Hoe het brein zichzelf bouwt

Het blijkt mogelijk om met simpele instructies voor cellen een ingewikkeld hersengebied te vormen. Hierdoor is beter te begrijpen hoe dieren met relatief weinig erfelijk informatie een complex brein vormen. Onderzoekers van de Amerikaanse universiteit Princeton deden hun ontdekking door kaarten te maken van gemeten hersenactiviteit. Deze bootsten zij vervolgens in een wiskundig model na, zo schreven zij afgelopen week in het toptijdschrift Science.

Het fenomeen dat complexe patronen ontstaan uit simpele regels heet zelforganisatie. Niet alleen kun je dit demonstreren in formules, chemische reacties of computerprogramma’s, maar het komt overal in de natuur voor. Alledaagse voorbeelden zijn het vlekkenpatroon van koeien, de bouw van een termietennest en het vliegen van een vogelzwerm. ‘Patronen zijn overal, ze wachten alleen op hun ontstaan’, aldus de scheikundige Andrea Sella van het University College in London. Hoewel deze fenomenen verschillend lijken, ontstaan ze op vergelijkbare wijze. Ze worden niet centraal gecoördineerd en er is geen plan. De individuele vogels of termieten gedragen zich volgens eenvoudige regels. Bij elkaar leiden hun acties tot onvoorspelbare en ingewikkelde resultaten.

Dit fenomeen treedt dus ook op bij het organiseren van een menselijk hersenregio. ‘Zelforganisatie is net zo belangrijk voor hersenontwikkeling als onze gehele erfelijke informatie of de eerste levenservaring’, aldus hoofdonderzoeker Kaschube van Princeton over zijn eigen resultaten. Deze ontdekking onthult misschien een algemeen proces hoe hersenen vormen uit een wirwar van delende cellen.

Licht op het brein
De wetenschappers onder leiding van Kaschube bestudeerden een hersenregio, genaamd V1. Het is het eerste van een aantal hersengebieden die visuele signalen omzetten naar bruikbare informatie. V1 wordt actief als je lijnen van licht/donkercontrast ziet. Individuele cellen zijn gevoelig voor verticale, horizontale of diagonale lijnen. Door van elke cel te achterhalen voor welke oriëntatie hij gevoelig is en deze een kleurcode te geven, is het mogelijk overzichtskaarten te maken. Het opvallendste kenmerk van deze kaarten zijn de zogenaamde ‘tollen’. Gebieden waar alle verschillende oriëntaties bij elkaar komen en zo precies op het kinderspeelgoed lijken.

Kaart van het visuele hersencentrum gevoelig voor lijnen licht/donkercontrast. Rechts: kleurcodes per oriëntatie. Illustratie: Swindale, aangepast vanuit Blasdel en Salama (1986)

Door V1 te vergelijken bij verschillen dieren wilden de wetenschappers achterhalen hoe dit hersengebied wordt georganiseerd. Ze bekeken hersenactiviteit in fretten, boomspitsmuizen en het Afrikaanse halfaapje galago. De hoeveelheid bloed in een regio werd gebruikt als een indirecte maat van activiteit. Voor metingen werd de schedel op een plek dun geschuurd en doorschenen met rood licht. Samenstelling en volume van het bloed bepalen vervolgens wat voor licht wordt teruggekaatst. Hieruit kun je activiteit afleiden.

Realiteit in formules
De kaarten van de drie dieren bleken nauwelijks van elkaar te verschillen. Ze hadden evenveel ‘tollen’ en deze waren op dezelfde manier geordend. ‘Gedeelde afstamming is geen goede verklaring voor het ontwerp dat deze soorten delen’, concludeert hoofdonderzoeker Kaschube. Het feit dat de kaarten exact overeen komen geeft aan dat de details niet evolutionair zijn vastgelegd. Daarvoor is hun verwantschap te ver en verschillen ze te veel in levensstijl. Ook omgevingsfactoren vormden geen verklaring. In het donker grootgebrachte fretten ontwikkelden ongeveer dezelfde kaart. Zonder omgeving en evolutie, bleef zelforganisatie als enige verklaring over voor de gedetailleerde structuur van V1.

Om te achterhalen of je zo inderdaad een hersengebied kan vormen, maakten de onderzoekers wiskundige modellen. Hierin simuleerden ze met enkele simpele regels het ontstaan van V1. Verbazingwekkend genoeg bleken de uitkomsten van het model nauw overeen te komen met de onderzoeksresultaten. Simpele instructies, complex resultaat: dat lijkt de paradox van ons brein.

Leave a Comment