Begynder vort nervesystem at forstå sig selv?

Kan man beskrive en udvikling, der strækker sig mange millioner år tilbage i tiden på nogle få sider?
Vi prøver med et causeri.
Først beskriver vi basale ligheder i nervesystemets funktioner.
Derefter ser vi på biologiske forskelle, som udviklingen, evolutionen, gennem tiderne har ført med sig.

Mange har beskrevet hjerne- og nervesystemernes opbygning – men når de skal fortælle, hvad der sker i de forskellige hjerneområder, bliver beskrivelserne vage og ukonkrete. Vi har savnet en redegørelse, der lægger vægt på vort nervesystem set fra en almen biologisk synsvinkel.

Leif Rasmussen, professor emer., dr. phil.

Jesper Dybvad Olesen, cand. scient.

Oktober 2018
© Copyright Mentorsclassroom.com

Indholdsfortegnelse

Indblik
1. Ligheder og modelsystemer i biologien
2. Eksempler på anvendelse af modelsystemer
3. Træk af opfattelser om vores bevidsthed
4. Fri vilje og forskellige valgmuligheder
Overblik efter indblik

 

Indblik

Vores held i dette causeri er, at visse grundprincipper i nervesystemets virkemåde går meget langt tilbage i tiden. Desuden er strukturelle og molekylære ligheder i nervesystemet bevaret og udbygget gennem den biologiske udvikling.

Ændringer i omgivelser og tilpasninger

Et drilsk problem med vor nuværende hjerne er, at den bygger på gamle principper, og den er tilpasset leveforhold i fordums tid. Disse forhold har ændret sig gennem udviklingen lige siden de første hvirveldyr. Lad os springe langt frem: Fra jæger- og samler-samfund gennem tusinder af generationer er det gået over landbrugskultur til moderne tider. Hvert trin har stillet nye krav til nervesystemet. Dets udvikling har derfor ofte (altid?) været bagud i forhold til tidernes aktuelle krav.

Udviklingsforsker Theoror Dobzhansky har udformet en vigtig læresætning om biologi: Intet i biologien giver mening, med mindre man ser de enkelte træk i lyset af evolutionen [1]. Det betyder, at alle biologiske strukturer og funktioner var de optimale, der kunne opnås under de herskende omstændigheder. Ethvert kapitel om biologi – og medicin – burde begynde og slutte med citatet af Dobzhansky.

Kætteri og konformitet

Vort nervesystem er kompliceret; det består bl. a. af 100 milliarder nerveceller i hjernen, hver med mange og skiftende forgreninger. Nogle har kaldt det den mest komplicerede struktur i universet. Måske har de ret.

Civilisationer er drevet frem af mennesker, der har brudt med tidligere opfattelser. På det sidste har de udviklet – korrekte eller forkerte – videnskabeligt baserede idéer om de fjerneste tider, det store univers, tingenes mindste dele osv. Der er også mennesker, der accepterer Verden, som de finder den. Denne balancegang mellem trang til 'kætteri' og trang til 'konformitet' har altid foregået. Udviklingen er gået hurtigt, når vi mennesker er blevet udfordret.

1. Ligheder og modelsystemer i biologien

I zoologi har man traditionelt studeret den slags forskelle, som enhver kunne se. Der har dog i de seneste årtier også været lagt vægt på ligheder og fælles mønstre i biologien. Langsomt har man forstået, at fysiologiske, biokemiske og genetiske ligheder gjorde det lettere – og legitimt – at studere interessante funktioner i ethvert dyr eller enhver celle, der frembød fordele mht. dyrkning eller manipulation. Et eksempel er anvendelsen af mus og rotter som forsøgsdyr. Eksemplerne i dag går dog langt videre nemlig til anvendelse af bakterier, encellede dyr og planter som modeller for vore egne menneskeceller.

Fælles kontrolmekanismer

Studiet af ligheder gav vigtige resultater: Hvis der findes en fælles grundplan for alt liv på Jorden, så vil tidligere tiders kontrolmekanismer – fx i cellens livscyklus fra én celledeling til den næste – også være fælles i dag. Mange kontrolmekanismer blev først fundet hos celler fra pattedyr. Derfor var der uvilje mod at acceptere, at de kunne være opstået meget tidligere – hos vore én-cellede forfædre. Måske afspejler dette historiske forløb, at forskere var fysiologer, biokemikere og arvelighedsforskere uden baggrund i faget evolution. Biologien blomstrede op, da resultater fra én-cellede og andre 'simple' modelorganismer kunne anvendes i teknologi og medicin.

2. Eksempler på anvendelse af modelsystemer

Parameciums undvigemanøvre

Det encellede tøffeldyr, Paramecium, viser en undvigelsesmanøvre, når det møder forhindringer [2]. Dyret bevæger sig frem i vandet vha. cilieslag: Lange fimrehår basker den frem. Hvis dyret møder en forhindring, bakker den først, tumler rundt, og søger derefter frem i en lidt anden retning end den, den ankom i. Det ser næsten fornuftigt ud. Vi kender nu mekanismen bag manøvren. Cilieslagets retning er kontrolleret af koncentrationen af kalcium-ioner nær ciliets basis. Sammenstødet med en forhindring åbner kalcium-kanaler på dyrets overflade, og den øgede calcium-koncentration får cilierne til at slå 'baglæns'. I løbet af kort tid pumpes kalcium-ioner ud igen, og cellen svømmer nu igen frem, men i en lidt anden retning end før. Man har fundet mutantceller af Paramecium, som ikke undviger forhindringer. Man har konstateret, at de mangler de omtalte ion-kanaler.

Dette viser, at cellens reaktion er 'automatisk'. Den har ikke overvejet, hvad der er hensigtsmæssigt for den – men det kan se sådan ud. Ciliernes opbygning i kombination med styring af koncentrationen af kalcium-ioner forklarer undvigelsesmanøvren.

Ligheden er, at vi selv har mange cilier i kroppen. Hvis de er fasthæftet på fastsiddende celler, så bevæger cilierne både væsker og partikler uden for cellen af sted. Vi har ca. 10 mio. cilier pr. kvadratmillimeter i en ikke-rygers luftrør. De bevæger slim og urenheder op og ud. Alle vores cilier reagerer på ændringer i koncentrationen af kalcium-ioner som beskrevet hos Paramecium. Desuden har vores celler mange signalsystemer baseret på kalcium-ioners vandring over vores cellemembraner.

Fra snegl til Nobelpris

Mange forskere har studeret nervesystemets funktion. Der blev i år 2000 givet en Nobelpris til deling mellem Arvid Carlsson, Paul Greengard og Eric R. Kandel for deres studier om signaloverførsler. Kandel og medarbejdere brugte en snegl som forsøgsdyr i studiet af dens reflekser i nervesystemet. Denne snegl har få nerveceller, og de er så store, at de kan ses uden mikroskop. Kandel og medarbejdere har konsolideret deres resultater med iagttagelser på nerveceller fra pattedyr.

Nedenfor giver vi et summarisk bidrag til dagens opfattelse om vor viden om vort nervesystem. Den historiske udvikling i udforskningen strækker sig over et århundrede – med stadig stigende intensitet.

Den hovedløse frø

Professor Poul Brandt Rehberg viste refleksforsøg på en frø på Zoofysiologisk Laboratorium, Københavns Universitet [3]. Frøens hoved var fjernet ca. 30 minutter tidligere, og den hovedløse 'frø' blev hængt op i et stativ. En kraftig lampe sendte dens skyggebillede op på en stor skærm, så alle 500 tilskuere i universitetets auditorium kunne se, hvad der skete. I de første 30 minutter er aktiviteterne i den hovedløse frøs rygmarv så kaotiske, at man ikke kan gennemføre forsøget.

Rehberg anbragte så et lille stykke filtrerpapir med syre på højre side af ryggen på den døde frø. Et øjeblik senere kom højre bagben op og fjernede papiret. Dernæst blev papiret igen anbragt på samme sted. Han holdt nu fast i højre bagben med sine fingre. Det rykkede i frøen, og den fik nu det frie venstre bagben op, som fjernede papiret. Lutter reflekser i en frø, der havde været død i 45 minutter. Reflekserne begyndte med pirring af huden, og det blev i rygmarvens nerveceller omsat til – hensigtsmæssige (!) – sammentrækninger i bagbenets muskulatur, og det endte med, at det generende filtrerpapir blev fjernet.

Disse resultater passer med opfattelsen, at reflekser er en grundlæggende funktion i nervesystemet: En påvirkning af sanseceller fører til aktivitet i rygmarvens nerveceller, der koordinerede kontraktioner af frøens benmuskler. Refleksen er stereotyp, men kan være kompliceret. Det siger sig selv, at hvis blot en lille del af vore nerveceller i hjernen, kan blive involveret i afgørelser, så kan der blive tale om næsten uoverskuelige muligheder. Måske er vore drømme et eksempel på, at hjerneaktivitet kan opstå uden oprindelse i sanseceller [4]. Spørgsmålet er vigtigt og uafklaret.

Hjernen modtager altid impulser mange steder fra, men vurderer på ukendt vis, om de skal nå bevidstheden – som vi heller ikke forstår. Nogle har foreslået, at bevidstheden opstår – måske gradvist – i forbindelse med hjernens størrelse i relation til kroppens størrelse. Det har også været foreslået, at hjernens nuværende store størrelse forudsatte anvendelse af ild [5]. Når maden blev tilberedt ved kogning, udnyttedes den hurtigere og bedre, og det gav tid til andre aktiviteter end til blot at spise, som man ser det hos aber. Hjernen udgør blot et par procent af vor vægt, men den forbruger en femtedel af vor totale energi. Selv under søvn er dens aktivitet stor.

3. Træk af opfattelser om vores bevidsthed

Vort nervesystem har utallige medfødte mønstre/reflekser. Babyers mønstre passer på forunderlig måde til deres mødres mønstre. Uden alle dem ville menneskeheden ikke overleve.

To-årige og deres genkendelse af ansigter

Her er et eksempel på en afklarethed, der har rod i den biologiske evolution: Eric Kandel fortæller [6], at to-års børn kan skelne mellem mere end 1.000 ansigter. Dette sker på trods af, af et ansigt kun har få træk: To øjne, en næse og en mund på en oval baggrund. Det lyder usandsynligt, at denne evne er tillært hos to-årige, og der må derfor nok tale om medfødte tendenser.

Denne evne må spille en stor rolle for børns genkendelse af deres mødres ansigt. Det har været et meget centralt træk i vor udvikling. Lignende beretninger – i lidt forskellige udformninger – kendes fra mange af de dyrearter, især fugle og pattedyr, der tager sig af deres afkom.

Tabula rasa

Tilhængere af ideen om at mennesket fødes med tabula rasa, 'ren tavle', mener, at al viden kommer fra erfaringer. Denne filosofi kan næppe opretholdes længere: Vi ved nu, at selv nyfødte har mange reflekser, uden hvilke de ikke ville overleve mange dage. Ligeledes er vi udstyret med mekanismer, som tilskynder til bestemte mønstre i handlinger. De fleste i dag vil nok mene, at selv personligheden i grove træk er nedarvet, om end den først viser sig på et sent tidspunkt.

Hukommelse

Ingen nerveceller berører hinanden, men de står i forbindelse med hinanden vha. transmitterstoffer i synapserne. Herved bevarer nervesystemet sin plasticitet. Vi har mindst to slags hukommelser. Den ene kaldes korttidshukommelse og varer højst få minutter. Korttidshukommelsen gør det muligt at læse sætninger og at planlægge. Når man læser, skal man huske begyndelsen af sætningen, før man kommer til slutningen. Denne hukommelse siges at være unik for mennesker.

Langtidshukommelsen er anderledes. En opfattelse går ud på følgende: Når flere nerveceller er aktive samtidigt, og koncentrationen af neurotransmittere forbliver høj, så når deres kemiske produkter cellekernen og aktiverer DNA-sekvenser, der er nødvendige for at bygge nye synapser. Proteiner, som hedder 'transkriptionsfaktorer', aktiveres i disse tilfælde, og de 'løsner' det stramt oprullede, uvirksomme DNA, så der kan dannes nyt RNA, og nye proteiner til nye synapser. Disse synapser kan eksistere i ubegrænset tid. Dog kan aldersrelaterede forandringer og sygdomme føre til reduktion i disse kemiske sekvenser – med tab af indlæring til følge.

Forskere har underinddelt vore hukommelser i mange grupper. Vi forventer, at fremtiden vil præsentere os for mange flere detaljer om dem, end vi ser i dag, især om deres virkemåder. Disse grundvidenskabelige resultater skyldes i høj grad førnævnte Eric Kandel.

Lærer maskiner at efterligne hjerner?

Inden for Artificial Intelligence, AI, som er 'maskinlæring', har jagten på 'Den Hellige Gral' bestået i at konstruere en algoritme, der kan efterligne vores hjerne. For længe siden troede man, at blot man fik tilstrækkelig lagerplads/hukommelse, så ville problemet være løst. I dag, år 2018, har man lagerplads, der mere eller mindre svarer til de samlede informationer, vor hjerne modtager i et langt liv. Forskere i maskinlæring begræder, at vi alligevel ikke er nær det mål at udforme en algoritme, der efterligner vor hjernes evne til at håndtere information, dvs. registrere, katalogisere, sortere og moralisere (?) med mere.

4. Fri vilje og forskellige valgmuligheder

Der er mange definitioner på en fri vilje. Én lyder, at en fri vilje er muligheden for, at en person kunne have reageret på en anden måde. Man kan også mene, at den blotte fornuft styrer en persons handlinger – uafhængigt af naturlige og overnaturlige faktorer. Når man er enig om, hvad man forstår ved en 'fri vilje', kommer nye spørgsmål. Hvor tit udøver et givent menneske sin frie vilje? Vil den samme persons frie vilje resultere i den samme handling hver gang? Kan man tænke sig, at en persons frie vilje leder til uafklarethed om valgmuligheder?

Nogle valg er ligegyldige – te eller kaffe – andre valg er vigtige, og andre valg igen kan man ikke frit tage stilling til, fordi man er født ind i et bestemt system af ubrydelige mønstre. Indtil videre ser spørgsmålet ud til at mangle mening. Alligevel har visse grupper af mennesker faste opfattelser om deres – og andres – valgmuligheder.

Dømmende jurister går således ud fra, at vi har en fri vilje. De fokuserer på afvigere fra Loven – uden anden evidens end vidners udsagn og Lovens tekst. I tilfælde af utilregnelighed i gerningsøjeblikket dømmes helt afklaret: "Skyldig, men straffri". Vi kan gå videre. Når Kirken i Middelalderen skulle opretholde ideen om en kærlig Gud, så måtte den også gå ind for en 'fri vilje'; ellers ville tanken om en alvidende Gud kombineret med eksistensen af Helvede blive meningsløs. Denne afklarede mening er vel gængs blandt teologer, også i dag.

Hvad vi mangler er en almindeligt accepteret definition af 'fri vilje', som tillader os at forudsige udfald af eksperimenter, der kan fortælle om definitionen er falsk eller sand. Der findes vel den tredje mulighed, at spørgsmålet om den 'frie vilje' forbliver uafklaret – en vis tid endnu.

Overblik efter indblik

Vi har gennemgået træk af nervesystemets udvikling gennem tiderne. Hjerner har altid ændret sig, således at de bedst tilpassede til omgivelserne havde størst chance for at overleve. Hver dyreart har haft sine udfordringer, og resultaterne har varieret med disse udfordringer. Naturen ser ud til at have bevaret grundlæggende principper, og bygget videre på dem.

Vi har vha. biologiske modelsystemer fået indblik i disse basale træk: Flytning af ioner over cellemembraner og deres virkning; sanseindtryk, der fører til muskelbevægelser; og mønstergenkendelse hos pattedyrs unger. Vi har omtalt en hypotese, der forklarer, at vores hjernes udvikling beroede på vores forfædres brug af ild til kogning af mad.

Vi har omtalt flere slags hukommelser, hvor de anatomiske og biokemiske begivenheder i store træk er kendte; vi har omtalt bevidsthed om 'frie viljer' til at træffe valg – en endnu uløst gåde. Vi kan på trods af store huller i vores viden om vores hjerner alligevel præsentere en sammenhængende historie om den. Denne historie har sit basale udgangspunkt i biologisk evolution. Alt i biologien giver mening, når man ser de enkelte træk i lyset af den biologiske udvikling – i lyset af evolutionen. Fremtiden vil vise, hvilke træk i denne historie, der må revideres. Alle kan se forskellene – og lighederne er også interessante.

Henvisninger

1. Theodosius Dobzhansky, 1973. Variations on the theme of variation. "Nothing in Biology Makes Sense Except in the Light of Evolution." nekhbet.com/dobzhansky.shtml.
2. Herbert Spencer Jennnings, 1904. The behavior of Paramecium: Additional feature and general relations. J. Comp. Neurol. 14, s. 441-510.
3. August Krogh og Poul Brandt Rehberg, 1953. Menneskets Fysiologi, Forsøg 53. Gyldendalske Boghandel, 12. udgave, s. 98. Personlige erindringer, Leif Rasmussen.
4. Michael Finkel, 2018. Want to fall asleep? Read this story. National Geographic, aug., s. 48-77.
5. Rachael Moeller Gorman, 2008. Cooking up bigger brains. Scientific American, jan., 298, s. 86-87.
6. Eric Kandel, 2016. TEDxMet, 28. oktober.