Hersenen blijken twee organen: doorbraakstudie kan behandeling van dodelijke ziekten radicaal veranderen

De volgende keer dat je diep nadenkt, bedenk dan dat je eigenlijk met je hersenen aan het tobben bent.

Ja, dat lees je goed — het is meervoud.

Onderzoekers van Stanford University hebben namelijk ontdekt dat het menselijke brein niet uit één maar uit twee afzonderlijke organen bestaat. Die vondst kan grote consequenties hebben voor onderzoek naar behandelingen van ernstige aandoeningen zoals ALS.

In een studie die vandaag in het wetenschappelijke tijdschrift Nature verscheen, tonen de wetenschappers aan dat het brein feitelijk bestaat uit twee verschillende zenuwstelsels die zich elk onafhankelijk ontwikkelen.

Er is allereerst een primitief deel dat men de achterhersenen noemt. Daarnaast bestaan er de voorhersenen en middenhersenen, die verantwoordelijk zijn voor hogere cognitieve functies en veel van de eigenschappen die ons menselijk maken — van het schrijven van poëzie en het oplossen van wiskunde tot het nadenken over waar we vandaan komen.

Dankzij deze ontdekking slaagden de onderzoekers er voor het eerst in een belangrijk type hersencel in het laboratorium te kweken.

Die doorbraak kan een hiaat dichten dat het onderzoek naar spinale musculaire atrofie (SMA), amyotrofische laterale sclerose (ALS of de ziekte van Lou Gehrig) en andere verwoestende aandoeningen van de hersenstam heeft belemmerd. Het opent mogelijk nieuwe wegen om te begrijpen wat er misgaat bij deze ziekten.

“We hebben voor het eerst aangetoond dat het voorste deel van de hersenen ontstaat uit een totaal ander voorloperceltype dan het achterste deel,” zei Kyle Loh, hoofdauteur en universitair hoofddocent ontwikkelingsbiologie.

“Onze ontdekking betekent dat we nu neuronen uit het achterste deel van de hersenen, de hindbrain, in een petrischaaltje kunnen laten groeien en hun functies kunnen bestuderen.”

De twee ontwikkelingsroutes van het brein

Het volwassen brein bestaat uit drie hoofdregio’s.

De voorhersenen sturen complexe denkprocessen aan, zoals taal, gewaarzijn en abstracte redenering. De middenhersenen regelen functies als zicht en gehoor, bewegingscontrole, waakzaamheid en pijnverwerking.

Aan de achterkant van de schedel neemt de hindbrain — vaak aangeduid als de hersenstam — de levensbelangrijke basistaken voor zijn rekening: ademhaling, hartslag, slikken, vertering en elementaire bewegingscoördinatie.

Bij zowel SMA als ALS houden specifieke neuronen in de hindbrain geleidelijk op met functioneren, waardoor patiënten hun slikvermogen verliezen en uiteindelijk ademhalingsproblemen krijgen.

Jarenlang hadden wetenschappers moeite om hindbrain-neuronen in het laboratorium te laten groeien, omdat men er lang vanuit ging dat alle delen van het brein uit één gemeenschappelijke bron ontstaan.

Door de allervroegste stadia van de embryonale ontwikkeling bij muizen te bestuderen, ontdekten de onderzoekers dat de hindbrain een afzonderlijk ontwikkelingspad volgt. In plaats van voort te vloeien uit de voor- en middenhersenen ontwikkelt het zich parallel aan die regio’s.

Ze identificeerden twee soorten voorlopercellen in het brein: één groep die het gen Otx2 tot expressie brengt en uitgroeit tot de voor- en middenhersenen, en een andere groep waarin het gen Gbx2 actief is en die het achterste deel — de hindbrain — vormt. Die twee cellijnen overlappen elkaar niet, zelfs niet in de vroegste ontwikkelingsfasen.

“Eerdere pogingen om hindbrain-neuronen te maken probeerden waarschijnlijk om voorlopercellen van voor- en middenhersenen om te zetten naar hindbrain-cellen, wat volgens onze studie niet mogelijk is,” aldus promovendus Rayyan Jokhai.

De uitkomst suggereert dat decennia van frustratie in dit onderzoeksgebied voortkwamen uit pogingen om één type voorlopercel te dwingen iets te worden wat hij van nature niet kan zijn.

Een nieuwe manier om dodelijke hersenziekten te bestuderen

Op basis van deze inzichten waren de onderzoekers in staat om — voor het eerst — functionele motorneuronen uit de hindbrain in het laboratorium te kweken.

De in vitro gekweekte neuronen vertoonden de essentiële kenmerken van echte hindbrain-cellen, waardoor er nieuwe mogelijkheden ontstaan om behandelingen voor SMA, ALS en andere aandoeningen die de hersenstam aantasten te onderzoeken.

“Nu hebben we een model waarmee we deze verwoestende ziekten beter kunnen doorgronden en kunnen werken aan regeneratieve therapieën,” zei Jokhai. “Dit is een buitengewoon opwindende nieuwe grens in hersenonderzoek.”

De onderzoekers konden dit tweedelige ontstaan van het brein terugvoeren tot meer dan 550 miljoen jaar in de evolutionaire geschiedenis. Ze vonden eenzelfde patroon bij kippen en zebravissen, maar ook bij eikhorenslakken en kwallen — zeer verre gemeenschappelijke voorouders van de mens.

“Ik was verrast door onze bevindingen, want het woord ‘brein’ wekt de indruk van één doorlopend orgaan met een enkele oorsprong,” zei Jokhai.

“Maar zelfs 500 miljoen jaar geleden bestonden er al twee afzonderlijke neurale systemen, die nu vrijwel als één functioneren — en dat is bijzonder fascinerend.”