Over dendrieten en somas: waar ligt de rekenkracht van ons brein?

Als wetenschapper loop je soms tegen nieuwe bevindingen aan die je basisovertuigingen op hun grondvesten doen schudden. Zulke bevindingen overdonderen je eerst, maar beïnvloeden later je kritisch denken en ze herinneren je eraan dat je in de wereld van wetenschap nooit blind van iets moet uitgaan. Nee, nooit!

Het huidige beeld van een atoom, al is
zelfs dit beeld niet onomstreden.
Afbeeldingen van hier.

Atomen versus neuronen

Neem het atoom. Ooit geloofde men dat dit een enkel solide bolletje was, maar we weten nu dat dit kleine bouwsteentje uit verschillende deeltjes bestaat en het lijkt er voorlopig nog niet op alsof natuurkundigen al klaar zijn met tellen. Een vergelijkbare ontdekking, maar dan in de neurowetenschap, is laatst gepubliceerd in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Nature. De bevindingen die beschreven worden in dit artikel betwijfelen een wijdverbreide en inmiddels vastgeroeste aanname binnen de neurowetenschap door voor te stellen dat het brein een grotere rekenkracht heeft dan altijd werd aangenomen. Deze rekenkracht bevindt zich voornamelijk in de bouwsteentjes van ons brein: de neuronen.

Als je dit kan lezen, dan ben je zeer waarschijnlijk de eigenaar van een brein dat ongeveer honderd miljard neuronen telt. Elk van deze minuscule neuronen is een rekeneenheid wiens simpele functie het is om continu te berekenen wat voor informatie het zal geven gebaseerd op inkomende informatie van omliggende cellen. Ongeveer net als een computer met een internetconnectie, ontvangen en versturen neuronen continu informatie door gebruik te maken van electrische signalen. Deze signalen komen het cellichaam (of de soma) binnen via de dendrieten, uitlopers die verbindingen vormen met honderden of zelfs duizenden omliggende neuronen en die informatie vanuit deze cellen opvangen. Tot nu toe werd de rekenkracht nodig om deze informatiesignalen te kunnen verwerken puur en alleen toegeschreven aan de soma. Neem elk tekstboek over neurowetenschap en het zal je vertellen dat de magie plaatsvindt in de soma. Logisch, want de dendrieten zijn maar simpele draadjes die passief signalen doorsturen. Toch?

Een neuron met zijn verschillende onderdelen. Informatie van andere
neuronen komt binnen via de dendrieten en wordt getransporteerd via
de soma naar het axon, waar de informatie weer doorgegeven wordt aan
verbonden neuronen. Plaatje van hier. 

In dit plaatje zie je een dendriet die gemeten wordt door
middel van two-photon microscoop. Plaatje komt uit het
artikel.

Sterke microscoop

Neurowetenschappers van verschillende Britse en Amerikaanse universiteiten hebben besloten dit wijdverbreide feit verder te onderzoeken door beter te gaan kijken naar hoe deze electrische signalen zich precies door de dendrieten voortbewegen, zelfs al dacht iedereen dat dit niet de moeite waard was. De wetenschappers hebben hiervoor een heel erg sterke microscoop (een "two-photon microscoop") gebruikt om electrische signalen te kunnen meten die zich door deze dendrieten verplaatsen. Geen makkelijke taak, omdat het met deze techniek onmogelijk is te zien waar in de cel je eigenlijk aan het meten bent, totdat je de signalen hebt geanalyseerd, het goede oude naald in een hooiberg probleem dus. Desondanks waren de wetenschappers succesvol en vonden ze dat de simpele draadjes hypothese voorbarig was. Volgens hun metingen leken dendrieten juist in staat om berekeningen uit te voeren en "beslissingen" te kunnen maken op basis van de informatie die ze voortdragen. Zo kunnen ze waarschijnlijk de soma helpen om deze informatie beter te begrijpen en te integreren met informatie uit andere dendrieten.

Cogito ergo sum?

In dit experiment werd deze rekenkracht specifiek gevonden in dendrieten van neuronen in de visuele hersengebieden van muizen, maar volgens de onderzoekers is het heel goed mogelijk dat dendrieten in het hele brein dit soort berekeningen uitvoeren, ook in mensen. Deze bevindingen zijn dus niet alleen een hele goede reden om neurowetenschappelijke tekstboeken te herschrijven en uit te breiden, ze suggereren ook dat onze neuronen veel meer berekeningen kunnen uitvoeren dat we altijd dachten. Net als de wereldschokkende vinding dat atomen niet solide bolletjes waren, is deze observatie naar mijn bescheiden mening een revolutionaire wetenschappelijke bevinding die de manier waarop we denken dat we denken voor altijd zal veranderen!

Je dagelijkse portie nieuwe hersencelletjes

Je merkt er niks van, maar elke dag maak je nieuwe cellen aan in je lichaam. Overal, behalve in je brein. Tenminste, dat hebben wetenschappers heel lang gedacht, omdat hersencellen (neuronen) niet kunnen delen zoals de meeste andere cellen in ons lichaam. De neuronen die aanwezig zijn in je brein tijdens je geboorte waren dus de cellen waar je het mee zou moeten doen gedurende je hele leven. Sterker nog: de aantallen neuronen in je brein bleken zelfs sterk af te nemen tijdens je leven. Moeten we deze cellen dan niet zoveel mogelijk koesteren zolang we ze nog hebben? Of is er iets anders aan de hand?

Neurogenese

Cellen in de dentate gyrus, een deel van de hippocampus
waar nieuwe cellen zich nestelen. Alle cellen hebben een
andere kleur gekregen, waardoor duidelijk is te zien hoe ze
liggen (foto van hier).

In de jaren '80 kwam er een einde aan dit fatalistische idee van alleen maar afnemende aantallen neuronen toen er herhaaldelijk werd aangetoond dat neuronen weliswaar niet kunnen delen, maar wel geboren kunnen worden tijdens je leven (dit wordt ook wel neurogenese genoemd). Dit neurogenese proces was een erg belangrijke bevinding, aangezien de meeste hersenmodellen tot dan toe ervan uit gingen dat de hersenen een gesloten netwerk waren waarin zich geen nieuwe cellen konden nestelen. Sindsdien weten neurowetenschappers dat ze rekening moeten houden met de integratie van nieuwe cellen in specifieke hersengebieden, voornamelijk in de hippocampus, een gebied belangrijk voor het opslaan en terughalen van herinneringen.

In dieren is neurogenese duidelijk aangetoond, maar in mensen is dit een ander verhaal, omdat de standaard methoden die gebruikt worden om neurogenese aan te tonen niet gebruikt mogen worden in mensen. Tot nog toe waren wel er een aantal omstreden experimenten die meenden neurogenese aan te tonen in de menselijke hippocampus, maar veel neurowetenschappers waren erg sceptisch over de technieken die gebruikt werden. Een nieuw experiment, recentelijk gepubliceerd in Cell door een groep Zweedse onderzoekers brengt hier verandering in door een opzienbarende techniek te gebruiken, of eigenlijk te stelen uit de geologie.

Koolstofdatering

Overzicht van het gebruik van koolstofdatering in dit
experiment, uit het artikel zelf.

Om te bepalen hoe oud gesteente is wordt koolstofdatering gebruikt. Bij deze methode wordt het verval van radioactief koolstof, dat in kleine hoeveelheden aanwezig is in gesteente, gebruikt om de leeftijd van het gesteente te bepalen. Mensen krijgen dit radioactief koolstof ook tot zich door hun voeding en dit koolstof is vervolgens specifiek terug te vinden in het DNA van cellen die nieuw geboren worden of zich delen. Dit feit op zich is niet genoeg voor het testen van neurogenese in mensen, aangezien de koolstof-waarden gemiddeld gezien gelijk blijven. De Zweedse onderzoekers maakten echter een extra gedachtestap: in de tijd van de Koude Oorlog was er extra radioactief koolstof in de atmosfeer door alle testen die gedaan werden met kernbommen. Dit zouden ze toch moeten kunnen gebruiken om te kunnen aantonen dat er nieuwe neuronen aan worden gemaakt tijdens ons leven!

Dit ingenieuze inzicht bleek goud waard. De onderzoekers lieten in hun experiment overduidelijk zien dat dat er neuronen met verhoogd radioactief koolstof in de breinen van hun (dode) proefpersonen aanwezig was tijdens de hoogtijdagen van de Koude Oorlog. Deze neuronen waren specifiek gevestigd in de hippocampus en waren ontstaan tijdens het leven van de proefpersonen. De onderzoekers gaven zelfs een schatting van de geboorte van zo'n 1400 nieuwe neuronen per dag die ook overleven tot de dood, een veel groter aantal dan altijd gedacht en dan eerder gevonden was bij dieren.

                    Wat hebben we aan al deze celletjes?

Over de functie van neurogenese zijn al erg veel (voorzichtige) speculaties gedaan, speculaties die jammer genoeg nog uitgebreider onderzocht moeten worden voordat we kunnen zeggen of ze kloppen. Aangezien de nieuwe neuronen zich specifiek vestigen in de hippocampus lijkt het dat neurogenese belangrijk is voor het aanmaken van nieuwe herinneringen, maar wat de eenmaal geinstalleerde neuronen specifiek doen en hoe dit iets toevoegt aan de functie van de bestaande neuronen is nog grotendeels onbekend. Bij ratten blijkt neurogenese ook afhankelijk van externe factoren zoals nieuwe ervaringen en beweging, dus de kans is er dat dit soort factoren bij mensen ook effect heeft op de aantallen nieuwe neuronen die zich definitief nestelen in je hippocampus. Wil je dus optimaal gebruik maken van je dagelijkste portie nieuwe celletjes dan zou ik je aanraden om eens iets totaal nieuws te doen of de sportschool weer eens op te zoeken (of allebei natuurlijk).