De onwaarschijnlijke theorie van het neuraal Darwinisme

Neural Darwinism: The Theory of Neuronal Group Selection. Door Gerald M. Edelman. Basic Books, New York 1987. 371 pagina's, $ 29.95.

Het menselijk brein telt ruim tien miljard zenuwcellen of neuronen. Onderlinge verbindingen kunnen volgens allerlei patronen tot stand worden gebracht en ook weer worden afgebroken. Over dit mechanisme is nog erg weinig bekend. Voor de biochemicus Gerald Edelman staat vast dat zich in de hersenen Darwinistische processen afspelen waarbij groepen hersencvellen elkaar beconcurreren. Het boek dat hij hierover schreef, 'Neural Darwinism', is evenwel fel bekritiseerd door neurofysiologen die denken dat de hersenen zich in onderlinge harmonie aanpassen aan prikkels van de buitenwereld. Volgens Darwin zal het nageslacht dat zich het best aanpast aan de eisen die de omgeving stelt overleven. Een dergelijk selectieversterkingsproces is volgens Edelman ook van toepassing op de hersenen. Groepen zenuwcellen zijn in staat bepaalde prikkels te herkennen. Onderling vormen de groepen netwerken. De vorming van deze netwerken en hun verbindingen zouden genetisch zijn vastgelegd. Maar dat is slechts de uitgangssituatie. Edelman zegt dat belangrijke prikkels in de hersenen een soort kettingreactie op gang brengen: andere groepen cellen worden via nieuwe verbindingen zodanig versterkt dat ze deze prikkels ook leren herkennen. Cellen die niet aan dit proces deelnemen zullen uiteindelijk verzwakken. Een structuur wordt dus versterkt door selectie en selectievesterkingsprocessen komen meer voor in het lichaam.

Edelman noemt zelf het immuunsysteem. Als een virus (een antigeen) ons lichaam binnendringt, zal het afweersysteem antilichamen produceren. Deze eiwitten binden zich aan het antigeen om verdere verspreiding van het virus te voorkomen. Het lichaam beschikt als het ware over een heel 'repertoire' van dergelijke eiwitten. Zodra het antigeen is herkend, wordt het bijpassende antilichaam is grote hoeveelheden bijgemaakt. EDELMANISME Niet iedereen kan zich vinden in Edelman's ideeen. Francis Crick, de ontdekker van de ruimtelijke structuur van DNA, betitelde zijn theorie in het tijdschrift Trends in Neuroscience als 'Neural Edelmanism'. ''Edelman heeft met zijn theorie de mens zijn laatste waardigheid ontnomen'', lacht Michael Corner, een bij het Nederlandse Instituut voor Hersenonderzoek werkzame neurofysioloog, die Edelman nog uit zijn studententijd kent. ''Sinds Descartes hebben zelfs wetenschappers gedacht dat er iets immaterieels moet zijn dat lichaam en gedrag controleert. Een geest of wil. De menselijke geest was eigenlijk de enig overgebleven goddelijke bijdrage aan de geschiedenis van het leven. Edelman stelt nu dat de functionele anatomie en de chemie van de hersenen voor een belangrijk deel worden gestuurd door prikkels uit onze omgeving, waarmee het hele concept van de vrije wil definitief in rook opgaat. In feite bevestigt hij Darwin's stelling dat het menselijk bestaan niet het gevolg is van enige voorbeschikking in de richting van hogere dingen, maar van selectieve processen.'' Prof. Joachim R. Wolff van het Instituut voor Anatomie van de Universiteit van Gottingen wijst Edelman's hypothese ronduit af.

''Het idee dat de hersenen door een Darwinistisch mechanisme worden gereguleerd is absoluut verkeerd'', zegt hij. ''Het is zelfs nog maar de vraag of we het Darwinisme wel goed begrijpen.'' Tot in de jaren zeventig dachten neurofysiologen dat de postnatale groei van de hersenen werd gekenmerkt door een geleidelijke toename van het aantal uitlopers van de neuronen (de zogenaamde axonen en dendrieten). In bepaalde delen van de hersenen van proefdieren bleek het aantal verbindingen echter ook weer af te nemen. Eerst dacht men dat dit het gevolg was van overproduktie. Kennelijk werd het teveel aan verbindingen opgeruimd. Niemand begreep evenwel waarom overproduktie slechts in bepaalde delen van de hersenen werd waargenomen. INTERNE AFBRAAK Inmiddels zijn neurofysiologen het er over eens dat de hersenen beschikken over de eigenschap verbindingen en zenuwcellen die geen duidelijke functie meer hebben af te breken of te herstructureren ('neuroplasticiteit'). In Gottingen heeft men ontdekt hoe dat in zijn werk gaat. Wolff: ''De cellen eten zichzelf van binnenuit op. Ze worden daarbij geholpen door de gliacellen, die belast zijn met de energiehuishouding. Hetzelfde gebeurt ook in lever- en spiercellen. Bij topsporters die stoppen met training verdwijnen na enige tijd de spiercellen die niet meer gebruikt worden. We noemen dat autofagie.'' Celafbraak is echter niet zonder gevaar. Wolff: ''Vooral voor de hersenen is van belang dat het opruimmechanisme onder geen beding de functie in gevaar mag gebrengen. Voor de hersenen is stabiliteit van levensbelang.'' Die stabiliteit (homeostase) wordt volgens Wolff bereikt door binnenkomende prikkels af te zwakken in zogenaamde terugkoppelcircuits (verbindingen die met de hoofdleidingen een soort 'loop' vormen). Voor prikkels die in eerste instantie niet worden herkend, worden nieuwe circuits aangelegd. Op deze manier krijgen de hersenen controle over alle binnenkomende prikkels.

Wolff: ''Misschien is dit wel het mechanisme waardoor we kunnen leren en onthouden.'' Netwerken die geen prikkels meer ontvangen, worden opgeruimd of gemodificeerd. Wolff gelooft dat de neurotransmitter glutamaat hierbij een belangrijke rol speelt. Onder normale omstandigheden zorgt deze boodschapper voor de signaaloverdracht van het presynaptische deel van het neuron (het axonuiteinde) naar het postsynaptische deel van de ontvangende cellen, maar in hoge concentraties kan glutamaat ook een vernietigend effect hebben: mogelijk geven ze dan de cellen de opdracht zich van binnenuit op te eten, maar aangetoond is dit vooralsnog niet. Wolff: ''Als het zo is dat zelfregulerende netwerken stelselmatig worden afgebroken en opgebouwd, begrijpt men ook beter hoe degeneratieve ziekten als die van Alzheimer kunnen ontstaan. In dat geval hebben de hersenen het natuurlijke afbraakproces niet meer onder controle.'' Ziet Wolff het menselijk brein als een geraffineerd monitorsysteem, dat doorlopend controleert of het innerlijke evenwicht niet wordt verstoord en veranderingen aanbrengt als het met nieuwe situaties in aanraking komt, bij Edelman is het de inwerking van de omgeving die de interne structuur van de hersenen zou bepalen. Alleen het basispatroon van de verbindingen ligt volgens Edelman genetisch vast. Groepen cellen zouden binnenkomende prikkels herkennen en opdracht geven tot versterking van reeds bestaande onderlinge verbindingen. Terwijl gunstige variaties bij voortgezette selectie geleidelijk worden versterkt, zullen zwakkere cellen tenslotte worden weggeconcurreerd. DYNAMISCH Oppervlakkig beschouwd lijken de opvattingen van Wolff en Edelman niet zoveel van elkaar te verschillen: ook bij Wolff brengen externe prikkels veranderingen in de structuur van de hersenen aan. Het grote verschil is dat Edelman redeneert vanuit een dynamisch en Wolff vanuit een niet-dynamisch model. Wolff: ''Bij Edelman werken de hersenen niet als een controlesysteem, maar als een soort ontvanger'', zegt hij. ''Binnenkomende signalen zetten een proces in gang, waarbij bestaande verbindingen worden versterkt of verzwakt.

Edelman zegt: de omgeving selecteert. Ik zeg: de hersenen doen dat zelf. Als omgevingsfactoren invloed zouden hebben op de hersenen, zouden dezelfde prikkels bij totaal verschillende mensen precies dezelfde resultaten moeten opleveren. Uit de psychologie is dat tot dusverre niet gebleken.'' Om de hersenen echt te leren begrijpen, zullen we volgens Wolff een aantal concepten anders moeten interpreteren: ''Ik weiger te geloven dat richtlijnen voor de selectie wisselen met de heersende natuurverhoudingen; genetische veranderingen worden niet door de omgeving opgelegd. Het lichaam weet niets van zijn omgeving. Zijn sommige dieren uitgestorven doordat de temperatuur steeg of omdat zij een minder goed verdedigingsmechanisme hadden ontwikkeld dan hun soortgenoten? ''De hersenen zijn niet in staat om binnenkomende signalen op relevantie te selecteren, ze kunnen hooguit bekende van onbekende prikkels onderscheiden. De verbindingen in de hersenen volgen geen logisch parcours. Ze gaan niet recht op hun doel af. Ze gaan links en dan weer rechts, alsof ze telkens zijn weggestuurd, op zoek naar cellen die wel raad weten met hun signalen. We moeten dan ook af van het idee dat we de werking van de hersenen kunnen begrijpen door te kijken naar het ontstaan van de verbindingen. De hamvraag is niet hoe de hersenen verbindingen maken, maar hoe ze in stand worden gehouden.'' Neurofysioloog Michael Corner van het Nederlandse Instituut voor Hersenonderzoek kan zich in geen van de opvattingen vinden: ''Beide onderzoekers koesteren welhaast negentiende eeuwse opvattingen over de hersenen'', zegt hij. ''De een verwijst naar Darwin, de ander gaat uit van het idee van homeostase, dat ook al zo oud is als de weg naar Rome. Ik denk dat de hersenen heel wat gecompliceerder werken dan we vermoeden. Aan de andere kant wil ik hun theorieen ook niet op voorhand afwijzen. Het kan zeer verhelderend zijn om het mechanisme van de hersenen in conceptuele termen te beschrijven.''