I dag er Verdens elefantdag. Her er et kig på, hvordan unikke hjernestrukturer - forskellig fra andre pattedyrs, er ansvarlige for elefanters særlige evner inden for læring og hukommelse.
Afrikansk elefant tyr. Billede via Michelle Gadd / USFWS.
Af Bob Jacobs, Colorado College
Conservationists har udnævnt 12. august til verdens elefantdag for at øge opmærksomheden omkring at bevare disse majestætiske dyr. Elefanter har mange spændende træk fra deres utroligt behændige kufferter til deres hukommelsesegenskaber og komplekse sociale liv.
Men der er meget mindre diskussion af deres hjerner, selvom det er en grund til, at et så stort dyr har en temmelig stor hjerne (ca. 12 pund). Faktisk blev der indtil for nylig meget lidt kendt om elefanthjernen, delvis fordi det at få et velbevaret væv, der er egnet til mikroskopisk undersøgelse, er ekstremt vanskeligt.
Døren blev åbnet af banebrydende bestræbelser fra neurobiologen Paul Manger ved University of the Witwatersrand i Sydafrika, der i 2009 fik tilladelse til at udtrække og bevare hjernen fra tre afrikanske elefanter, der var planlagt til at blive afskaffet som en del af en større befolkningsforvaltning strategi. Vi har således lært mere om elefanthjernen i de sidste 10 år end nogensinde før.
Forskningen, der blev delt her, blev udført på Colorado College i 2009-2011 i samarbejde med Paul Manger, Columbia University antropolog Chet Sherwood og neurovidenskabsmand Patrick Hof fra Icahn School of Medicine på Mount Sinai. Vores mål var at udforske figurer og størrelse på neuroner i elefantbarken.
Min laboratoriegruppe har længe været interesseret i morfologien eller formen af neuroner i hjernebarken hos pattedyr. Barken udgør det tynde, ydre lag af neuroner (nerveceller), der dækker de to cerebrale halvkugler. Det er tæt forbundet med højere kognitive funktioner såsom koordineret frivillig bevægelse, integration af sensorisk information, sociokulturel læring og lagring af minder, der definerer et individ.
Disse billeder illustrerer processen med at fjerne et lille afsnit af cerebral cortex fra højre hjernehalvdel på elefanten. Dette væv farves og placeres på et glasglas, så man under mikroskopet kan se individuelle neuroner og spore dem i tre dimensioner. Billede via Robert Jacobs.
Arrangementet og morfologien af neuroner i cortex er relativt ensartet på tværs af pattedyr - eller så troede vi efter årtiers undersøgelser af menneskelige og ikke-menneskelige primathjerner og hjerner fra gnavere og katte. Som vi fandt, da vi var i stand til at analysere elefanthjerner, er morfologien for elefantkortikale neuroner radikalt forskellig fra alt, hvad vi nogensinde havde observeret før.
Hvordan neuroner visualiseres og kvantificeres
Processen med at udforske neuronal morfologi begynder med farvning af hjernevæv, efter at det er blevet fikseret (kemisk konserveret) i en periode. I vores laboratorium bruger vi en teknik over 125 år gammel kaldet Golgi-pletten, opkaldt efter den italienske biolog og nobelprisvinderen Camillo Golgi (1843-1926).
Denne metode satte grundlaget for moderne neurovidenskab. For eksempel brugte den spanske neuroanatom og nobelprisvinderen Santiago Ramon y Cajal (1852-1934) denne teknik til at tilvejebringe et køreplan over, hvordan neuroner ser ud, og hvordan de er forbundet med hinanden.
Golgi-pletten imprægnerer kun en lille procentdel af neuroner, hvilket tillader, at individuelle celler vises relativt isoleret med en klar baggrund. Dette afslører dendriter eller grene, der udgør det modtagelige overfladeareal af disse neuroner. Ligesom grene på et træ bringer lys til fotosyntesen, tillader dendritter af neuroner cellen at modtage og syntetisere indkommende information fra andre celler. Jo større kompleksitet de dendritiske systemer er, jo mere information kan en bestemt neuron behandle.
Når vi har plettet neuroner, kan vi spore dem i tre dimensioner under mikroskopet ved hjælp af en computer og specialiseret software, der afslører den komplekse geometri af neuronale netværk. I denne undersøgelse sporer vi 75 elefantneuroner. Hver sporing tog en til fem timer, afhængigt af cellekompleksiteten.
Hvordan elefantneuroner ser ud
Selv efter at have foretaget denne form for forskning i årevis er det stadig spændende at se på væv under mikroskopet for første gang. Hver plet er en gåtur gennem en anden neuralskov. Da vi undersøgte sektioner af elefantvæv, var det tydeligt, at den grundlæggende arkitektur af elefantbarken var forskellig fra alle andre pattedyr, der er blevet undersøgt hidtil - inklusive dens nærmeste levende slægtninge, manaten og klippehyraxen.
Sporinger af den mest almindelige neuron (den pyramidale neuron) i hjernebarken hos flere arter. Bemærk, at elefanten har vidt forgrenede apikale dendritter, mens alle andre arter har en mere entydig, stigende apikal dendrit. Skalaen = 100 mikrometer (eller 0,004 tommer). Billede via Bob Jacobs.
Her er tre store forskelle, som vi fandt mellem kortikale neuroner i elefanten og dem, der findes i andre pattedyr.
For det første er den dominerende kortikale neuron hos pattedyr den pyramidale neuron. Disse er også fremtrædende i elefantbarken, men de har en meget anden struktur. I stedet for at have en enestående dendrit, der kommer ud af cellens spids (kendt som en apikal dendrit), forgrenes apikale dendritter i elefanten typisk vidt, når de stiger op til overfladen af hjernen. I stedet for en enkelt, lang gren som et grantræ, ligner den elefant apikale dendrit to menneskelige arme, der når opad.
En række kortikale neuroner i elefanten, som sjældent, hvis nogensinde er observeret i cortex hos andre pattedyr. Bemærk, at alle af dem er kendetegnet ved dendriter, der spreder sig fra cellelegemet i sideretningen, undertiden over betydelige afstande. Skalaen = 100 mikrometer (eller 0,004 tommer). Billede via Bob Jacobs.
For det andet udviser elefanten en meget bredere variation af kortikale neuroner end andre arter. Nogle af disse, såsom den fladede pyramidale neuron, findes ikke i andre pattedyr. Et kendetegn ved disse neuroner er, at deres dendriter strækker sig lateralt fra cellekroppen over lange afstande. Med andre ord, ligesom de apikale dendriter fra pyramidale celler, strækker disse dendritter sig også ud som menneskelige arme, der er løftet til himlen.
For det tredje er den samlede længde af pyramidale neurondendritter hos elefanter omtrent den samme som hos mennesker. De er imidlertid arrangeret forskelligt. Humane pyramidale neuroner har en tendens til at have et stort antal kortere grene, mens elefanten har et mindre antal meget længere grene. Mens primatpyramidale neuroner ser ud til at være designet til prøveudtagning af meget præcist input, antyder den dendritiske konfiguration i elefanter, at deres dendritter prøver en meget bred vifte af input fra flere kilder.
Samlet tyder disse morfologiske egenskaber på, at neuroner i elefantbarken kan syntetisere en bredere række input end de kortikale neuroner i andre pattedyr.
Med hensyn til kognition tror mine kolleger og jeg, at det integrerende kortikale kredsløb i elefanten understøtter ideen om, at de i det væsentlige er kontemplative dyr. Til sammenligning synes primære hjerner specialiseret til hurtig beslutningstagning og hurtige reaktioner på miljøstimuli.
En tuskløs matriark-elefant viser venlighed over for unge forældreløse elefanter, der prøver at finde vej i den kenyanske busk.
Observationer af elefanter i deres naturlige habitat af forskere som Dr. Joyce Poole antyder, at elefanter virkelig er tankevækkende, nysgerrige og betænkelige væsener. Deres store hjerner med en så forskelligartet samling af sammenkoblede, komplekse neuroner ser ud til at give det neurale fundament for elefantens sofistikerede kognitive evner, herunder social kommunikation, konstruktion og brug af værktøjer, kreativ problemløsning, empati og selvgenkendelse, herunder teori af sind.
Nederste linje: Celler, der transmitterer nerveimpulser i den del af elefantenes hjerner, der er ansvarlige for funktioner som læring og hukommelse, er struktureret forskelligt fra dem fra ethvert andet pattedyr.
Bob Jacobs, professor i neurovidenskab, Colorado College
Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort den Samtalen. Læs den originale artikel.