Liten och smart

Historien om sköldpaddan som vinner över haren i en springtävling är kanske den mest kända av alla fabler som tillskrivs den grekiske historieberättaren Aisopos. Ett av hans mindre kända verk handlar om en törstig kråka som vill dricka ur ett glas men som inte når ner till vattenytan. Kråkan löser problemet genom att släppa stenar i glaset och på så sätt höja vattennivån. Sensmoralen är att det lönar sig att vara eftertänksam.

Det som är speciellt med fabeln om kråkan och glaset är att den är fullkomligt rimlig. Forskare har visat att flera arter av kråkfåglar klarar den här sortens uppgifter galant och att deras tankeförmåga, kognition, ofta är jämförbar med eller bättre än den man finner hos djur med avsevärt större hjärnor.

För några år sedan publicerade amerikanska forskare en rapport om impulskontroll hos djur. I ett av försöken fick djuren lära sig att det fanns mat i en ogenomskinlig cylinder. När djuren lärt sig hitta maten så ersattes den ogenomskinliga cylindern med en genomskinlig, så att maten blev synlig. Utmaningen för djuren var att motstå impulsen att försöka få tag i maten genom den genomskinliga plasten, och i stället fortsätta plocka ut maten via cylinderns sidor. Testet mäter graden av ”motorisk självreglering”. Det är inget mått på intelligens i sig, utan speglar snarare en av förutsättningarna för en flexibel kognition.

– Om man saknar den här sortens självkontroll så har man ju ingen nytta av sin kognitiva förmåga, säger Mathias Osvath, som är docent i kognitiv zoologi vid Lunds universitet.

Hela 36 djurarter ingick i studien, från elefanter och gorillor ner till gnagare och småfåglar. Inte oväntat klarade sig de stora aporna bra i testen. Men elefanterna misslyckades fullständigt.

– Det är troligt att uppgiften inte lämpar sig för elefanter. Den är baserad på visuell information och elefanterna använder främst luktsinnet för att hitta mat, säger Joshua Plotnik, som är lektor vid Cambridge university i Storbritannien och en av forskarna bakom försöket.

När forskarna tog bort elefanterna från beräkningarna fann de ett tydligt samband: ju större hjärna desto bättre impulskontroll.

Inga kråkfåglar ingick i den amerikanska studien. Men nu har Mathias Osvath och hans kolleger upprepat försöket med tre arter av just kråkfåglar – korp, kaja och nyakaledonienkråka – och jämfört resultaten med dem från den amerikanska studien.

Forskarna fann att korpar hade lika bra impulskontroll som schimpanser, som var bäst i de amerikanska försöken. Orangutang kom tvåa och kaja trea. Nyakaledonienkråka hamnade på sjunde plats.

Schimpansens hjärnvolym är drygt 25 gånger större än korpens, men trots denna enorma storleksskillnad så fick alltså de två arterna samma resultat i försöken. Det visar att hjärnstorleken inte alltid är ett mått på kognitiva förmågor.

Det finns fler studier som indikerar att korpens kognitiva förmågor är jämförbara med schimpansens. Nyligen lyckades forskare i Österrike visa att korpar kan föreställa sig vad andra upplever, en egenskap som kallas mentalisering eller theory of mind. Det har gjorts flera försök att bevisa att även schimpanser har förmågan, men resultaten är inte entydiga. Det är svårt att utforma experiment som visar om djuren faktiskt föreställer sig vad andra ser, och inte bara försöker se vad de andra tittar på.

– Det finns nog inga forskare som tvivlar på att även schimpanserna har en grundläggande theory of mind, men just nu finns det bättre bevis för att korparna har förmågan, säger Mathias Osvath.

Korpens hjärna är inte större än en valnöt. Att förklara hur den kan rymma så pass avancerade tankar har varit en svår nöt att knäcka för forskarna.

Ett internationellt forskarteam har nu lyckats beräkna antalet nervceller i hjärnorna hos 24 fågelarter. Forskarna har använt en metod som kallas isotropisk fraktionering. Tricket med metoden är att göra en soppa av hjärnor, utan att skada hjärncellernas cellkärnor. Hjärnsoppan kryddas med en markör för nervceller. Det är ett preparat som binder till nervcellernas cellkärnor men inte till andra cellers cellkärnor. Markören utsöndrar ljus när den belyses med UV-strålar. På så sätt kan man med hjälp av mikroskop räkna antalet nervceller i små mängder hjärnsoppa, och sedan skala upp resultatet så att det gäller för hjärnans hela volym.

– Metoden är snabb, pålitlig och billig, säger Pavel Němec, forskare vid Charles university i Prag och delaktig i studien.

Forskarnas analyser visar att fågelhjärnor i genomsnitt innehåller dubbelt så många nervceller som däggdjurshjärnor i jämförbara storleksklasser. Dessutom har fåglarna ett förhållandevis stort antal nervceller i den del av hjärnan som sköter mer avancerade funktioner, som tankeverksamhet, språk och minne. Denna hjärnregion kallas pallium hos fåglar och är en del av storhjärnan. Hos däggdjuren sköts dessa funktioner av hjärnbarken, som är det yttre lagret på storhjärnan (se grafik på höger sida). Som exempel kan nämnas att en kapucinapa har en hjärna som är fyra gånger tyngre än korpens. Trots detta så har korphjärnans pallium lika många nervceller som apans hjärnbark.

Korphjärnan är verkligen fullproppad med nervceller – faktum är att den har fler nervceller i förhållande till hjärnans vikt än vad vår mänskliga hjärna har.

En människohjärna väger drygt hundra gånger mer än en korphjärna, men den innehåller endast 40 gånger fler nervceller. Det medför att ett gram korphjärna innehåller närmare tre gånger så många nervceller som ett gram människohjärna. Och korphjärnans pallium innehåller hela 14 gånger fler nervceller per gram än vad man finner i människans hjärnbark.

Tricket med små men smarta fågelhjärnor kan verka enkelt: Det handlar om att packa nervcellerna riktigt tätt och klämma in så många som möjligt i fåglarnas begränsade huvudutrymme, något som sannolikt underlättas av att fåglarnas nervceller är förhållandevis små – ungefär två till fyra gånger mindre än däggdjurens nervceller. Men Mathias Osvath är inte övertygad om att detta är hela svaret.

– Om man jämför exempelvis korpar med kapucinapor och makaker, som alla har ungefär lika många nervceller i hjärnorna, så tycks korparna mer kognitivt avancerade. Det finns exempel på försök som korparna klarar utan problem medan aporna inte ens klarar första steget, eftersom de inte förstår vad uppgiften går ut på, säger Mathias Osvath.

– Det måste alltså finnas saker som inte är helt utredda. Synapserna är ett exempel – de har kortare avstånd hos fåglar än hos däggdjur och det borde ge fördelar, säger han.

Stora rovdjur brukar betraktas som förhållandevis intelligenta. En orsak till det är att de måste kunna planera sin jakt. Ett lejon som får syn på ett byte kan gå en lång omväg för att komma i rätt läge för en attack. Manövern innebär ofta att lejonet tillfälligt förlorar bytet ur sikte – men det kan ändå fullfölja jakten. Lejon kan också byta jaktstrategi vid behov, vilket visar att de inte bara följer sina instinkter, utan aktivt analyserar situationen.

Det finns djur som använder jaktmetoder som liknar lejonens men som har avsevärt mindre hjärnor, nämligen hoppspindlar av släktet Portia. Faktum är att dessa spindlar ibland kallas ”åttabenta katter”. Hoppspindlar jagar ofta andra spindlar, som kan vara avsevärt större än vad de själva är. En jaktmetod som de använder är att fira sig ner från en gren eller liknande och anfalla en spindel uppifrån. En sådan manöver kräver planering och för att nå grenen måste hoppspindeln – på samma sätt som lejonet – ofta ta en omväg som medför att den förlorar uppsikten över bytet.

En annan taktik som hoppspindlar använder är att locka till sig nätbyggande spindlar genom att skaka nätet så att spindeln tror att ett byte har fastnat – men när nätspindeln undersöker saken närmare blir den naturligtvis själv ett byte. Problemet är att många nätbyggande spindlar är svåra att lura eftersom de endast reagerar på specifika frekvenser av nätvibrationer. Hoppspindeln måste därför prova olika frekvenser när den skakar nätet, och analysera det tilltänkta bytets reaktioner. Den här processen kan ta flera timmar, ibland dagar.

Forskarna har länge varit intresserade av hoppspindlarnas pyttesmå men smarta hjärnor. Att studera hjärnaktiviteten hos spindlar är dock ingen lätt uppgift. Spindlarnas kroppsvätska arbetar under högt tryck. Det beror på att den driver ett slags hydrauliskt system som bidrar till spindelns rörelseförmåga, vilket skapar problem för forskarna: Om man försöker stoppa en liten elektrod i spindlars hjärna – för att kunna studera hjärnaktiviteten  – så kan hela hjärnan pressas ut genom hålet eftersom trycket i kroppen är så högt.

Men nu har ett amerikanskt forskarteam för första gången lyckats undersöka hjärnan hos levande hoppspindlar. De 3D-printade ett slags tvångströja för spindlar. På så sätt kunde de fixera spindeln medan de förde in en trådtunn elektrod i dess hjärna. Operationen krävde endast ett pyttelitet hål som ganska omgående täpptes igen av koagulerande kroppsvätska, vilket hindrade hjärnan från att spruta ut.

Elektroden kopplades till en dator som registrerade aktiviteten i spindelns hjärnceller medan en datorskärm visade bilder på bland annat byten och andra spindlar.

Hoppspindlar har mycket bra syn. De har fyra par ögon varav ett par pekar rakt fram och sköter synskärpan. De övriga paren registrerar främst rörelser och är riktade åt sidorna samt bakåt, vilket ger ett synfält på närmare 360 grader. En intressant upptäckt som forskarna gjorde är att hoppspindlarna behöver åtminstone två par ögon – de som pekar framåt och åt sidorna – för att se ett byte. Spindelns hjärna analyserar alltså informationen från dessa ögon gemensamt. Men någon förklaring till hoppspindlarnas ovanligt intelligenta beteenden kunde forskarna inte hitta.

– I förhållande till hjärnstorleken så känns det rent intuitivt som att hoppspindlarnas intelligenta beteenden trotsar det sunda förnuftet. Det måste ju finnas begränsningar som följer med små hjärnor, men hoppspindlarna visar att vi inte vet vilka dessa begränsningar är, säger Robert Jackson, professor vid University of Canterbury i Nya Zeeland, som är expert på spindlars beteenden.

Enligt honom tror vissa forskare att det finns någon struktur eller del av hjärnan hos hoppspindlarna som medför att de kan göra mer med en liten hjärna än vad andra djur kan. Men än så länge har ingen kunnat hitta något sådant.

– Även om det skulle finnas en sådan speciell egenskap i hoppspindelns hjärna så förklarar  det inte paradoxen ”liten hjärna, stor intelligens”. Nervceller blir inte påtagligt mindre i mindre djur – de kan inte krympas på samma sätt som datorkomponenter. Så mindre djur måste ha färre nervceller än större djur, säger han.

Att nervceller inte kan förminskas nämnvärt är en av orsakerna till att det centrala nervsystemet är förhållandevis stort hos små djur. Detta samband kallas Hallers regel och gäller både småkryp och däggdjur: Människans hjärna utgör 2–3 procent av kroppsvikten, men hos en liten myra är motsvarande siffra 15 procent.

Nervceller gör av med stora mängder energi och det medför att små djur får betala ett förhållandevis högt pris för sin tankeförmåga – ju mindre djur, desto högre kostnad. Forskare har därför antagit att Hallers regel inte gäller de allra minsta djuren, de som väger bråkdelar av ett milligram. De har varken råd med eller utrymme för extra nervceller, menar forskarna. Men även här trotsar spindlarna all logik. Det finns nämligen småvuxna spindelarter vars centrala nervsystem är så skrymmande att spindlarna kan liknas vid ”vandrande hjärnor”.

Ett internationellt forskarteam har undersökt förhållandet mellan kroppsstorlek och centrala nervsystemets volym hos nio spindelarter – tyvärr ingick inga hoppspindlar i studien. De fann att hos riktigt små arter så kan centrala nervsystemet fylla 80 procent av framkroppens volym. Samma sak gäller för nyfödda spindlar hos en del storvuxna arter.

Forskarna kunde också visa att hos små spindlar kan centrala nervsystemet vara så skrymmande att det ”spiller över” från framkroppen och in i benen. Hos en småvuxen art som kallas Anapisona simoni är spindelbebisarnas kroppar deformerade – de har en knöl på framkroppens undersida som är fylld med nervceller. Denna knöl försvinner när spindlarna växer till sig.

Ett fullvuxet exemplar av Anapisona simoni väger strax under ett milligram och är knappt synligt för oss. Nyfödda individer av samma art väger så lite som fem mikrogram, det vill säga fem miljondelar av ett gram. Det är verkligen inte mycket, men eftersom de är fullkomligt fullproppade med nervceller så har de kognitiva förmågor som motsvarar de man finner hos spindelarter som är upp till 10 000 gånger tyngre än Anapisona simoni. Det har man kunnat visa genom att studera förmågan till problemlösning i samband med nätbyggande.

Att likt Anapisona simoni vara byggd som en vandrande hjärna ger så klart fördelar i form av förhållandevis avancerade kognitiva förmågor. Men hur den lilla spindeln lyckas försörja sitt stora nervsystem är för närvarande okänt.

– Det är sant att dess gigantiska nervsystem måste medföra höga kostnader i form av energi och material och att detta sannolikt leder till att vissa andra organ och vävnader måste stå tillbaka eller försvinna. Men detta har inte undersökts närmare. Man kan dock anta att fördelarna med ett överdimensionerat centralt nervsystem överväger kostnaderna, säger William Eberhard, professor vid University of Costa Rica och verksam på Smithsonian tropical research institute i Panama, som deltog i studien.

En människa har ungefär 86 miljarder nervceller i hjärnan, korpen har drygt två miljarder och den lilla spindeln har färre än hundratusen nervceller. Om vi nu fortsätter nedåt på samma skala och tar en titt på ett djur som har endast några hundra nervceller: Vilka kognitiva förmågor kan man då förvänta sig?

Den millimeterstora rundmasken Caenorhabditis elegans har exakt 302 nervceller i centrala nervsystemet. Det är lätt att föreställa sig att ett djur med ett så litet nervsystem beter sig lika förutsägbart som en maskin, att det alltid reagerar likadant på ett visst stimuli. Men det stämmer inte, utan Caenorhabditis elegans kan bete sig förvånansvärt nyckfullt.

Den lilla rundmasken äter bakterier som den hittar med hjälp av luktsinnet. När masken får vittring på favoritbakterierna så sätter den vanligtvis fart i riktning mot odörerna. Men det händer att den lägger i backen i stället. Laboratorieförsök har visat att detta beteende inte styrs av odörernas styrka eller riktning – och att hunger inte påverkar förloppet.

Forskare vid Rockefeller university i New York har gått till botten med rundmaskens nyckfulla beteende. De har kunnat visa att djurets reaktion på en attraktiv lukt styrs av endast fyra par nervceller, där ett par registrerar lukten, ett par aktiverar musklerna och de resterande två paren fungerar som ett slags slumpgenerator. Dessa fyra nervceller kan vara ”på eller av” och detta skapar variationen i beteendet.

Man kan tycka att den här inbyggda slumpgeneratorn är onödig eftersom den kan störa funktionella beteenden, till exempel att leta efter mat. Men det kan vara så att den här kretsen i Caenorhabditis elegans nervsystem representerar själva grunden i flexibla beteenden, nämligen just variation.

Den lilla rundmasken har även visats vara förvånansvärt läraktig. Om man exempelvis låter masken följa lukten från sin favoritmat men erbjuder den oätlig föda i stället, så kommer den så småningom att röra sig bort från samma doftspår. Man har också kunnat visa att Caenorhabditis elegans kan lära sig att hitta i labyrinter.

– Det visar att förmågan att lära inte är reserverad för komplexa hjärnor, utan något som finns hos alla sorters hjärnor, en egenskap lika fundamental som blodets förmåga att transportera syre, säger Cornelia Bargmann, professor i neurologi vid Rockefeller university och expert på Caenorhabditis elegans genetik och beteenden.

Trots att den endast har 302 nervceller så är dess nervsystem stort i förhållande till kroppsstorleken – Hallers regel verkar gälla även i detta fall. Det beror på att en fullvuxen Caenorhabditis elegans består av ungefär 950 celler. Det centrala nervsystemet utgör alltså en tredjedel av kroppen. Så, om spindeln Anapisona simoni kan betraktas som en vandrande hjärna, så kan rundmasken Caenorhabditis elegans liknas vid en ”krypande hjärna”, som kanske inte är supersmart, men som trots allt kan uträtta förvånansvärt mycket med sina knappa resurser.