Myrer sladrer om menneskers hjerneprocesser

Et hold forskere på Københavns Universitet har ved at arbejde med myrehjerner identificeret helt basale DNA-netværk, der med stor sandsynlighed kan siges at styre hjerneaktivitet. Opdagelsen er netop offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Nature Ecology and Evolution. Metoden kan bruges til at udforske sammenhænge mellem generelle hjernefunktioner og social adfærd.

Hvilke gener skal tændes og slukkes for at holde menneskehjernen kørende – og hvilke proteiner er involveret i denne proces? Det er på en gang både det helt centrale spørgsmål og en af de store gåder, hjerneforskningen er stillet over for.

Og vil man undersøge dette spørgsmål – som også har relevans hvis man eksempelvis prøver at udvikle medicin mod sygdomme i hjernen – løber man lynhurtigt ind i både tekniske og etiske udfordringer, fortæller Guojie Zhang, professor og Lundbeckfonden Fellow ved Center for Social Evolution på Københavns Universitet (KU):

”Man putter jo ikke bare måleinstrumenter ind i hjernen på mennesker. Så når man som forsker vil prøve at blive klogere på basale DNA-styrede processer og netværk, der ligger bag aktiviteter i menneskets hjerne, er det i vid udstrækning nødvendigt at arbejde med andre organismer. Derfor må man finde nogle organismer, som både ud fra en etisk betragtning kan godkendes til de undersøgelser, der skal gennemføres – og ud fra en teknisk-biologisk vurdering er velegnede.”

Til det formål er myrer i høj grad anvendelige. Det viser en artikel, som Guojie Zhang, Rasmus Stenbak Larsen, Bitao Qiu og lederen af Center for Social Evolution, professor Jacobus Boomsma, netop har offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Nature Ecology and Evolution.

Den videnskabelige artikel er blevet til i samarbejde mellem KU-holdet og kolleger fra forskningscentre i Kina og Taiwan, og en af dens væsentlige pointer er at vise, at det ved studier af myrer faktisk er muligt at identificere basale DNA-netværk, som styrer hjerneaktivitet.

Dermed banes vejen for at bruge myrer som modeldyr i forsøg der skal udvide forståelsen af, hvordan lignende funktioner reguleres i en menneskehjerne. Hvilket også var hvad Guojie Zhang, der har stået i spidsen for forskningen bag artiklen i Nature Ecology and Evolution, fik en fem-årig forskningsbevilling til at undersøge, da Lundbeckfonden i 2015 udnævnte ham til fellow.

De sociale fællestræk
Men hvorfor lige vælge at arbejde med myrer som modelorganisme, når man i sidste ende vil forsøge at identificere DNA-netværk bag basale hjernefunktioner hos mennesker?

Svaret hænger sammen med flere faktorer. Herunder, at både myrer og mennesker etablerer og lever i avancerede sociale samfundsstrukturer – og at dette medfører en del sociale fællestræk, hvilket som udgangspunkt må antages at øge sammenligneligheden af de krav, biologien stiller til deres respektive hjernefunktioner.

Når det er sagt, er det dog også vigtigt at pointere, at man ikke mere generelt kan drage ’1-til-1-slutninger’ mellem menneskehjerner og myrehjerner, siger professor Jacobus Boomsma, der har forsket i sociale insekter siden 1970erne:

”For selvfølgelig er der meget store forskelle på hjernen hos et pattedyr som mennesket og et insekt som en myre – og de sociale stereotyper, man finder hos myrerne i form af henholdsvis dronninger og arbejdere, er ekstreme. Men i forhold til en række basale hjerneprocesser, så findes der altså gener, vi har til fælles med myrer – og de med os. Det er sådanne gener og de DNA-netværk, de indgår i, vi prøver at blive klogere på”.

Myrehjernen fjernes
Et kraftigt mikroskop er uundværligt, når man vil arbejde med myrehjerner som det sker på Center for Social Evolution på Københavns Universitet – for en myrehjerne måler kun cirka 0,5 millimeter, og den skal fjernes i hel tilstand.

”Man skærer kraniet op med et barberblad, og derefter løfter man hjernen fri ved hjælp af en mikroskopisk pincet. Man skal ikke ryste på hånden,” pointerer Lisa Brandenborg. Hun er specialestuderende i biologi og hjælper Guojie Zhang med denne del af forskningsprojektet.

Når Lisa Brandenborg trækker barberbladet, er myren med garanti stendød – aflivet hurtigt og efter alle forskrifter med flydende nitrogen ved -196 C – og den fritlagte myrehjerne, der for det blotte øje fremtræder som en ganske ubetydelig prik, nærmest som et knappenålshoved, skal senere underkastes en lang række meget komplicerede DNA-analyser.

Disse analyser udføres i Kina – på Beijing Genomics Institute (BGI) i Shenzen – og handler om at registrere, hvordan bestemte netværk af gener i myrehjernen bliver tændt og slukket. Samt om hvilke proteiner, der i den forbindelse bliver produceret.

Og her kommer så nok en grund til, at myrer er gode som modelorganismer i forbindelse med denne gren af hjerneforskningen, forklarer professorerne Zhang & Boomsma, og peger på myrernes måde at organisere arbejdsdelingen på:

Hos de allerfleste af verdens cirka 15.000 myrearter – der i øvrigt benytter sig af mange forskellige samfundsmodeller, når det eksempelvis gælder om at skaffe mad eller forsvare boet – findes en dronning og en lang række arbejdere, altså forskellige kaster, som hver har deres specifikke opgaver hele livet igennem.

Sammenligner man dronningens DNA – hendes personlige arvemasse – med DNA’ et fra en hendes søstermyrer fra arbejderkasten, vil der være et meget stort sammenfald. Det samme vil man også finde, hvis man sammenligner DNA’et hos to søstre af vores egen art – Homo sapiens, mennesket – men hos myrerne gør et helt specielt forhold sig gældende, siger professor Guojie Zhang:

”Her er dronningen mange gange større end sin arbejdersøster – og de to er i det hele taget grotesk forskellige som typer. Hvis samme grad af forskellighed var tilfældet hos to menneske-søstre, ville det svare til, at den ene var tre meter høj, vejede 500 kilo og var den rene zombie-rugemaskine, mens den anden bare var én meter høj, vejede 14 kilo, havde fået slukket for alle kønsorganer og i virkeligheden blot var en socialprogrammeret robot, der tog sig af forefaldende husholdningsfunktioner.”

Da myredronningen og hendes arbejdersøster langt hen ad vejen har samme DNA, må forklaringen på, at de udvikler sig så forskelligt, have sammenhæng med hvordan disse gener tændes og slukkes – i takt med at deres hjerner regulerer vækst. Og kan man begynde at forstå det, kan man samtidig se konturerne af nogle af de basale hjerne-netværk det hele drejer sig om, når komplekse adfærdsmønstre kommer til udtryk, siger Bitao Qiu, der er ph.d. studerende på Center for Social Evolution og førsteforfatter på den videnskabelige artikel:

”Det vi på denne måde kan observere hos myrerne i form af tænd-og-sluk mønstre i forhold til gener, er i virkeligheden resultatet af påvirkninger fra et samspil mellem arv og miljø. Og eftersom myrernes evolutionshistorie er meget lang – alle 15.000 arter er efterkommere af en enkelt stammyre, der fandtes for cirka 130 millioner år siden – kan vi med sikkerhed sige, at vi her har at gøre med noget meget oprindeligt. Det er fascinerende.”

Fem arter i laboratoriet
Forskellige forskerhold rundt om i verden har de seneste år kigget på DNA-netværk i myrehjerner. Den undersøgelse, Guojie Zhang har ledet, er imidlertid den første, hvor disse netværk samtidigt er undersøgt hos flere myrearter.

Styrken ved at gøre det på denne måde er, at man ved at finde de samme DNA-netværk og ’tænd-og-sluk’ karakteristika fra myreart til myreart kan se, at der er tale om noget basalt. Altså noget, der gælder for alle myrearter.

”Vi kiggede på fem forskellige myrearter – heriblandt sort havemyre, som er den myre, de fleste danskere kender. Og selv om der på verdensplan er omkring 15.000 myrearter, så kan vi sige, at vi har fundet DNA-netværk, som tilsyneladende vil være på spil i alle myrehjerner. Det er det, vi påviser i den videnskabelige artikel – og det gør vi ved at bruge en række avancerede statistiske værktøjer til at analysere meget store mængder data,” forklarer professor Guojie Zhang.

Fra hver af de fem arter tog forskerne på Center for Social Evolution 30 arbejdere og 30 dronninger – alt i alt 300 myrer – som alle blev aflivet og fik taget hjernen ud. Og herefter blev arbejderhjernerne og dronningehjernerne undersøgt hver for sig.

Ved at inkludere endnu flere myreslægter vil denne type undersøgelse på sigt kunne raffineres – og ved at kigge på bestemte forhold hos myrer og andre sociale insekter bør det være muligt at få en bedre forståelse af, hvordan DNA-netværk og miljøfaktorer spiller sammen i forbindelse med hjernerelaterede sociale forhold, forklarer professor Jacobus Boomsma.

”I disse år er der blandt hjerneforskere stigende opmærksomhed på genetiske faktorer bag mentale lidelser, men det er bare et vanskeligt felt at trænge ind i – netop fordi der foruden genetiske faktorer er mange miljøpåvirkninger, som spiller ind. Her vil forskningen også kunne drage nytte af andre sociale insekter end myrer, for eksempel honningbier,” siger Guojie Zhang, og nævner en videnskabelig rapport, som amerikanske forskere udgav i 2017.

Den beskriver et eksperiment, hvor videnskabsmændene de-aktiverede – knockoutede – et gen hos arbejderbier. Dette gen forbindes med socialt funktionsniveau hos bier, og når genet ikke var aktivt, viste arbejderbierne tegn på social tilbagetrækning og reduceret ydeevne – hvilket også er et kendetegn ved mange psykiske lidelser hos mennesker.

Men den videnskabelige forståelse af social adfærd vil i de kommende år også blive udvidet via et forskningsfelt, som lige nu er i rivende udvikling, vurderer professor Jacobus Boomsma:

”Det handler om tarmbakterier, som hos adskillige dyrearter har vist sig at kunne kommunikere med hjernen – og for at undersøge det nærmere, kan man anvende myrer som eksperimentelle modelsystemer. Det vil de egne sig lige så glimrende til, som de har gjort til det nuværende studie.”

Undersøgelser af den art vil blandt andet kunne bruges til at blive klogere på hjerne-gener som spiller nøgleroller når sociale organismer regulerer deres adfærdsmønstre i samspil med både eksterne og interne miljøpåvirkninger.

Og herunder altså også til at prøve at forstå de ’samtaler’, en hjerne fører med ’sine’ tarmbakterier.

Fakta: Myrer i flok
Myrer lever i komplekse sociale samfund – i kolonier – hvor kommunikationen mellem individerne blandt andet opretholdes ved hjælp af kemiske stoffer, som bruges til at skabe en flokduft.

Flokduften skyldes kulbrintemolekyler, der sidder på insekternes yderside, og hver folk har sin specifikke duft. Forvilder en myre sig over i en anden koloni, hvor de har en anden flokduft, vil den derfor dufte forkert – og vil blive slået ihjel.

Flokduften kan sammenlignes med en stregkode. Inden for én myreart vil der være en række ligheder mellem stregkoden fra flok til flok – men den enkelte flok vil stadig have sin specifikke kode. På tværs af myrearter vil forskellene mellem stregkoderne være langt mere udtalte.

 

Eksempel på oldgammel myreforskning

Kinesere ville have deres citrusfrugter i fred – og så allierede de sig med myrer.

Den kinesiske botaniker Ji Han er manden bag en af den internationale myreforsknings virkelig spektakulære artikler – den findes i værket ’Nan Fang Cao Mu Zhang’, ’Planter og Træer i De Sydlige Regioner’ – som Ji Han publicerede i året 304 efter vor tidsregnings begyndelse.

I artiklen, der handler om den asiatiske vævermyre (Oecophylla smaragdina), fortæller Ji Han om hvordan frugtavlere i den daværende kinesiske provins Jiao-zhi havde fundet ud af at beskytte deres citrustræer mod skadevoldende insekter. Det gjorde de ved at sætte kolonier af vævermyrer op i toppen af træerne, hvorefter vævermyrerne dræbte og derpå sugede næringen ud af de forskellige skadedyr, som havde slået sig ned i træerne.

Senere kilder afslører, at kinesiske frugtavlere med tiden raffinerede denne insektbekæmpelsesmetode ved at lægge lange bambuspinde mellem frugttræernes kroner – på den måde blev der etableret en slags gangbroer, der gjorde det muligt for vævermyrerne at vandre frit over hele plantagen og etablere nye boer i alle træer.

Men er vævermyrerne effektive, når det gælder om at slå skadevoldende insekter ihjel?

Nutidige forsøg viser, at det er de i høj grad – og asiatiske vævermyrer kan, når de har gjort deres arbejde, desuden ’høstes’ og udgøre en værdifuld proteinkilde for mennesker. Vævermyrerne, der blandt andet anses som en delikatesse i det thailandske køkken, indeholder nemlig lige så meget protein som svinekød.

Da Ji Han skrev om Oecophylla smaragdina i 304 e.Kr., noterede han i øvrigt, at i de kinesiske provinser, hvor man endnu ikke havde taget myremetoden til sig for at holde uønskede insekter væk fra træerne, løb avlerne jævnligt ind i så massive angreb af ”mange skadevoldende insekter, at ikke én eneste frugt kunne høstes i perfekt stand”.

For yderligere oplysninger:

Jacobus Boomsma, tlf. 3532 1340

Guojie Zhang, tlf. 9185 5431

Henrik Larsen, videnskabsjournalist i Lundbeckfonden, tlf. 2118 6377 eller hl@lundbeckfonden.com

Om myrebillederne
Myrebilledet over artiklen er taget af postdoc Luigi Pontieri, Center for Social Evolution, Københavns Universitet. Han lod voksne arbejdermyrer drikke grøn – og totalt harmløs – frugtfarve. Derfor fik arbejdermyrerne grønne maver. Arbejderne fodrer myrelarverne med den væske, de har i kroppen. Larverne er de små hvide ’strukturer’, der ses på billedet. Der er larver på forskellige udviklingsstadier. Nogle af larverne har allerede antaget en svagt grønlig farve. De store myrer er dronninger.

De fire mikroskopfotografier af myrehjerner, der kan klikkes på under artiklen, viser en række regioner i en myrehjerne. En myrehjerne måler ca. 0,5 millimeter. Forskerne har bagefter givet strukturerne på hjernefotografierne forskellige farvekoder. F.eks. viser rød antennernes vedhæftning (lober), mens den transparente grønne farver viser punktøjne – og den orange farve viser synslober. Mikroskopfotografierne er taget af Center for Social Evolution.

Nyheder

Ny analysemetode afslører kroppens politimænd
19. november 2018
Verdens eneste terningformede lort kan nu forklares videnskabeligt
19. november 2018
Genetisk hurtigløb – hele vejen ned gennem det amerikanske kontinent
9. november 2018

Lundbeckfonden

Lundbeckfonden Ventures

Lundbeckfonden Emerge