Het belang van onze hersenen in ons dagelijks functioniëren is

Het belang van onze hersenen in ons dagelijks functioniëren is evident; de hersenen zijn het enige
orgaan dat essentieel is voor nagenoeg alle gedragingen die we vertonen: eten, slapen, bewegen,
voortplanting, emoties... het is zelfs ei zo na onmogelijk een proces te bedenken dat niet vanuit de
hersenen gereguleerd wordt. Ook ons gedrag van meer mystiek allure associëren we spontaan met
de hersenen: Hoe worden gedachten en herinneringen gevormd? Hoe worden onze
persoonlijkheden en karaktertrekken gecreëerd? En waar komt onze uitzonderlijke intelligentie
vandaan? Dit unieke orgaan heeft nog lang niet al zijn geheimen prijsgegeven. Het beter begrijpen
van de hersenen is dan ook een van de grote uitdagingen van de 21ste eeuw.
De complexiteit van het brein: een uitdaging voor de neurobiologie
De studie van alles wat te maken heeft met de hersenen, en bij uitbreiding het gehele zenuwstelsel,
is het domein van de neurobiologie. Het menselijk brein is echter enorm complex: het bevat meer
dan honderd miljard zenuwcellen, en maakt ruim 1500 keer meer connecties dan er sterren geschat
zijn in ons sterrenstelsel! Daarenboven zijn geen twee hersencellen gelijk, en gebruiken al deze
zenuwcellen ontelbare moleculen om met elkaar te kunnen communiceren, waarvan slechts beperkt
geweten is wanneer, waar en hoe die specifiek worden ingezet. De neurobiologie tracht al deze
processen tot in de kleinste details te ontrafelen, er is dus bijna geen vergelijking mogelijk om de
omvang van de huidige uitdaging voor neurobiologen duidelijk te maken. De nood aan een beter
begrip van onze hersenen is nochtans erg groot. Steeds meer ziektes of aandoeningen blijken te
wijten aan een niet- of misfunctioneren van onze hersenen. Een deel daarvan gaat samen met het
verouderen van de bevolking, waardoor bovendien verwacht wordt dat het probleem enkel zal
toenemen. Neurobiologen moeten dus met strategische oplossingen komen om, ondanks de
gigantische complexiteit van de hersenen, toch tot relevante inzichten te kunnen komen.
Een virtueel brein
De meest recente strategie om inzicht in de hersenen te proberen verwerven, bestaat uit het
bouwen van een volledig virtueel brein. Hierdoor kan de rekenkracht van computers gebruikt
worden om de complexiteit van onze hersenen toch zo accuraat mogelijk te beschrijven. Eerder dit
jaar ging een erg ambitieus Europees project van start: het menselijk brein project (The Human Brain
Project). Een groot consortium van meer dan 135 onderzoeksgroepen wereldwijd zal proberen om
met behulp van talloze supercomputers een digitale versie van de menselijke hersenen te bouwen.
Zij hopen dit te verwezenlijken binnen een tijdsbestek van 10 jaar, waardoor we tegen ca. 2020 reeds
een heleboel vragen aan dit brein kunnen stellen. Er wordt verwacht dat dit project in de toekomst
erg veel nieuwe kennis zal opleveren over de menselijke neurobiologie.
Gebruik van modelorganismen
Een andere manier om de hersenen te bestuderen, bestaat erin het probleem te proberen
vereenvoudigen. Ter vergelijking, de directe studie van menselijke hersenprocessen is nog véél
complexer dan voor het eerst leren rijden in het centrum van een metropool, zonder enige
instructies. We kunnen de principes van het rijden echter perfect leren in een rustig dorp, waarna we
deze in steeds ingewikkeldere omgevingen kunnen toepassen – eens het autorijden machtig, zullen
we ons op termijn even vlot door de metropool bewegen, als in een kleine dorpskern. Dit principe
van verveenvoudiging wordt courant gebruikt in de neurobiologie, waarbij onderzoekers
vraagstellingen zullen bestuderen in de hersenen van zogenaamde modelorganismen, zoals de muis,
rat, zebravis of fruitvlieg – die zijn qua architectuur toegankelijker dan het menselijk brein. Een
populair modelorganisme voor dit soort onderzoek is de microscopisch kleine worm Caenorhabditis
elegans, waarvan het gehele zenuwstelsel uit slechts 302 cellen bestaat.
Van miljarden naar 302 zenuwcellen: is dat niet te simplistisch?
Onmiddellijk rijst de vraag of die vereenvoudiging gerechtvaardigd is. Zijn die mini-hersenen van C.
elegans wel representatief voor ons menselijk brein?
Om dit beter te kaderen, grijpen we terug naar de evolutietheorie. Sinds het voorstellen van het idee
dat alle huidig levende wezens, via vele tussenvormen, afstammen van één ‘oercel’, zijn legio
bewijzen aangevoerd die de evolutietheorie van een solide basis voorzien. Door het analyseren van
verschillende biochemische en uiterlijke kenmerken, proberen evolutiebiologen een zo accuraat
mogelijk beeld te scheppen van de zogenaamde “stamboom van het leven”. Een belangrijke bijdrage
wordt hierbij nog steeds geleverd door DNA-analyse: hoe meer het DNA van twee onderscheiden
soorten op elkaar gelijkt, hoe nauwer deze soorten verwant zijn met betrekking tot hun biologische
afstamming. De wellicht opmerkelijkste bevinding die uit de vergelijkende genoomanalyse van vele
diersoorten is voortgekomen, is de grote graad van genetische gelijkenis tussen soorten in het
algemeen. Hierdoor is het mogelijk om, niettegenstaande een drastisch andere bouw, erg veel
bevindingen voor modelorganismen – zoals de worm – toe te passen op de mens. Concreet betekent
dit dat, hoewel verschillende (dier)soorten er anders uitzien, ze gebruik maken van gelijkaardige
moleculaire werkingsmechanismen.
Dus ondanks – of net dankzij! – het feit dat de hersenen van de worm architecturaal primitief zijn,
blijkt een gamma aan boodschappermoleculen doorheen de evolutie stevig bewaard te zijn. Hierdoor
communiceren de hersencellen van de worm verrassend gelijkend aan de hersencellen van de mens,
om bijvoorbeeld vertering, voortplanting of beweging te orchestreren.
Hoe relevant is het gedrag van een worm voor menselijk gedrag?
Een tweede pertinente vraag dringt zich op op het vlak van gedrag. Wij lijken in de verste verte niet
op een worm, dus hoe relevant zullen de bevindingen uiteindelijk blijken te zijn?
Op deze vraag is geen eenduidig antwoord. Modelorganismen worden veelal geselecteerd op basis
van zowel genetische en gedragskenmerken, als eigenschappen die hen makkelijk bruikbaar maken
in een laboratoriumomgeving. Wormen zijn bijvoorbeeld nuttig voor fundamenteel onderzoek of bij
het bestuderen van eenvoudige gedragingen - zoals de voornoemde vertering, voortplanting en
beweging. Om meer inzicht te verkrijgen in de werking van de menselijke hersenen, dient eerst
nagegaan te worden of typische, meer abstracte gedragingen die door de hersenen gestuurd worden
ook in C. elegans aanwezig zijn. Een mooi voorbeeld hiervan zijn leer- en geheugenprocessen.
Veel hersenaandoeningen bij mensen zijn te wijten aan fouten in leer- of geheugenprocessen,
waaronder bijvoorbeeld schizofrenie en autisme, maar zijn moeilijk te bestuderen omwille van de
complexiteit van het menselijk brein. Net daarom zou het dus interessant zijn de moleculaire
werkingsmechanismen die leren en geheugen sturen in een eenvoudig modelsysteem te ontrafelen.
De schijnbare eenvoud van C. elegans weerhoudt de worm er niet van ook te kunnen leren én
onthouden. Net zoals veel mensen, houdt C. elegans van zout voedsel – wormen leren dan ook snel
om zout te associëren met de aanwezigheid van voedsel. In het laboratorium kunnen we die
associatie verbreken, en zelfs een nieuwe associatie maken: we kunnen wormen leren om zout te
associëren met de afwezigheid van voedsel. Daarna kunnen we achterhalen hoe lang de wormen in
staat zijn deze les te onthouden.
We beschikken dus over alles wat nodig is om een deel van het menselijk brein, namelijk leren en
geheugen, te bestuderen in een eenvoudige testomgeving, namelijk C. elegans in het laboratorium.
Dankzij de genetische gelijkenissen tussen mens en worm, en het voorkomen van gelijkaardig gedrag,
kunnen we nu een blauwdruk ontwerpen voor de sturing van leren en geheugen door het brein.
Een voorbeeld: menselijk vasopressine versus worm-nematocine
De eerste stappen zijn reeds gezet: een boodschappermolecule dat door de zenuwcellen van C.
elegans wordt gebruikt om associatief leren te stimuleren, heeft een gelijkaardige tegenhanger in de
mens. Zonder deze boodschapper, nematocine genaamd, verliezen wormen hun capaciteiten om
afdoende te leren. De gelijkaardige boodschapper in de menselijke hersenen, vasopressine, is
eveneens belangrijk voor associatief leren. Niet alleen functioneel, maar ook structureel zijn
nematocine en vasopressine erg gelijkende moleculen, wat doet vermoeden dat ze evolutionair van
eenzelfde voorouder afstammen. Dit is interessant vanuit fundamenteel wetenschappelijke ooghoek:
de gemeenschappelijke voorouder van wormen en mensen leefde wellicht meer dan 700 miljoen jaar
geleden. Leerprocessen zijn dus evolutionair enorm oud! Vermoedelijk betekende de mogelijkheid
tot (associatief) leren een evolutionair voordeel vanaf het moment dat organismen in fluctuerende
omgevingscondities moesten overleven: kunnen terugvallen op eerdere ervaringen kan dan het
verschil tussen leven en dood betekenen.
De gelijkenis tussen nematocine en vasopressine is niet alleen vanuit pure kennisdrang interessant;
ze kan ons ook helpen menselijke leerprocessen sneller te bestuderen. Vasopressine wordt
momenteel verkocht in neussprayformaat ter behandeling van (sociale) leerstoornissen, maar heeft
te kampen met vervelende bijwerkingen, zoals verhoogde waterreabsorptie – lees: in extremis té
weinig urineproductie en opzwelling van het lichaam. Indien we de werking van vasopressine in de
hersenen gedetailleerd zouden kunnen ophelderen, is het misschien mogelijk betere strategieën te
ontwikkelen, met verminderde nevenwerkingen.
Via de worm naar de mens
De taak bestaat er nu dus in om gebruik te maken van handige modelsystemen, zoals de worm, om
de moleculaire mechanismen van de hersenen in detail bloot te leggen. Fundamentele inzichten in
hersenprocessen, zoals leren en geheugen, kunnen dan leiden tot belangrijke kennis over ons eigen
brein; en dus ons eigen gedrag.
Meer weten?
- Ludiek over de evolutietheorie: Charles Darwin Over het ontstaan van soorten, een stripbewerking;
Michael Keller & Nicolle Rager Fuller; Uitgeverij Atlas; ISBN 978-90-450-1604-7
- Over de geschiedenis van C. elegans als modelorganisme: In the beginning was the worm: Finding
the secrets of life in a tiny hermaphrodite; Andrew Brown; Simon & Schuster UK Ltd; ISBN 0-74341598-1
- Over nematocine en associatief leren in C. elegans: Beets I et al., Science 2012;338(6106):543-5