Evolutie van het brein tot in de puntjes geregeld

Zebravis, Danio rerio.

Het was niet alleen door een almaar groter wordend brein. Het was vooral door steeds verder geperfectioneerde zenuwcontactpunten dat in de loop van de evolutie hoger functionerende dieren ontstonden. De machinerie van eiwitten die de communicatie tussen zenuwcellen verzorgt, is stap voor stap geoptimaliseerd, volgens de Britse hersenonderzoeker Seth Grant en zijn medewerkers (Nature Neuroscience online, 8 juni 2008).

In de loop van de evolutie is er twee keer een specialistische uitbreiding geweest van de eiwitmachinerie, ontdekten de Britten. Bij de overgang van eencellig naar meercellige organismen en bij de overgang van ongewervelde naar gewervelde dieren.

Van het kleine wormpje C. elegans tot de mens hebben zenuwcellen een vergelijkbare machinerie in hun contactpunten, de zogenoemde synapsen. Die synapsen bestaan uit een zendende zenuwcel, die chemische signalen afgeeft, en een ontvangende zenuwcel, die de signalen verwerkt en zich eraan aanpast. Dat is de basis van leren en dingen onthouden.

Tot nu toe gingen de meeste hersenwetenschappers er van uit dat het ingewikkelder gedrag van hogere dieren vooral tot stand kwam dankzij grotere aantallen synapsen. Maar Grant vond aanwijzingen voor verschillen in de werking van die synapsen. Hoe hoger de diersoort, hoe groter de aantallen eiwitten in de synapsen.

Grant vergeleek een eencellig organisme, gist, met meercellige organismen zonder ruggengraat, zoals bijen en fruitvliegen, en gewervelde organismen, zoals het zebravisje en de mens. Daarbij richtte hij zich op de eiwitmachinerie in de ontvangende zenuwcel, en op de genen daarvan. Van de 651 genen van eiwitten die hij bij gewervelde dieren aantrof, was maar ongeveer de helft terug te vinden bij de ongewervelde, en nog geen kwart in gist.

Een gistcel is te beschouwen als een voorloper van de ontvangende zenuwcel, schrijven de onderzoekers. Gist reageert op signalen uit de omgeving, zoals een verandering van voedingsbodem, en past zich daaraan aan. Daarvoor gebruikt de gistcel een eenvoudig eiwitapparaat. In meercellige organismen zijn daar een heleboel nieuwe en ingewikkelder eiwitten bijgekomen die de signaaloverdracht tussen twee zenuwcellen verbeterden. En gewervelde dieren kregen daar nog een serie nieuwe eiwitten bij, die de communicatie in de synaps nog verder perfectioneerden.

Het onderzoek wijst uit dat zulke geavanceerde synapsen al zijn ontstaan voordat grote hersenen evolueerden. Zebravissen en klauwpadden hebben ze al. Mogelijk was zonder deze specialisatiestap nooit een groot en complex brein zoals dat van apen en mensen ontstaan.

De, evolutionair gezien, jongste eiwitten lijken belangrijk voor hogere mentale functies. Muizen die zulke eiwitten niet hebben, leren niet meer goed. En mensen met een verstandelijke handicap blijken ook vaak een van deze nieuwere componenten te missen. Niki Korteweg