We praten over het brein alsof het één orgaan is, maar nieuw onderzoek laat wat anders zien. Onze hersenen bestaan uit twee afzonderlijke, oeroude zenuwstelsels die honderden miljoenen jaren geleden onafhankelijk van elkaar ontstonden en tijdens de evolutie zijn samengevoegd.
Decennialang gold het idee dat één vroege voorlopercel uiteindelijk het hele brein voortbrengt. Alle hersendelen zouden daarmee dezelfde ontwikkelingsgeschiedenis hebben.
Een voorlopercel (of progenitorcel) is een jonge, onrijpe cel, die zich kan ontwikkelen tot een bepaald soort gespecialiseerd celtype.
Twee routes die elkaar nooit kruisen
Het volwassen brein bestaat uit de voor-, midden- en achterhersenen. De voorhersenen regelen hogere cognitieve functies zoals taal, bewustzijn en abstract redeneren. De achterhersenen, waaronder de hersenstam, doen de essentiële automatische processen zoals ademhaling, slaap, hartslag en hongergevoel. Neuronen in dat gebied sturen ook spieren in het gezicht, de tong en keel aan en zijn daarmee belangrijk voor spreken en slikken.
Deze gebieden blijken vanaf de vroegste ontwikkeling van het embryo verschillende routes te volgen. Tijdens de zogenoemde gastrulatie, wanneer het lichaam zijn eerste vorm krijgt, ontwikkelen de achterhersenen zich via een eigen traject, dat parallel loopt aan de route waaruit de voor- en middenhersenen ontstaan.
Bij muizenembryo’s werden twee verschillende voorlopercellen gevonden. Cellen waarin het gen Otx2 actief is, vormen de voor- en middenhersenen. Cellen met het gen Gbx2 worden de achterhersenen. Beide celpopulaties overlappen vanaf het begin nooit. “We hebben voor het eerst aangetoond dat de voorkant van het brein uit een totaal andere voorlopercel ontstaat dan de achterkant van het brein”, zegt ontwikkelingsbioloog Kyle Loh. “Dit betekent dat we nu neuronen uit de achterkant van het brein, de achterhersenen, in een petrischaaltje kunnen kweken en hun functies kunnen bestuderen.”
Verklaring voor oud probleem
Ook de verpakking van het DNA, het chromatine, verschilt fundamenteel tussen beide voorlopercellen. Die verschillen leggen de bestemming van de cellen als het ware al vroeg vast. Dat kan verklaren waarom het decennialang zo moeilijk was om menselijke neuronen van de achterhersenen in het laboratorium te kweken. “Eerdere pogingen om neuronen van de achterhersenen te maken, probeerden waarschijnlijk voorlopercellen van de voor- en middenhersenen over te halen om achterhersencellen te worden, iets wat volgens onze studie niet mogelijk is”, zegt onderzoeker Rayyan Jokhai.
Met de nieuwe kennis lukte iets wat eerder niet lukte: menselijke pluripotente stamcellen ontwikkelen tot functionele motorneuronen van de achterhersenen. De gekweekte cellen vertoonden elektrische activiteit en maakten eiwitten aan die kenmerkend zijn voor delen van de achterhersenen die gezichts- en slikspieren aansturen.
Leestip: Last van uitstelgedrag? Dat zit diep verankerd in je hersenen
Meer dan 500 miljoen jaar oud
De tweedeling gaat ver terug in de evolutie. Hetzelfde patroon werd gevonden bij kippen, zebravissen en eikelwormen, kleine zeebodemdieren die een verre gemeenschappelijke voorouder met mensen delen. Kwallen, waarvan de evolutionaire lijn zich ongeveer 600 tot 700 miljoen jaar geleden van die van mensen afsplitste, hebben twee zenuwstelsels aan verschillende uiteinden van hun lichaam.
“Ons onderzoek laat zien dat de evolutie twee bestaande zenuwstelsels heeft genomen en ze ruimtelijk tegen elkaar heeft geschoven”, zegt Loh. “Het brein als één orgaan zou waarschijnlijk efficiënter zijn, maar we moeten het doen met deze oeroude manier om de hersenen als twee afzonderlijke delen te maken.”
Behandeling van ziektes
De ontdekking kan bijvoorbeeld onderzoek naar ziektes als ALS vooruithelpen. Daarbij vallen bepaalde neuronen in de achterhersenen geleidelijk uit, waardoor patiënten uiteindelijk problemen krijgen met slikken en ademhalen. Hersenstamweefsel kan niet bij levende patiënten worden verkregen. Nu deze neuronen in het laboratorium gekweekt kunnen worden, ontstaan nieuwe mogelijkheden om te onderzoeken wat er misgaat.
“Nu hebben we een model om deze verwoestende ziektes beter te begrijpen en toe te werken naar behandelingen ervoor”, zegt Jokhai. “Dit is een heel opwindende nieuwe stap in het hersenonderzoek.”
Wil je niets van Scientias missen? Volg Scientias op Google Discover dan zie je al onze verhalen!
Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast:
