Vad kostar en hjärna?

När Niclas Kolm öppnar dörren till källarlokalen på Stockholms universitet möts vi av en svag djungeldoft. Den kommer från de drygt 2 500 akvarier med guppyfiskar som är uppradade på hyllor i lokalen.

Niclas Kolm, professor i etologi vid Zoologiska institutionen, synar etiketterna på några av akvarierna och pekar på ett av dem. Det innehåller en liten grupp honor:

– De här kommer från generation nummer fem, de är de smartaste guppyer vi har.

Till utseendet är de smarta guppyfiskarna något av en besvikelse. De är små och saknar färgprakten och de överdådiga stjärtfenorna som man ser hos guppyer i akvarieaffärerna. Men sådana guppyer har avlats för att bli så vackra som möjligt. De guppyer som Niclas Kolm pekar på har kvar artens naturliga utseende – och har i stället avlats för att få så stora hjärnor som möjligt. Och några akvarier längre bort simmar deras motpart ”begåvningsreserven” – guppyer som avlats för att få så liten hjärna som möjligt.

Fem guppygenerationer har passerat sedan forskarna påbörjade avelsprogrammet. Den relativa hjärnstorleken, det vill säga förhållandet mellan hjärnan och kroppens storlek, skiljer sig nu åt med ungefär 15 procent mellan de två grupperna.

Hjärnan är ett energislukande organ. Hos oss människor står hjärnan för ungefär 20 procent av det dagliga kaloribehovet, trots att den bara utgör knappt 2 procent av kroppsvikten. Det skapar ett slags evolutionärt dilemma: Hur lyckades våra tidiga förfäder skaffa fram de extra kalorier som krävdes för att de skulle kunna utveckla en stor hjärna? Det är en av de frågor som forskarna vid Stockholms universitet försöker besvara med hjälp av sina fiskar.

– Målet är att öka vår förståelse för de förutsättningar som krävs för att en stor hjärna ska kunna utvecklas evolutionärt, och också att undersöka de fördelar och nackdelar som följer med processen, säger Niclas Kolm.

Människan har en ovanligt liten matsmältningsapparat. En teori är att detta speglar vad vi fick offra för att kunna utveckla en stor hjärna. Att smälta maten är energikrävande, och genom att krympa de organ som är inblandade i matsmältningen frigjordes energi som i stället kunde försörja en växande hjärna. Vår långsamma förökningstakt skulle också kunna vara en eftergift. Den här teorin kallas the expensive tissue hypothesis. Det finns inget svenskt namn, men vi kan kalla den ”organkostnadshypotesen”.

Niclas Kolms forskargrupp är först i världen med att testa organkostnadshypotesen med hjälp av kontrollerade experiment. Guppyn är på många sätt den perfekta arten för den här sortens försök. Den är lätt att hålla i akvarier och förökar sig snabbt. En annan fördel är att man inte behöver hantera känsliga ägg och pyttesmå yngel. Hannen befruktar nämligen äggen inuti honans kropp. Sedan kläcks äggen inuti honan och ungarna är förhållandevis stora när de kommer ut.

– Guppyn är en av de mest använda modellorganismerna inom evolutionsbiologin. Det har skrivits hundratals vetenskapliga artiklar om den, så det finns massor med kunskap att luta sig mot.

Niclas Kolm och hans kolleger började avla på hjärnstorlek hos guppyer år 2010. De utgick från ett stort bestånd som härstammade från en flod på ön Trinidad. Fiskarna hade aldrig tidigare utsatts för avel och hade stor genetisk variation.

Forskarna förde samman guppyer i tre grupper med 75 par i varje. Efter det att paren fått ungar avlivades föräldrarna så att storleken på deras hjärnor kunde undersökas.

Ungar från de 15 par som hade de största respektive minsta hjärnorna i förhållande till kroppsstorleken i varje grupp fick ingå i avelsförsöket. Detta startade alltså med tre grupper yngel från föräldrar med ovanligt stora hjärnor samt med tre grupper yngel efter föräldrar med ovanligt små hjärnor. Forskarna skapade 30 nya par inom var och en av de sex grupperna. Dessa par fick ungar som i sin tur fick bilda par och föröka sig på samma sätt som sina föräldrar. Aveln, som alltså pågick under två generationer, resulterade i att skillnaden i hjärnstorlek mellan de två avelslinjerna blev 9 procent.

Forskarna publicerade resultaten i en ansedd vetenskaplig tidskrift, och när man läser artikelns kortfattade beskrivning av avelsarbetet, kan man få intrycket att det är förhållandevis enkelt att avla på hjärnstorlek. Hur kommer det sig då att inga andra forskare har gjort samma sak tidigare?

– Det beror på omfattningen. Ett sådant här experiment är en logistisk mardröm. Vi var tvungna att hålla reda på över 4 000 fiskindivider, använda 1 100 akvarier och vi dissekerade 1 800 fiskar, säger Niclas Kolm.

Nästa steg i forskningen blev att försöka visa att det verkligen finns en koppling mellan hjärnstorlek och kognitiv förmåga hos guppyer – att individer med stor hjärna på något sätt är smartare än individer med liten hjärna.

Forskarna utförde ett experiment som gick ut på att lära guppyer att associera symboler med belöningar i form av mat. Honor med stor hjärna klarade uppgiften galant: De valde rätt symbol vid drygt 80 procent av försöken. Honor med små hjärnor presterade däremot inte bättre än slumpen – de valde rätt symbol vid endast ungefär hälften av försöken.

När det gäller hannarna hade hjärnstorleken ingen betydelse. Alla hannar tycktes välja helt slumpmässigt mellan symbolerna. Hannar med stor hjärna klarade sig alltså lika dåligt som honor med liten hjärna.

Experimentet visar att det finns en koppling mellan hjärnstorlek och kognition – hos honor. Kognition är ett ganska vitt begrepp som innefattar flera hjärnfunktioner, exempelvis tankeförmåga, uppmärksamhet, minne, inlärning och problemlösning. Det är därför svårt att avgöra vilka av dessa egenskaper som hade påverkats av aveln.

– Det enda som vi med full säkerhet vet är det som experimentet visar, nämligen att guppyhonor med stor hjärna är bättre på att associera vissa symboler med matbelöning än honor med liten hjärna. Sedan är frågan vad det betyder, och då är det troligt att de med stor hjärna är snabbare på att göra kopplingen mellan symboler och mat och kanske också är bättre på att komma ihåg den. Oavsett vilket, så tycker jag absolut att man kan kalla honorna med stora hjärnor för smartare än de med små hjärnor.

Studien fick en hel del uppmärksamhet i forskarvärlden när den publicerades – och även en del kritik. Två kognitionsforskare från Storbritannien publicerade en kommentar där de bland annat påpekade att skillnader i motivation kan ha påverkat resultatet.

– De hävdade att honor med stor hjärna behöver mer energi än honor med liten hjärna och därför kommer att äta mer. Det ger dem mer tid för att träna på att associera symbolerna med matbelöningen. Men vi har data som visar att hjärnstorleken inte påverkar honornas hunger, invänder Niclas Kolm.

Däremot kan skillnad i motivation vara en av förklaringarna till att honorna presterade så mycket bättre än hannarna i försöket. Guppyhonan är avsevärt större än hannen och därför mer motiverad att leta mat – det kan ha medfört att honorna fick fler tillfällen att lära sig symbolerna i experimentet än vad hannarna fick. Även fortplantningen kan bidra till honans motivation att äta. Ju mer hon äter desto större energireserver och kroppsvolym får hon, vilket leder till allt större ungkullar.

– Att äta mycket och bli stor och tjock är därför alltid viktigt för en guppyhona.

På samma sätt kan hannarnas dåliga resultat vara en följd av bristande motivation att leta mat. De är som sagt mindre än honorna och behöver därför äta mindre. Dessutom kräver hannarnas parning inga större energireserver.

– Guppyhonans parningsframgång beror på tillgången på mat, medan hannens parningsframgång främst beror på tillgången på honor.

Så om man vill motivera guppyhannar får man locka med parningssugna honor, inte med mat – och kanske är det vid parningen som hannarna har nytta av en stor hjärna. Forskarna beslutade att undersöka detta med ett experiment. Vid det här laget hade avelsprogrammet pågått i tre generationer och skillnaden i hjärnstorlek mellan de två avelslinjerna hade hunnit öka till 14 procent.

Vilda guppyhonor lever i grupper, och parningssugna hannar simmar runt och letar efter grupper med honor. Forskarna designade ett experiment som efterliknar detta scenario – en guppyhanne släpptes ner i ena änden av en labyrint där det fanns en parningsvillig hona i den andra änden. Hannar från de två avelslinjerna – stora respektive små hjärnor – testades dagligen i labyrinten under två veckor.

Samtliga hannar blev bättre på att ta sig genom labyrinten och hitta honorna allt eftersom experimentet fortskred – men för hannarna med stora hjärnor gick inlärningsprocessen snabbare och de gjorde färre fel än hannarna med små hjärnor.

– Det var skönt att kunna visa att även hannar kan ha nytta av en stor hjärna, säger Niclas Kolm.

En teori om nyttan av att vara smart är att det kan öka överlevnadschanserna i en värld full av fiender. Forskarna beslutade sig för att undersöka om detta gäller för guppyer. Men det kräver större akvarier än vad som finns på Stockholms universitet. Därför utfördes experimentet på Konrad Lorentz-institutet i Wien, som har ett runt akvarium med en diameter på drygt sju meter.

– Först födde vi upp 4 800 guppyer med små och stora hjärnor och märkte dem med plastprickar, så att vi kunde se skillnad på individer med stora och små hjärnor. Sedan körde vi ner dem till Wien.

Det gigantiska akvariet i Wien delades in i sex delar (se grafik på föregående uppslag). Med hjälp av grus, stenar, snäckor och flytväxter skapade forskarna en konstgjord flodmiljö som liknade den som guppyerna härstammade från på Trinidad.

Varje ”flod” fick 800 guppyer – hannar och honor med både små och stora hjärnor. Guppyerna fick bekanta sig med sitt nya hem i sex veckor. Sedan var det slut på lugnet för då släppte forskarna ner en guppyätande gäddciklid i varje akvarium.

De konstgjorda floderna hade partier som var så grunda att bara guppyerna kunde simma där – de var alltså skyddade från gäddcikliderna på dessa platser. Men efter 20 veckor hade gäddcikliderna ändå lyckats äta upp mer än hälften av alla guppyer. Då summerade forskarna resultaten och kunde konstatera att honorna generellt hade varit bättre på att undkomma rovfiskarna. Det kan bero på att honorna simmar snabbare än hannarna. Men hjärnstorleken bidrar också, för honor med stor hjärna hade 13 procents bättre överlevnadschans än honor med liten hjärna.

För hannarnas del tycktes en stor hjärna inte heller denna gång ge några fördelar: Hjärnstorleken påverkade inte chansen att överleva. Men i detta fall var det en märklig egenskap hos guppyfiskar som kan ha påverkat utfallet: Hannar med stor hjärna är färggrannare än hannar med liten hjärna.

– De är lite mer orangefärgade och mer blåskimrande än hannar med liten hjärna. Dessutom har de större stjärtfena och mycket större gonopodium.

Det sistnämnda är guppyhannens könsorgan, en ombildad analfena som gör det möjligt för hannen att befrukta äggen inne i honans kropp.

– Både stjärtfenans storlek och färgprakten påverkar risken att bli uppäten. Så vi tror att även om hannar med stor hjärna har kognitiva fördelar som kan hjälpa dem att undkomma fiender, så kompenserar det inte nackdelen med att vara mer färgstark och därmed lättare att hitta för gäddcikliderna, som är visuella jägare.

Guppyhonor som vill ha smarta ungar bör alltså välja den snyggaste hannen hon kan hitta. Men hur bra är honorna på att bedöma hannarnas kvalitet? Väljer de alltid de mest färggranna och ståtliga hannarna? Även detta har forskarna undersökt.

Guppyhonor med stor respektive liten hjärna placerades i akvarier där de kunde se en praktfull och en alldaglig hanne i var sin glasbehållare. Avståndet mellan de två behållarna var så pass stort att honan endast kunde se en hanne i taget. För att jämföra hannarna var hon alltså tvungen att hålla den ena hannen i tankarna, medan hon spanade in den andre hannen.

Forskarna noterade hur lång tid honorna uppehöll sig vid respektive hannes behållare. De fann att honor med stor hjärna ofta stannade kvar hos de praktfulla hannarna, medan honorna med liten hjärna tillbringade lika mycket tid hos båda sorterna.

– Resultatet är tydligt – honor med liten hjärna verkar helt ha förlorat förmågan att avgöra om hannarna är färgglada eller inte.

Forskarna tog det säkra före det osäkra och undersökte guppyhonornas färgseende. Det visade sig att hjärnstorlek inte påverkade förmågan att se färger. Aveln hade alltså inte påverkat den egenskapen.

De flesta experiment kräver att guppyerna tränas först. Det är ett tidsödande arbete – även i de fall då de allra smartaste guppyerna är inblandade.

I ett mindre rum bland alla akvarierna i källaren på Stockholms universitet pågår guppyträning för fullt. Henrik Flink, doktorand vid Zoologiska institutionen med Niclas Kolm och etologen Gabriella Gamberale Stille som handledare, lär guppyhonor att skilja mellan små plastbrickor som har olika grå nyans.

– Hypotesen är förstås att honor med stor hjärna lär sig snabbare och är bättre på att uppfatta små nyansskillnader än honor med liten hjärna, säger Niclas Kolm.

Träningen sker i små akvarier som är avdelade med en glasskiva samt en ogenomskinlig skiva. Försöksuppställningen förbereds i den ena halvan av akvariet, medan den andra halvan fungerar som ”väntrum” för den fisk som ska delta i träningen. När det är dags att börja träna drar forskarna först upp den ogenomskinliga skivan, så att fisken i väntrummet ser att något är på gång på andra sidan glaset. Därefter drar forskarna upp glasskivan, så att fisken kan simma in till försöksuppställningen.

De guppyhonor som Henrik Flink tränar får välja mellan två grå plastbrickor med olika nyans. Honorna kan flytta brickorna med nosen och en av dem döljer en matbelöning. Tanken är att fiskarna på så sätt ska lära sig associera maten med en viss grå nyans.

Men just i dag verkar guppyhonorna måttligt intresserade av uppgiften. De gör bara några halvhjärtade försök att flytta plastbrickorna.

– Det beror antagligen på att de redan har övat. De är mätta nu och det påverkar motivationen, säger Henrik Flink.

En guppyhonas hjärna väger ungefär fem milligram och är stor som ett knappnålshuvud. Forskarna har nu avlat på hjärnstorlek i fem generationer och alltså skapat en skillnad på ungefär 15 procent mellan individer med stor och individer med liten hjärna. Hur långt kan man nå? Går det att avla fram fiskar med jättehjärnor?

– Vi ser en tendens till att det planar ut nu, att vi har avlat på hjärnstorlek så långt det går, men vi vet inte säkert. Och skillnaden som vi har uppnått mellan fiskar med stora respektive små hjärnor ligger inom gränsen för den naturliga variationen i olika vilda guppybestånd. Så vi har ännu inte skapat några konstiga fiskar, säger Niclas Kolm.

Men hur var det då med priset för en stor hjärna? Enligt organkostnadshypotesen går det inte att få mer av allt. Vår egen stora hjärna skulle ju ha utvecklats på bekostnad av en minskad matsmältningsapparat och fortplantningsförmåga.

Faktum är att Niclas Kolm och hans kolleger har funnit stöd för precis sådana samband hos guppyfiskarna.

– Guppyer med stor hjärna har mindre matsmältningsapparat än guppyer med liten hjärna. Och guppypar med stora hjärnor får 15 procent färre ungar än par som har små hjärnor. Det är ett ganska högt pris att betala.

Dessutom har forskarna visat att guppyer med stor hjärna har sämre immunförsvar än guppyer med liten hjärna. Det är sannolikt också en följd av de ökade kostnader som en stor hjärna för med sig.

Organkostnadshypotesen kan på sätt och vis framstå som ett moment 22. En större hjärna kräver mer energi, men var ska den energin komma ifrån om matsmältningsapparaten samtidigt blir mindre – det är ju den som förser hjärnan med kalorier?

I teorin går det förstås att öka kaloriintaget genom att äta mer mat, eller äta mer energirik föda. Men i praktiken kan det vara svårt – mat är en resurs som ofta är begränsad i naturen. Hur löser vilda guppyer detta dilemma?

– Det är en bra fråga som vi inte riktigt kan svara på. Men det är uppenbart att de klarar av det; det är ju inte så att guppyer med stor hjärna svälter ihjäl. Kanske är de bättre på att hitta mat. Eller så är de bättre på att hitta vissa sorters mat, som har hög kvalitet men som bara finns tillgänglig under vissa perioder.

Niclas Kolm tror att det naturliga urvalet gynnar individer med stor hjärna i krävande och farliga miljöer. Under mer gynnsamma förhållanden kan i stället andra energikrävande egenskaper gynnas, som god fortplantningsförmåga.

– Det kan vara själva orsaken till att det över huvud taget finns så stor naturlig variation i hjärnans storlek hos vilda guppyer. Men att närmare undersöka detta kräver storskaliga experiment, som helst ska utföras i guppyernas naturliga flodmiljö på Trinidad, säger han.

Hur vårt eget släkte lyckades skaffa fram de extra kalorier som krävdes för att våra stora hjärnor skulle kunna utvecklas är ett ämne som debatteras flitigt. En teori är att förmågan att bemästra eld skapade förutsättningar för kokkonsten. Då blev det möjligt att utvinna stora mängder kalorier ur exempelvis rötter och rotknölar, som är lätta att hitta och samla in men väldigt svårsmälta i rå form.

Det finns dock inga säkra bevis för att kokkonsten har funnits tillräckligt länge för att ha kunnat driva på den ökning i hjärnvolym som har gått hand i hand med vårt släktes långa evolutionära historia.

Amerikanska forskare visade nyligen i ett experiment att själva kokkonsten kanske inte var nödvändig, utan att det snarare handlade om förmågan att hantera maten. Forskarna lät försökspersoner äta getkött och rotfrukter som serverades på tre sätt: råa, råa, men strimlade och mosade, samt tillagade.

Getköttet som forskarna serverade var prima vara, fritt från seg vävnad. Trots det var det nästan omöjligt för försöksdeltagarna att tugga sönder råa, hela köttbitar. Men strimlat getkött gick ner – det var till och med mer lättuggat och lättsmält än tillagat kött. Mosade rotfrukter var mer lättuggade än hela – men tillagning gjorde dem ännu mer lättsmälta.

Forskarnas slutsats är att våra förfäder kunde öka sitt kaloriintag ordentligt genom att strimla rått kött och mosa råa rotfrukter med enkla stenverktyg. Dessa färdigheter banade väg för evolutionen av människosläktets stora hjärna. Kokkonsten uppstod senare, menar de.

Vi kommer sannolikt aldrig få veta exakt hur det gick till när våra förfäder löste den här ”energikrisen”. Men vi kan konstatera att med hjälp av en oansenlig akvariefisk samt ihärdigt arbete, har svenska forskare blivit de första i världen att ge experimentellt stöd för mekanismerna bakom organkostnadshypotesen. Evolutionen av en allt större och alltmer energikrävande hjärna kan ske på bekostnad av andra energislukande processer, som matsmältning och fortplantning.

Jakten på intelligens-genen

Niclas Kolm och hans kolleger har undersökt vilka gener som påverkas av aveln på hjärnstorlek. Hos fiskar är det hjärndelen telencefalon som utgör centrum för de kognitiva förmågorna. Guppyhjärnor från de två avelslinjerna (9 procents skillnad i hjärnstorlek) dissekerades och deras telencefalon skickades till professor Judith Mank vid University college London.

Judith Mank undersökte om aktiviteten hos generna i telencefalon skiljer mellan guppyer som har stor respektive liten hjärna. Eventuella skillnader visar vilka gener som påverkas av aveln på hjärnstorlek.

Analyserna indikerar att aveln på hjärnstorlek påverkar en enda gen i telencefalon. Den kallas Angiopoietin-1 och dess aktivitet är högre hos guppyer med stor hjärna än hos guppyer med liten hjärna.

– Då tänkte vi: Oj, vi kanske har hittat själva kognitionsgenen, säger Niclas Kolm.

Även Judith Mank överraskades av resultaten från analysen.

– Jag hade inte förväntat mig att Angiopoietin-1 skulle vara viktig i det här sammanhanget. Den är framför allt studerad i samband med tumörtillväxt, och det var därför inte klart hur den skulle kunna påverka hjärnans storlek. Men efter en ordentlig djupdykning i den vetenskapliga litteraturen fann vi att genen även är involverad i nervcellers tillväxt och mognad i hjärnan, och då började bilden klarna, säger hon.

Nu gällde det för forskarna att bevisa att Angiopoietin-1 verkligen påverkar hjärnans tillväxt. En väg att gå är att försöka dämpa genens aktivitet hos fiskembryon. Om Angiopoietin-1 reglerar hjärnans tillväxt borde embryona utvecklas till fiskar med ovanligt små hjärnor, resonerade forskarna.

Den här sortens experiment kräver att man har tillgång till befruktade ägg. Men guppyer har invärtes befruktning; därför är det krångligt att få tag på äggen och nästan omöjligt att veta exakt när äggen befruktas.

– Därför tog vi kontakt med professor Pertti Panula vid Helsingfors universitet, som är expert på zebrafiskarnas genetik, berättar Niclas Kolm.

Zebrafiskar har utvärtes befruktning. Pertti Panula och hans forskarteam lyckades dämpa aktiviteten av Angiopoietin-1 hos embryon av zebrafiskar.

– De fick fram zebrafiskyngel med mindre hjärnor.

Så här långt verkade allt solklart: aktivitetsnivån i Angiopoietin-1 påverkas av aveln och verkar bestämma hur stora hjärnor guppyer och andra fiskar får. Men – det finns alltid ett men – konstaterar Niclas Kolm:

 – Våra finländska kolleger upptäckte att aktivitetsnivån i Angiopoietin-1 verkar påverka ytterligare en gen, som kallas Notch1. Den har en mycket viktig roll vid bildandet av nervceller och är involverad i massor av olika processer i både hjärnan och andra delar av kroppen, speciellt under uppväxten.

Niclas Kolm menar att det kan betyda att Angiopoietin-1 är kopplad till andra gener, som Notch 1, under just fosterutvecklingen, vilket skulle förklara varför denna effekt inte upptäcktes vid den genuttrycksanalys som gjordes av Judith Mank.

Kan guppyn bli en stimfisk?

Stimlevande fiskar, som exempelvis sillar, simmar tätt tillsammans med synkroniserade rörelser. Guppyn är ingen riktig stimfisk men kanske kan bli det med hjälp av avel. Det undersöker Niclas Kolm och hans kolleger med hjälp av avancerad experimentutrustning.

Det handlar om kraftfulla datorer som med hjälp av en speciell programvara kan lära sig se skillnad på upp till 40 fiskar som befinner sig i samma akvarium och som saknar id-märkning. Datorerna är kopplade till digitala kameror som hänger ovanför breda, grunda akvarier, som används vid försöken.

– Datorn registrerar små individuella skillnader i rörelsemönster och kroppsform och lär sig på så sätt känna igen samtliga fiskar. Den kan sedan registrera de enskilda fiskarnas rörelser i akvariet i detalj.

Genom att filma massor med grupper och låta den speciella programvaran analysera de enskilda fiskarnas rörelser i grupperna, har forskarna identifierat individer som är ovanligt pigga på att följa andra fiskar. Genom att para sådana individer med varandra undersöker forskarna om viljan att bilda stim ökar från generation till generation.

Om experimentet faller väl ut kommer forskarna att detaljstudera hur fiskarnas beteenden, hjärnor och fysiska egenskaper förändras i takt med att de blir alltmer stimlevande.

– En av mina favorithypoteser är att när man blir en stimlevande fisk, så blir man individuellt korkad men kollektivt smart, säger Niclas Kolm.

Försöket sker i samarbete med forskare vid Uppsala universitet, varav David Sumpter, professor i matematik, och Kristiaan Pelckmans, informationstekniker, är nyckelpersoner.

Aveln har pågått under två guppygenerationer och ska fortsätta ytterligare en generation. Resultaten verkar lovande, berättar Niclas Kolm.