Een doorsnede van het menselijk brein. AP2003

Waarom is ons brein zo groot?

Ons brein is een uniek orgaan, maar hoe komt het dat net onze soort over zo’n sterk ontwikkeld stel hersenen beschikt? Een Belgisch onderzoeksteam is via een zoektocht in het menselijke DNA het antwoord op het spoor. In een nieuwe studie melden de wetenschappers dat de unieke eigenschappen van het menselijke brein zich hebben kunnen ontwikkelen dankzij nieuwe genen die heel recent in de evolutie van onze soort ontstaan zijn, en die enkel bij de mens te vinden zijn.

Tijdens het laatste miljoen jaren van de evolutie van onze voorouders de mensapen, was er een enorme toename in zowel de grootte als de complexiteit van onze hersenen. Die spectaculaire groei kan vooral toegeschreven worden aan een groter aantal zenuwcellen in de hersenschors, de buitenste laag van ons brein. 

Als men rekening houdt met de verhouding tussen de lichaamsmassa en die van de hersenen, zijn onze hersenen dubbel zo groot als die van een tuimelaar, en drie keer zo groot als die van een chimpansee. 

Aangezien ons DNA voor 99 procent identiek is aan dat van de chimpansee, is het zoeken naar de kleine stukjes unieke genetische informatie die enkel terug te vinden zijn bij de mens. Daar moet de sleutel te vinden zijn voor de uitzonderlijke ontwikkeling van het menselijke brein.

De hersenen van een mens (bovenaan) en van een chimpansee. Het maatstreepje is 1 cm. Foto: Todd Preuss, Yerkes Primate Research Center/Wikimedia Commons

Verdubbeling van genen

Nieuwe genen kunnen ontstaan door duplicatie: een bestaand gen krijgt een kopie, verdubbelt, en de kopie wijzigt door mutaties lichtjes naar een gelijkaardig, zogenoemd “paraloog” gen. Op die manier kunnen soorten evolueren.

Een voorbeeld hiervan is het kleurenzicht bij de Zuid-Amerikaanse brulapen. Kleurenzicht ontstaat door kegeltjes in het oog die gevoelig zijn voor verschillende golflengten van het licht, voor verschillende kleuren dus. Mensen en de apen uit de Oude Wereld - Afrika en Azië - hebben drie verschillende kegeltjes, voor korte, middellange en lange golflengten. Bij bijna alle apen van de Nieuwe Wereld hebben de mannetjes en 40 procent van de vrouwtjes slechts twee kegeltjes.

Een uitzondering hierop zijn de brulapen, bij wie zowel de mannetjes als de vrouwtjes drie kegeltjes hebben. Dat komt door een tamelijke recente verdubbeling van het gen dat codeert voor een kegeltje, waarna die kopie gemuteerd is, en gaan coderen is voor het andere, derde kegeltje. Die mutatie was gunstig voor de brulapen, die voornamelijk bladeren eten, en die aan de kleur van het bald kunnen zien welke bladeren jong, voedzaam en makkelijker te verteren zijn, en dus heeft de mutatie zich verspreid onder de populatie.

Het Belgische onderzoeksteam  van professor Pierre Vanderhaeghen (ULB, VIB-KU Leuven) was vooral geïnteresseerd in verdubbelingen die enkel terug te vinden zijn bij de mens.

“Ontwikkelingsbiologen bestuderen evolutionaire verschillen meestal op basis van hoe bepaalde genen worden ingezet, en niet zozeer de aanwezigheid van genen zelf, aangezien we het overgrote deel van onze genen delen met zelfs heel simpele diersoorten zoals de worm. Maar een genverdubbeling kan zorgen voor een relatief snelle evolutie van unieke menselijke eigenschappen, zoals een grotere hersenschors”, zo zei professor Vanderhaeghen in een mededeling van VIB-KU Leuven. 

De schedels en het gewicht van de hersenen van - van boven naar beneden - een mens, een chimpansee, een orang-oetan en een makaak. (Foto: Christopher Walsh, Harvard Medical School/Wikimedia Commons)

Nieuwe genen moeilijk te onderscheiden van originele

Er zijn al tientallen genen ontdekt die uniek zijn voor de mens, maar voor het merendeel daarvan is niet duidelijk welke rol ze spelen. Vaak wordt aangenomen dat die dubbels geen functie hebben en dus overtollig zijn. Het is bovendien een hele speurtocht om de specifieke veranderingen te vinden die de ontwikkeling van de hersenen bij de mens kunnen verklaren.

Ikuo Suzuki, postdoctoraalonderzoeker in het laboratorium van Vanderhaeghen, legt uit waarom: “Eén van de grootste moeilijkheden is om deze nieuwe genen te onderscheiden van de originelen, want ze lijken uiteraard enorm op elkaar. Daarom moesten we op maat te werk gaan voor onze analyse. Op die manier konden we meer dan 30 dubbels ontdekken die een rol spelen in de ontwikkeling van de hersenschors bij mensen.”

Eén van de genfamilies die de onderzoekers aantroffen was NOTCH2NL, een aantal - een cluster - paralogen van de zogenaamde Notch 2 receptor. Notch is een signaalmolecule die de ontwikkeling, groei en specialisatie van allerlei cellen reguleert, ook van cellen in de hersenen. De wetenschappers stelden vast dat de NOTCH2NL-genen de groei van stamcellen in de hersenschors stimuleerden, wat leidde tot meer hersencellen.

“Aangezien de signaalfunctie van Notch zo cruciaal is voor de hersenontwikkeling, wilden we testen of de uniek menselijke NOTCH2NL- genen effectief de grootte van onze hersenen beïnvloeden. Het is ongelooflijk fascinerend dat deze genen, die nog maar heel recent in onze evolutie ontstonden, toch inspelen op een van de oudste signalisatiemechanismen dat terug te vinden is bij alle dieren”, zei Vanderhaeghen in de persmededeling.

De schedels van een neanderthaler (vooraan), een primitievere Homo erectus (midden) en de "mensaap" Australopithecus africanus. (Foto: Nicolas Guérin/Wikimedia Commons)

Aandoeningen die de hersengrootte beïnvloeden

De NOTCH2NL paralogen bevinden zich op het eerste chromosoom van ons DNA, in een regio die eerder al gelinkt werd aan aandoeningen die de hersengrootte aantasten. “Meer of net minder DNA in deze regio kan leiden tot macro- of microcefalie (over- of onderontwikkeling van de hersenen), en tot autisme of schizofrenie. Daarom wilden we weten of ook die afwijkingen verband houden met de NOTCH2NL genen”, zei Ikuo Suzuki.

Het antwoord op die vraag kwam van een groep Amerikaanse wetenschappers onder leiding van David Haussler (UC Santa Cruz en het Howard Hughes Medical Institute). Zij analyseerden het DNA van patiënten met micro- of macrocefalie en vonden ontbrekende genen en verdubbelingen op precies dezelfde plaats.

“Beide resultaten wijzen erop dat een select aantal genetische dubbels die specifiek voorkomen bij de mens, een grote impact hebben op onze hersenontwikkeling en evolutie: hoe minder exemplaren van NOTCH2NL, hoe kleiner de hersenen, en hoe meer exemplaren, hoe groter ”, zo zei Vanderhaeghen.

Maar er zijn nog heel wat unieke genen in kaart te brengen volgens Vanderhaeghen: “In dezelfde DNA-regio vinden we nog andere genen terug die uniek zijn voor de mens. Voorlopig hebben we geen idee welke rol ze spelen. Het zou goed kunnen dat zij instaan voor nog andere aspecten van onze hersenontwikkeling.”

Het onderzoek is gepubliceerd in het gerenomeerde vakblad "Cell". 

Het werd verwezenlijkt dankzij ondersteuning van de European Research Council (ERC Adv Grant GENDEVOCORTEX), het FRS/FNRS, de Queen Elizabeth Medical Foundation, het Interuniversity Attraction Poles Program (IUAP), het Waalse WELBIO programma, het AXA Research Fund, de Fondation ULB, het ERA-net 'Microkin', VIB, en EMBO.