Het meeste hersenonderzoek wordt gedaan naar elektrische breincellen. Maar de niet-elektrische breincellen zouden juist kunnen verklaren waarom wij slimmer zijn dan andere soorten. Deze stervormige cellen zijn lang ondergewaardeerd. Dat komt omdat zij onderling met chemische signaaltjes communiceren. En die zijn moeilijker te meten. Josien Visser blogt over ons brein en slim zijn.
Albert Einstein geldt als een van de slimste mensen die ooit leefde. Niet gek dus dat vele neurowetenschappers graag een kijkje in zijn hersenen wilden nemen om te ontdekken waar zijn hoge intelligentie vandaan kwam. Het genie overleed op 18 april 1955. Einstein wilde graag gecremeerd worden, maar de patholoog Thomas Harvey dacht daar anders over. Toen hij de autopsie uitvoerde, haalde Harvey het brein eruit en stopte deze in een pot met formaldehyde. Door deze stof kunnen we het brein lang bewaren. De patholoog sneed het brein in plakjes en stuurde die naar verschillende hersenwetenschappers.
Meer en grotere stervormige cellen
Lange tijd vonden onderzoekers niks bijzonders aan Einsteins hersenen. Het brein had een gemiddeld gewicht en grootte. Ook had de wetenschapper een normaal aantal elektrische neuronen. Neuronen werden toen, en nu nog steeds, gezien als de belangrijkste breincellen. Ze zijn bijvoorbeeld verantwoordelijk voor je geheugen.
Neuron (Bron: Pixabay)
In de jaren tachtig bemachtigde neurowetenschapper Marian Diamond van de University of California een stukje Einsteinbrein. Diamond besloot om naar de niet-elektrische gliacellen te tellen. Glia betekent lijm in het Grieks. Deze groep van verschillende celtypen is zo genoemd, omdat onderzoekers lange tijd dachten dat ze alleen opvulling waren.
Tot haar grote verbazing bleek dat Einstein inderdaad meer van dit celtype had. Dit was onverwacht. Vele wetenschappers dachten dat niet-elektrische cellen onmogelijk bij informatieverwerking betrokken kunnen zijn. Toen ze namelijk ontdekten dat neuronen elektrische signalen versturen, dachten de onderzoekers dat deze cellen zo met elkaar communiceren om onze gedachten te vormen. Daardoor kwam het onderzoek naar andere breincellen op een lager pitje te staan.
Daarnaast ontdekte Jorge Colombo van de Centre for Medical Education and Clinical Research in Argentinië in 2006 dat Einstein niet alleen meer van een bepaalde glia-celtype had, maar dat deze stervormige cellen, de zogenoemde astrocyten, ook groter waren en complexer van vorm dan die van personen van dezelfde leeftijd.
Astrocyte (Bron: Wikipedia Commons)
Meer communicatiestofjes
De studies naar het brein van Einstein zijn slechts observaties. De wetenschappers hebben de verschillen in astrocyten gevonden, maar kunnen onmogelijk bewijzen dat Einstein daardoor zo slim was. Toch zijn steeds meer onderzoekers ervan overtuigd dat astrocyten kunnen bijdragen aan onze intelligentie. Hoe? Daarvoor moeten we eerst weer kijken naar de elektrische diva’s: de neuronen.
Wanneer je iets nieuws leert of iets wilt onthouden, dan vuren je neuronen elektrische signaaltjes af. Dit elektrische signaaltje reist naar het einde van het neuron waar het eindigt in een synaps. Een synaps is de plek waar twee neuronen samenkomen. Door het elektrische signaaltje komen chemische communicatiestofjes vrij. Het andere neuron heeft een soort voelsprieten voor deze stofjes. Als deze cel die stofjes voelt, zal hij meer voelsprieten aanmaken. Daardoor detecteert hij ook kleinere concentraties communicatiestoffen en wordt de verbinding tussen de twee neuronen sterker.
Wetenschappers denken dat dit het mechanisme is bij leren en geheugen. Neuronen zijn actiever wanneer er astrocyten in de buurt zijn. Astrocyten zitten vaak om de synapsen heen en kunnen dezelfde communicatiestoffen als de neuronen zelf uitscheiden. Hierdoor wordt de verbinding tussen twee neuronen nog sterker. In 2015 ontwikkelden onderzoekers van het Salk Institute een muis waarbij ze het vermogen van astrocyten om deze stoffen uit te scheiden, konden uitzetten. De muisjes kregen inderdaad een minder goed geheugen vergeleken met de situatie waarin de astrocyten wel goed werkten.
Hieruit blijkt dus dat niet we niet alleen neuronen moeten onderzoeken. Door te erkennen dat het brein uit vele verschillende soorten cellen bestaat, kunnen we nieuwe inzichten krijgen in cognitieve processen en proberen de mysteries van het brein te ontrafelen.
Als de sterren van het brein zo’n rol spelen in cognitieve processen, waarom weten we er dan nog zo weinig over? Dit komt omdat tot 20 jaar geleden we nog niet wisten dat astrocyten met elkaar konden communiceren. Laat staan hoe ze dat doen. Daarom dachten veel wetenschappers dat die cellen passief zijn. Astrocyten stonden vooral bekend als opvulling en schoonmaakdienst. Ze ruimen de afvalstoffen op van de neuronen. In de afgelopen twee decennia zijn onderzoekers erachter gekomen dat astrocyten onderling niet met elektriciteit communiceren, maar met calcium.
Dit werkt als volgt. Op verschillende plekken in de cel zit calcium opgeslagen. Als een astrocyt actief is, komt die calcium vrij. Astrocyten zijn onderling verbonden met kanaaltjes waar de calcium doorheen kan. Zo weten omliggende stervormige cellen dat deze cel actief is. Vervolgens kunnen die ook calcium vrijmaken. Daarnaast laat een astrocyt met vrij calcium, net als neuronen, chemische communicatiestofjes los. Hierdoor kunnen ook cellen die niet met zo’n kanaaltje zijn verbonden, op de actieve cel reageren.
Dit is pas laat ontdekt. Calciumgolven zijn moeilijker te meten dan elektrische signalen. Elektrische signalen kunnen we meten door een elektrode in een stukje hersens te steken. Om calciumsignalen te meten, moet de wetenschapper die eerst lichtgevend maken. Vervolgens is er een speciale microscoop nodig om ze te kunnen zien. Sinds de ontdekking van het visualiseren van calcium in cellen, laten steeds meer onderzoeken zien dat deze stervormige cellen essentieel zijn voor bijvoorbeeld het vormen van geheugen.
Evolutie: klein naar groot
Astrocyten in de menselijke variant zijn enorm vergeleken met die van andere zoogdieren. Mensen zien zichzelf vaak als de soort met de hoogste intelligentie. Wetenschappers willen maar al te graag weten waarom wij zo slim zijn vergeleken met andere dieren. Doordat hersenonderzoek lange tijd voornamelijk was gericht op neuronen, is de oorzaak in die hoek gezocht. Toch verklaart het aantal neuronen in het brein en de vorm van deze cellen onze intelligentie niet. Maar door de astrocyten van verschillende diersoorten met elkaar te vergelijken, zagen wetenschappers dat die cellen groter zijn en in aantal toenemen als je hoger komt op de evolutionaire ladder.
Muis slimmer door menselijke astrocyten
Om te bestuderen of menselijke astrocyten een andere soort slimmer kan maken, transplanteerden onderzoekers deze cellen in de hersenen van pasgeboren muisjes. Verrassend genoeg verdrongen de menselijke cellen de eigen astrocyten van de muizen. Uit verschillende geheugentestjes bleken deze muizen een beter geheugen te hebben dan hun ‘normale’ soortgenoten. Ze werden slim. Onder de microscoop zagen de wetenschappers ook dat de calciumsignalen in de menselijke cellen drie keer zo snel gingen.
Dit onderzoek laat prachtig laat zien dat menselijke astrocyten een soort slimmer kunnen maken. Maar we kunnen nog niet zeggen of die onze intelligentie verklaren. Een muis is een heel ander wezen dan een mens. De stervormige cellen zouden zich heel anders kunnen gedragen dan in hun vertrouwde menselijke brein.
Door te onderzoeken hoe het gezonde brein werkt, kunnen we ook beter achterhalen wat er gebeurt als de hersenen niet optimaal functioneren. Als je astrocyten niet naar behoren werken, kunnen ziektes als Alzheimer en epilepsie ontstaan. Door onderzoek naar astrocyten in plaats van naar neuronen, hopen onderzoekers hiervoor nieuwe behandelingsmethoden te ontwikkelen.
Bronnen:
* Colombo, J.A., et al., 2006. Cerebral cortex astroglia and the brain of a genius: A propos of A. Einstein’s. Brain Research Reviews
* Han, X. et al., 2013. Forebrain engraftment by human glial progenitor cells enhances synaptic plasticity and learning in adult mice. Cell Stem Cell
* Lee, H. et al., 2014. Astrocytes contribute to gamma oscillations and recognition memory. proceedings of the national academy of sciences of the united states of america
* Oberheim, N., Wang, X., Goldman, S. & Nedergaard, M., 2006. Astrocytic complexity distinguishes the human brain. TRENDS in Neurosciences
