellemodeller, hver og én fra forskjellige individer. Vi ønsket å visualisere dem samlet. I samarbeid med en forsker i Tyskland har vi klart å konstruere en standard hjernemodell. Vi kan kalle det en gjennomsnittshjerne, forteller Løfaldli.

Forskerne brukte utopererte hjerner som var fylt med fargestoff, og laget tredimensjonale modeller av dem, på samme måte som de gjorde med nervecellene.

Posisjonene til hjernestrukturer, volum og overflater ble sammenlignet ved hjelp av en algoritme i et dataprogram. Dermed fikk de et gjennomsnitt som ble grunnlaget for standardmodellen.

Legger celler inn i modellen

– Nå kan vi ta en nervecelle fra hvilken som helst nattsvermer av den arten vi forsker på, og legge den inn i hjernemodellen, på akkurat samme plass som den lå i den opprinnelige hjernen.

– Ved å sette inn flere nerveceller kan vi se hvordan de er plassert i forhold til hverandre, hvordan de har kontakt med hverandre, og dermed hvordan nettverket er satt sammen, forklarer Løfaldli og Kvello.

– Når vi setter sammen denne informasjonen med informasjon fra lydsignalene, vet vi hva en celle i nettverket forteller til de andre cellene. Dermed kan vi se hvor vårt dekodede signal formidles i nettverket.

Fra insekt til menneske

Forskerne vet nå nøyaktig hvilken del av hjernen som arbeider med hva. Nattsvermerhjernen inneholder om lag én million nerveceller. Til sammenligning har menneskehjernen mer enn hundre milliarder nerveceller.

– Nattsvermerens luktesystem er et mikronettverk med relativt lavt antall og få typer nerveceller. Derfor er det et godt modelldyr for å forstå hvordan hjernen arbeider. De som forsker på menneskehjerner, må rimeligvis nøye seg med å se avbildninger av hjernen uten å kunne gå inn i enkelte nerveceller.

– Vi har den store fordelen at vi kan studere hele nervenettverket, i en hjerne som er intakt. Dermed kan vi se hvordan de enkelte celler jobber og kommuniserer med hverandre, forteller Løfaldli.

Han har stor tro på at prosjektene vil bringe fram ny kunnskap om hvordan sansene er involvert i læring og hukommelse. Ikke bare hos insekter, men hos alle pattedyr, inkludert oss tobeinte.

Det samme tror professor May-Britt Moser ved Kavli-instituttet på NTNU, en av verdens fremste forskere på hukommelsesbiologi.

– Hjernecellene hos insekter og høyerestående dyr benytter stort sett de samme cellulære mekanismene. Hjulet har ikke blitt funnet opp på nytt og på nytt for hver art under evolusjonen. Derfor kan studier av for eksempel insekter og snegler gi oss viktig kunnskap om menneskehjernen til slutt, bekrefter hun.

Lukt, smak, læring

Forskningsgruppen som Løfaldli og Kvello er del av, ledes av professor Hanna Mustaparta, som er ekspert på nevrobiologi hos insekter.

– Dette er først og fremst grunnforsking. Vi ønsker å finne ut hvordan både menneske og dyr er i stand til å gjenkjenne dufter og smakssubstanser. Her er også læring og hukommelse veldig viktig, forklarer Mustaparta.

Hun mener at insekter er utmerkede modelldyr for denne typen forskning. De har velutviklede lukte- og smakssanser, som er avgjørende for at de skal overleve.

– Mer enn to tredeler av alle arter på jorda er insekter. Det store mangfoldet har fantastiske evner til miljøtilpasninger. Det gjør at vi kan finne både mekanismer som er felles for alle, og mekanismer som har utviklet seg spesielt hos enkelte arter.

– Vi sammenligner også mekanismene hos andre dyr og mennesker. Slik får vi en forståelse av lukte- og smakssansen i en bredere sammenheng, sier Mustaparta.