Het project BRAIN werpt na zes jaar zwoegen zijn vruchten af. Komen we er dan eindelijk achter wat het menselijk brein zo uniek maakt?

Onze hersenen bestaan uit maar liefst 86 miljard zenuwcellen, of neuronen, en eenzelfde aantal niet-neuronale cellen. Zie daar maar eens een complete atlas van te maken. En toch zegt het BRAIN-consortium – een verenigde groep van meer dan honderd Amerikaanse en Europese wetenschappers – dat het nu eindelijk gelukt is. De onderzoeksgroepen presenteren gezamenlijk hun bevindingen verspreid over in totaal 21 publicaties, waarvan twaalf in Science, acht in Science Advances en een in Science Translational Medicine.

Lees ook:

• AI kan verhalen in iemands brein ‘lezen’
• Menselijk minibrein in rattenhersenen reageert op lichtflitsen
• Je brein uploaden naar de cloud: kan het echt?

De eeuwenoude vraag

Het is een eeuwenoude vraag: wat maakt ons brein zo bijzonder ten opzichte van andere dieren? Blijkbaar is er op een bepaald moment in de evolutie een specialisatie ontstaan van de hogere breinregio’s (de cortex), die ons onze cognitieve en communicatieve vaardigheden heeft gegeven. Maar waar zit die specialisatie dan in en hoe is die ooit ontstaan?

Het doel van het BRAIN-project (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies) was om deze vragen te helpen beantwoorden. De wetenschappers begonnen aan deze pittige klus in 2017. Ze wilden alle celtypen in de hersenen van mensen, apen en knaagdieren in kaart brengen. Het ging hen dan niet alleen om waar ze zitten, maar ook welke eigenschappen en functies ze hebben.

Variatie in celtypen

De BRAIN-onderzoeken besloegen meerdere thema’s. In het eerste thema keken twee teams onder leiding van respectievelijk Kimberly Siletti (Karolinka Institute) en Nikolas Jorstad (Allen Institute for Brain Science) naar de aanwezigheid van hersenceltypen in verschillende breinregio’s. Ze namen monsters van bijna honderd verschillende locaties en testten die op de mate van transcriptie (een van de eerste stappen in het tot uiting komen van genen). Ieder type heeft een andere transcriptie.

Wat bleek? Veel breinregio’s bevatten veelal dezelfde celtypen. Het waren vooral de verhoudingen ervan die verschilden tussen de hersengebieden. Dit is volgens de onderzoekers bewijs dat de evolutie van het menselijk brein vooral gericht was op het creëren van veel variatie in aantallen celtypen en niet zozeer het bouwen van geheel nieuwe types. Trouwens een leuke ontdekking: in totaal bestaan er meer dan drieduizend soorten hersencellen.

Drie andere teams vulden voor thema twee de missende gegevens over de verschillende hersenceltypen aan door ook nog te kijken naar de functies van de gevonden cellen. Dit deden ze door te kijken naar de epigenetica (het aan- en uitzetten van genen). De resultaten van deze studies ondersteunen de theorie hierboven.

Verschil met apen

Hierboven werd slechts één menselijk brein onderzocht. In het derde thema keken wetenschappers naar de variatie tussen wel 75 volwassen hersenen. Hierbij ontdekten Nelson Johansen (Allen Institute for Brain Science) en collega’s dat verschillen in celtypen en verhoudingen daartussen maar voor een heel klein gedeelte kan worden uitgelegd door leeftijd, geslacht, erfelijkheid en het al dan niet hebben van een ziekte. Met andere woorden: ieder brein is werkelijk uniek.

En dan nu de verschillen tussen mens en primaat. Is dit ook terug te zien op celniveau in de hersenen? De eerder genoemde Jorstad en zijn team vergeleken in thema vier de transcriptie van genen in de gyrus temporalus medius (een hersengebied betrokken bij taalbegrip) van de mens met vier apensoorten: chimpansees, gorilla’s, resusapen en gewone zijdeaapjes.

Hoewel alle primaten (inclusief de mens) grotendeels dezelfde celtypen bezitten, bleken ook hier weer grote verschillen in de verhoudingen ertussen. Een verrassende ontdekking was verder dat er slechts een paar honderd genen waren die bij mensen geheel anders tot uiting kwamen dan bij de apen. Dat kan er volgens Jorstad en collega’s op wijzen dat het unieke menselijke brein tot stand is gekomen door slechts weinig (maar blijkbaar cruciale) veranderingen op moleculair niveau.

Mini-breins bouwen

Naast het begrijpen van het ontstaan van ons unieke brein, kunnen de resultaten van het BRAIN-project ook van pas komen bij het bouwen van bijvoorbeeld brein-organoïden (gekweekte ‘mini-breinen’). Om dat laatste doel te kunnen realiseren, keken teams van Dmitry Velmeshev en Chang Kim (beiden van de University of California, San Francisco) in het vijfde thema naar de ontwikkeling van het menselijk brein in de baarmoeder én vlak de geboorte. Iets wat nooit eerder zo gedetailleerd is gedaan.

Bovengenoemde onderzoeken zijn slechts een bloemlezing van het hele BRAIN-project. Andere wetenschappers keken naar specifieke neuronen, zoals het soort dat signalen van andere hersencellen remt. Ook werden de hersenen van resusapen en gewone zijdeaapjes uitgebreid in beeld gebracht. Dat kan van pas komen bij het gebruik van deze diersoorten als proefdier in hersenonderzoek.

Nog vele vragen

Ten slotte bekeek een studie het menselijke brein op geheel andere wijze. Seth Ament en collega’s van de University of Maryland School of Medicine ontdekten hoe het kan dat een ontsteking in de hersenen van jonge baby’s een risicofactor kan zijn voor het ontstaan van neurologische stoornissen op latere leeftijd. In de kleine hersenen (cerebellum) bleek zo’n immuunreactie te leiden tot veranderingen in twee celtypen. Dit soort informatie kan helpen het ontstekingsproces beter te begrijpen en uiteindelijk ook te behandelen.

Het BRAIN-project biedt zowel fascinerende kennis over onze hersenen als dat het daadwerkelijke toepassingen heeft. En met de hersencelatlas die nu is gemaakt kunnen nu vele nog niet beantwoorde vragen worden beantwoord. Ongetwijfeld zullen er dan ook weer nieuwe vragen bij komen. Kortom, dit fascinerende orgaan van ons zal nog heel lang voer blijven voor onderzoek.

Bronnen: Science introduction, Science perspective, AAAS news via EurekAlert!, Allen Institute via EurekAlert!

Beeld: PM Images/Getty Images

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!