Door Niall Firth
Stefan Siebert en Charles David
Het vuren van elk neuron in het lichaam van een dier is live vastgelegd. De doorbraak bij het in beeld brengen van het zenuwstelsel van een hydra – een piepklein, doorzichtig diertje dat verwant is aan kwallen – terwijl het trilt en beweegt, heeft inzichten opgeleverd in de manier waarop zulke eenvoudige dieren hun gedrag controleren.
Dergelijke technieken zouden ons op een dag kunnen helpen een beter inzicht te krijgen in de manier waarop onze eigen hersenen werken. “Dit zou niet alleen belangrijk kunnen zijn voor het menselijk brein, maar voor de neurowetenschappen in het algemeen,” zegt Rafael Yuste van de Columbia-universiteit in New York City.
In plaats van een brein hebben hydra’s het meest basale zenuwstelsel in de natuur, een zenuwnet waarin neuronen zich over zijn hele lichaam verspreiden. Desondanks weten onderzoekers nog bijna niets over hoe de paar duizend neuronen van de hydra samenwerken om gedrag te creëren.
Advertentie
Om daar achter te komen, hebben Yuste en collega Christophe Dupre de hydra genetisch gemodificeerd, zodat hun neuronen oplichten in aanwezigheid van calcium. Aangezien calciumionen in concentratie stijgen wanneer neuronen actief zijn en een signaal afgeven, waren Yuste en Dupre in staat om gedrag te relateren aan activiteit in gloeiende circuits van neuronen.
Bijvoorbeeld, een circuit dat betrokken lijkt te zijn bij de spijsvertering in de maagachtige holte van de hydra werd actief wanneer het dier zijn mond opende om te eten. Dit circuit kan een voorouder zijn van ons darmzenuwstelsel, suggereert het tweetal.
Neural code
Een tweede circuit vuurt wanneer de hydra zijn lichaam samentrekt tot een bal om zich te verbergen voor roofdieren. Een derde lijkt licht te detecteren en kan helpen het dier te laten weten wanneer het moet eten – ondanks dat ze blind zijn, hebben hydra’s licht nodig om te jagen en ze doen dit meer in de ochtend.
Het team ontdekte dat geen enkel neuron lid was van meer dan één circuit. Dit suggereert dat het dier afzonderlijke netwerken heeft geëvolueerd voor elke reflex – een primitieve regeling, veel minder complex dan onze eigen onderling verbonden zenuwstelsels.
Niettemin is de hydra de eerste stap in de richting van het doorbreken van de neurale code – de manier waarop neurale activiteit het gedrag bepaalt, zegt Yuste. “Hydra’s hebben de eenvoudigste ‘hersenen’ in de geschiedenis van de aarde, dus we hebben misschien een kans om die eerst te begrijpen en die lessen vervolgens toe te passen op meer gecompliceerde hersenen,” zegt hij.
Yuste hoopt dat het zien hoe de circuits in real time werken, kan leiden tot nieuwe inzichten in het menselijk brein en ons meer kan vertellen over psychische aandoeningen zoals schizofrenie, bijvoorbeeld. “We kunnen patiënten niet genezen totdat we weten hoe het systeem werkt”, zegt hij.
Yuste was een van de neurowetenschappers, waaronder George Church van Harvard University, die in 2012 het Brain Activity Map Project lanceerden. Het was een oproep aan neurowetenschappers om de activiteit van elk neuron in het menselijk brein vast te leggen. Het project vormt de centrale plank van het miljard dollar kostende BRAIN-initiatief dat in 2013 door de regering van president Obama werd gelanceerd.
Aha moment
De hydra is nu het eerste dier waarvan een van deze kaarten voor het hele lichaam is gemaakt, hoewel de activiteit van de hele hersenen van zebravissen ook op een vergelijkbare manier in kaart zijn gebracht. Het werk is een “ontzagwekkende mijlpaal die het vieren waard is”, aldus Church. Maar het opschalen naar knaagdieren of primaten zal een grote uitdaging zijn, zegt hij.
Dale Purves, een neurowetenschapper aan het Duke Institute for Brain Sciences in North Carolina, betwijfelt of het dier nuttig zal blijken om onszelf te begrijpen. “Je moet je afvragen: is dit een dier dat zich gaat voegen bij de fruitvlieg, worm en muis als een modelorganisme om naar te kijken in de zoektocht om het zenuwstelsel beter te begrijpen?” zegt hij. “Mijn antwoord zou helaas nee zijn.”
Maar Yuste werkt nu samen met zeven andere teams om de neurale code van de hydra te ontcijferen. Ze willen zo’n volledig begrip krijgen van de manier waarop de neuronen vuren, dat ze een computermodel kunnen gebruiken om het gedrag van de hydra te voorspellen op basis van zijn neurale activiteit.
“Een van onze dromen is om in de neurowetenschap op hetzelfde punt te komen als de genetica bereikte toen ze de dubbele helix van DNA ontdekten,” zegt Yuste. Hoewel sommigen hebben gesuggereerd dat de hersenen daarvoor te gecompliceerd zijn, is Yuste optimistisch. “Ik hoop dat het nog tijdens ons leven zal gebeuren en dat het een aha-moment zal zijn wanneer de legpuzzel samenkomt,” zegt hij.
Journaalreferentie: Current Biology, DOI: 10.1016/j.cub.2017.02.049
Lees meer: “Een korte geschiedenis van het brein”
Onze hersenen volgden een kronkelig ontwikkelingspad door wezens die op aarde zwommen, kropen en liepen lang voordat wij dat deden. Hier volgen enkele van deze dieren, en hoe ze ons hebben gemaakt tot wat we zijn.
Hydra
Onze eencellige voorouders beschikten over een verfijnde machinerie om de omgeving waar te nemen en erop te reageren. Toen de eerste meercellige dieren ontstonden, werd deze machinerie aangepast voor cel-naar-cel communicatie. Gespecialiseerde cellen die boodschappen konden overbrengen door middel van elektrische impulsen en chemische signalen – de eerste zenuwcellen – ontstonden al heel vroeg.
De eerste neuronen waren waarschijnlijk in een diffuus netwerk over het lichaam van een wezen als deze hydra met elkaar verbonden. Een dergelijke structuur, die bekend staat als een zenuwnet, is nog steeds te zien in de trillende lichamen van kwallen en zeeanemonen.
Urbilaterian
Toen groepen neuronen zich begonnen te groeperen, kon informatie worden verwerkt in plaats van alleen maar doorgegeven, waardoor dieren zich op steeds verfijndere manieren konden bewegen en reageren op de omgeving. De meest gespecialiseerde groepen neuronen – de eerste hersenachtige structuur – ontwikkelden zich in de buurt van de mond en primitieve ogen.
Volgens veel biologen gebeurde dit bij een wormachtig wezen dat bekend staat als de urbilaterian, de voorouder van de meeste levende dieren, waaronder gewervelde dieren, weekdieren en insecten.
Lampreishersenen
Meer gespecialiseerde hersengebieden ontstonden in vroege vissen, waarvan sommige leken op de levende lampreien. Hun actievere, zwemmende levensstijl leidde tot een druk op de hersenen om te paren, voedsel te vinden en roofdieren te ontwijken.
Veel van deze kernstructuren zijn nog steeds in onze hersenen te vinden: het optische tectum, dat betrokken is bij het volgen van bewegende voorwerpen met de ogen; de amygdala, die ons helpt te reageren op angstige situaties; delen van het limbisch systeem, dat ons gevoelens van beloning geeft en helpt bij het vastleggen van herinneringen; en de basale ganglia, die bewegingspatronen besturen.
Hersenen van amfibieën
Op enig moment tussen de eerste amfibieën die op het droge land kwamen en de evolutie van de zoogdieren ontstond de neocortex – extra lagen neuraal weefsel aan de oppervlakte van de hersenen. Dit deel van de hersenen breidde zich later enorm uit, en is verantwoordelijk voor de complexiteit en flexibiliteit van de zoogdieren – waaronder wij.
Maar hoe en wanneer de neocortex voor het eerst evolueerde, blijft een mysterie. We kunnen geen gelijkwaardige hersenstructuur zien bij levende amfibieën, en fossielen helpen ook niet veel: de hersenen van amfibieën en reptielen vullen niet hun hele schedelholte, dus de overblijfselen van deze dieren vertellen ons weinig over de vorm van hun hersenen.
Primitieve hersenen van zoogdieren
De hersenen van zoogdieren werden steeds groter in verhouding tot hun lichaam toen ze probeerden te overleven in een wereld die werd gedomineerd door dinosauriërs.
CT-scans van fossiele zoogdieren die lijken op spitsmuizen hebben aangetoond dat het eerste gebied dat werd opgepompt de bulbus olfactorius was, wat suggereert dat zoogdieren sterk afhankelijk waren van hun reukzin. De regio’s van de neocortex die tactiele sensaties in kaart brengen – waarschijnlijk in het bijzonder het rimpelen van haren – kregen ook een flinke boost, wat suggereert dat de tastzin ook van vitaal belang was. Deze bevindingen sluiten mooi aan bij het idee dat de eerste zoogdieren een nachtelijke levensstijl aannamen om de dinosauriërs te kunnen ontwijken.
Chimpanseebrein
Na het uitsterven van de dinosauriërs trokken de voorouders van de primaten de bomen in. Om in bomen op insecten te jagen, was een goed gezichtsvermogen nodig, waardoor het visuele deel van de neocortex zich uitbreidde. De grootste mentale uitdaging voor primaten was echter wellicht het bijhouden van hun sociale leven, wat de enorme uitbreiding van de frontale regio’s van de neocortex van de primaten zou kunnen verklaren.
Deze frontale regio’s raakten ook beter met elkaar verbonden, zowel binnen zichzelf als met andere delen van de hersenen die zich bezighouden met zintuiglijke input en motorische controle. Dit alles stelde primaten in staat om meer informatie te verwerken en slimmere manieren te bedenken om ernaar te handelen. Eén geslacht van primaten, de mensapen, werd bijzonder slim.
Menselijk brein
Onderzoekers dachten vroeger dat het krijgen van twee benen ervoor zorgde dat de menselijke hersenen groter werden dan die van onze neven, de orang-oetans, de gorilla’s en de chimpansees. Fossiele vondsten tonen echter aan dat miljoenen jaren nadat de vroege hominiden op twee benen gingen lopen, zij nog steeds kleine hersenen hadden.
Pas zo’n 2,5 miljoen jaar geleden begonnen onze hersenen groter te worden. We weten nog steeds niet waarom, maar het is mogelijk dat een mutatie de kaakspieren van onze voorouders verzwakte, waardoor onze schedels konden uitzetten.
Toen we eenmaal slim genoeg waren om werktuigen te ontwikkelen en een rijker dieet te vinden, kan een positief terugkoppelingseffect in werking zijn getreden, wat leidde tot verdere uitbreiding van de hersenen. Veel voedingsstoffen zijn essentieel voor een groot brein, en slimme dieren hebben meer kans om die te vinden.
Het totaalbeeld is er een van steeds groter wordende hersenen, dankzij de wisselwerking tussen voeding, cultuur, technologie, taal en genen. Dat is wat het moderne menselijke brein ongeveer 200.000 jaar geleden in Afrika deed ontstaan.In de afgelopen 15.000 jaar is de gemiddelde grootte van het menselijke brein ten opzichte van ons lichaam echter met 3 of 4 procent gekrompen.
Om uit te vinden waarom, en meer te lezen over de evolutionaire reis van het brein, lees “Een korte geschiedenis van het brein”.
Meer over deze onderwerpen:
- neurowetenschappen
- hersenen
- geestelijke gezondheid