Hersens zouden (mede) worden opgebouwd door ‘afstamming’

Hoe bouwt één enkele cel een brein met miljarden nauwkeurig georganiseerde neuronen? Onderzoekers denken dat hersencellen hun afstamming – hun cellulaire stamboom – gebruiken als een soort positionele kaart. Cellen die van dezelfde ‘voorouder’ afstammen, blijven dicht bij elkaar, waardoor de hersens zichzelf kunnen organiseren zonder uitsluitend afhankelijk te zijn van chemische signalen.
Het ontzagwekkende menselijke brein begint als een enkele cel. Na verloop van tijd geeft die ene cel aanleiding tot een buitengewoon complex orgaan dat ongeveer 170 miljard cellen bevat. Een van de grootste vragen in de ontwikkelingsneurowetenschap is hoe al die cellen op de juiste plaatsen terechtkomen om een ​​functionerend brein te vormen.
Onderzoekers denken nu te weten dat het antwoord verrassend eenvoudig kan zijn. “Het enige wat een cel ‘ziet’ is zichzelf en zijn buren,” legt postdoc Stan Kerstjens uit van het Cold Spring Harborlab. “Zijn lot hangt echter af van waar die cel zich bevindt. Een cel op de verkeerde plek wordt het verkeerde en de hersens ontwikkelen zich niet goed. Dus elke cel moet twee vragen beantwoorden: Waar ben ik? En wat moet ik worden?”
In een artikel in Neuron presenteren Kertjens en collega’s een nieuwe theorie die beschrijft hoe de zich ontwikkelende hersenen dit opmerkelijke niveau van organisatie bereiken. Decennialang gingen wetenschappers er in meerderheid van uit dat cellen positionele informatie communiceren via chemische signalen. Volgens Kerstjens werkt die verklaring goed in relatief kleine systemen met een beperkt aantal cellen.
Het zich ontwikkelende brein bevat echter miljarden hersencellen die elk op de juiste locatie moeten aankomen. Omdat chemische signalen verzwakken naarmate ze verder reizen, hebben onderzoekers zich lange tijd afgevraagd hoe cellen diep in een groeiend brein nauwkeurig kunnen bepalen waar ze zich bevinden. De onderzoekers denken nu dat een deel van het antwoord te vinden is in een proces dat lijkt op de manier waarop menselijke populaties zich over generaties verspreiden.

Kerstjens: “Denk aan hoe menselijke populaties zich over een land verspreiden over generaties. Nakomelingen vestigen zich in de buurt van hun ouders, waardoor mensen met dezelfde voorouders in aangrenzende regio’s terechtkomen en grootschalige geografische structuren ontstaan ​​zonder communicatie over lange afstand. Wij stellen dat een soortgelijk principe werkzaam is in het zich ontwikkelende brein. Cellen die afstammen van dezelfde voorouder hebben de neiging om dicht bij elkaar te blijven.”

Model

Om dit idee te onderzoeken ontwikkelden de onderzoekers wat zij beschrijven als een ‘op afstamming gebaseerd model van schaalbare positionele informatie’. Ze gebruikten eerst theoretische berekeningen om te onderzoeken of het concept zou kunnen werken.
Vervolgens onderzochten ze patronen van genexpressie (=genactiviteit) in zich ontwikkelende muizenhersenstjes, waarbij ze zowel individuele cellen als grotere celgroepen bestudeerden. Ten slotte testten ze het model in zebravisjes en vonden vergelijkbare resultaten.
Het lijkt er op dat het mechanisme mogelijk ook werkt in hersens van verschillende groottes, veronderstelden Kerstjens c.s. De onderzoekers denken dat chemische signalering en celafstamming mogelijk samenwerken om positionele informatie te verschaffen tijdens de ontwikkeling.

Hoewel het onderzoek zich richt op de hersens, zegt Kerstjens dat het onderliggende principe van toepassing zou kunnen zijn op veel andere zich ontwikkelende weefsels, waaronder tumoren. De theorie kan ook relevant zijn voor toekomstige zelflerende ki-systemen. Net zoals hersencellen informatie kunnen erven over generaties cellen, zouden toekomstige ki-modellen die informatie van de ene generatie op de volgende kunnen doorgeven, mogelijk op vergelijkbare organisatieprincipes kunnen vertrouwen.

Intelligentie

Misschien wel de belangrijkste implicatie is wat het onderzoek zou kunnen onthullen over intelligentie zelf. Inzicht in hoe een enkele cel zich ontwikkelt tot een zeer georganiseerd brein kan wetenschappers helpen enkele van de grote vragen over geest en intelligentie te beantwoorden.
Kerstjens: “De hersens maken ons op de een of andere manier intelligent. Hoe hebben ze deze capaciteit kunnen opbouwen, niet alleen tijdens hun ontwikkeling, maar ook in de loop van de evolutie? Dit is één stukje van die grote puzzel.”

Bron: Science Daily