Vergeten breinkaart onthult een veel complexer brein

Afstoffen en opnieuw beoordelen van ‘vergeten’ onderzoek leverde een nieuwe, gedetailleerde kaart van het menselijk brein op. Eindelijk een kaart die aansluit op de finesse van modern hersenonderzoek, zegt initiatiefnemer Ruud Nieuwenhuys.

Moderne hersenonderzoekers „hebben vaak geen idee waarnaar ze eigenlijk kijken” als ze de hersenactiviteit bestuderen. Dat zegt neuroanatoom Rudolf Nieuwenhuys, 87 jaar oud en sinds 1992 met emeritaat, maar nog altijd actief in de wetenschap. De meeste onderzoekers werken voor de interpretatie van de MRI-beelden met de zogeheten Brodmannkaart, waarop 52 verschillende gebieden zijn ingetekend. Maar die kaart uit 1909 is „totaal niet meer van deze tijd”, zegt Nieuwenhuys: „De Brodmannkaart heeft een gebrekkige wetenschappelijke onderbouwing en is daarnaast veel te grof om aan te sluiten op de resolutie van de moderne afbeeldingstechnieken van de hersenen.”

Op het Nederlands Herseninstituut verdiepte Nieuwenhuys zich een jaar lang in oude, lang vergeten publicaties van Duitse neuroanatomen. Hij vatte ze zorgvuldig samen en publiceerde vorig jaar een overzichtsartikel, waarin hij concludeerde dat het mogelijk moest zijn op basis van bestaand onderzoek een veel fijnmaziger hersenkaart te maken. Hij voegde de daad bij het woord en stelde zonder enige subsidie een klein onderzoeksteam samen. Met dit driekoppige team slaagde hij erin de gegevens uit de oude literatuur te projecteren op een referentiebrein.

Deze zomer leverde dat de publicatie van een nieuwe, gedetailleerde hersenkaart op, waarvoor het Duitse onderzoekersechtpaar Vogt meer dan honderd jaar geleden al de basis had gelegd (Brain Structure and Function, juni). „We kwamen uit op een kaart met 180 afzonderlijke gebieden,” legt Nieuwenhuys uit.

Het onderzoek van de Vogts was tot nu toe nooit uit de schaduw gekomen van het onmiddellijke en overweldigende succes van de kaart van Brodmann. Korbinian Brodmann, die als assistent in het Berlijnse laboratorium van de Vogts met een net iets andere kleuringstechniek werkte dan zijn opdrachtgevers, onderscheidde op de buitenkant van de grote hersenen 52 afzonderlijke gebieden, die hij nummerde.

Veel van de gebieden die Brodmann op basis anatomische verschillen identificeerde bleken later overeen te komen met een bepaalde hersenfunctie. De Duitse neuroloog Karl Kleist meende in 1934 aan vrijwel alle Brodmanngebieden een functie te kunnen toekennen. Hij baseerde zich daarbij op uitgebreide waarnemingen aan bijna 300 patiënten die lokale hersenbeschadigingen hadden opgelopen tijdens de Eerste Wereldoorlog.

„Ik noem dat neofrenologie”, zegt Nieuwenhuys, verwijzend naar de knobbelkunde of frenologie die erg populair werd in de negentiende eeuw. Wetenschappers meenden toen knobbels op de hersenpan van mensen te kunnen voelen die samenhingen met bepaalde karaktereigenschappen. „Onderzoekers als Franz Joseph Gall en Johan Spurzheim benoemden knobbels voor intelligentie, taal- en rekenvaardigheid en zelfs vernielzucht en moraliteit. Er werd in die tijd al de spot mee gedreven.”

Precisie van de hersenveldjes

De meer dan een eeuw oude kaart van Brodmann wordt dus nog altijd gebruikt als matrix voor de interpretatie van fMRI beelden, actieve hersengebieden worden zichtbaar als ‘lichtvlekjes’ op de scan. „Er zijn al tienduizenden experimenten mee gedaan”, zegt Nieuwenhuys. „Maar het probleem is dat de precisie van de hersenveldjes in de fMRI veel gedetailleerder is dan de pakweg veertig velden die Brodmann beschreef.”

Daar komt nog bij dat de kaart van Brodmann naar moderne wetenschappelijke maatstaven niet zuiver is, zegt Nieuwenhuys. „Brodmann geeft slechts zeer summiere beschrijvingen van de door hem onderscheiden gebieden, en afbeeldingen die de structuur van deze gebieden laten zien, ontbreken bijna geheel. Nergens vermeldt hij wat precies de microanatomische verschillen zijn tussen de gebieden. En het is tot op heden een groot mysterie hoeveel verschillende hersenen hij bestudeerd heeft om tot zijn kaart te komen.”

Nieuwenhuys wist dat het echtpaar Oskar en Cécile Vogt parallel aan het werk van Brodmann een poging hadden gedaan om de hersenschors in kaart te brengen. Omdat het microscopische onderzoek aan menselijke hersenen waaraan ze rond 1900 begonnen zo’n enorm monnikenwerk was, hadden ze besloten het werk met hun assistent te verdelen. Brodmann zou de celstructuur van de hersenschors bestuderen, terwijl de Vogts zich op de vezelstructuur zouden storten.

Brodmann, jong en alleenstaand, heeft als een bezetene gewerkt en kwam in 1909 als eerste met zijn kaart van hersengebieden. Een jaar later volgden de Vogts met hun eerste resultaat: twee deelkaarten van de hersenschors, met 66 aparte gebieden in de frontale kwab en 30 in de pariëtale kwab. Bij elkaar telden ze in twee kwabben dus al meer gebieden dan Brodmann in de hele hersenschors.

De Vogts hadden het moeilijk met hún deel van het project, vertelt Nieuwenhuys. „Ze gingen heel systematisch te werk en probeerden de schorsstructuren die zij onder de microscoop zagen in te delen in grondtypes. Uiteindelijk werden het er meer dan tachtig. Het vormde een soort geheimtaal, die voor buitenstaanders nauwelijks meer was te volgen.” Naaste medewerkers van de Vogts zetten het werk nog tot aan 1970 voort. Maar hun detailwerk werd beschouwd als volstrekt esoterisch.

Met hulp twee medewerkers, Cees Broere („een echte computer-matador”) en Leonardo Cerliani („een specialist op MRI-gebied”) slaagde Nieuwenhuys erin een nieuwe synthese te maken. „Mijn taak was het uitpluizen van al die publicaties, die niemand ooit gelezen had.”

Een grote verdienste

Collega-onderzoekers prijzen de inspanningen van Nieuwenhuys. Neuroanatoom Harry Uylings, emeritus van de Vrije Universiteit Amsterdam, noemt het „een grote verdienste” dat Nieuwenhuys de vergeelde, enorm breedsprakige Duitse literatuur weer heeft teruggebracht in het wetenschappelijk circuit, door het samen te vatten en in het Engels te publiceren. „Vervolgens heeft hij nog een extra stap gezet door alle verzamelde data ook op één referentiebrein te projecteren. Heel belangrijk werk. Tegenwoordig kunnen we met de hoogste resolutie MRI de myelinevezels beter zien, maar niet de cellichamen.”

Dat zegt ook de Amerikaanse neurowetenschapper David van Essen. „Gebaseerd op ons eigen onderzoek aan het zogeheten humane connectoom, de verbindingen tussen verschillende functionele hersengebieden, kwamen we ook uit op ongeveer 200 gebieden in de hersenschors, dezelfde orde van grootte dus die Nieuwenhuys nu beschrijft. De Brodmann-kaart is een klassieker, maar ik heb het nooit beschouwd als de gouden standaard. Het is al decennia bekend dat de Brodmannkaart voor zowel makaken als mensen niet accuraat is voor vele regio’s van de hersenschors. De kaart van Nieuwenhuys brengt nu wel verbetering.”

Dit is dus pas het begin, zegt Van Essen. In een van zijn publicaties maakte hij al een veelzeggende analogie: „De cartografen van de hersenschors zijn nu even ver met het in kaart brengen van de menselijke hersenen als de cartografen in de achttiende eeuw waren met het in kaart brengen van het aardoppervlak.”

„Dit is niet het eindpunt”, beaamt Nieuwenhuys. „De plaatjes van MRI-scans zien er spectaculair uit, maar strikt wetenschappelijk is de waarde voor de hersenwetenschap vrijwel nihil. Je kunt wel gebieden benoemen, maar zonder inzicht in de anatomische structuur hangt het in de lucht.”

Individuele variatie

Maar zelfs een gedetailleerde hersenkaart doet nog geen recht aan individuele verschillen. Er bestaat een grote variatie, in omvang en windingen van de hersenen, maar ook in de grootte van de functionele gebieden. De plasticiteit van de hersenen, waarbij een hersengebied de functie van een ander deel kan overnemen als dat uitvalt, vormt nog een dimensie daar bovenop. „Iemand die door een noodlottig ongeval beide ogen verliest, heeft na enige tijd geen werkloze visuele cortex meer. Naburige gebieden koloniseren het ongebruikte deel, en geven er een nieuwe functie aan. Al na uren wordt er geknabbeld aan het gebied dat is vrijgekomen.”

Nieuwenhuys: „Oskar Vogt heeft zijn hele leven gezegd dat er volgens hem 200 structurele, functionele eenheden in de menselijke hersenschors zouden zitten. Of het er inderdaad 200 zijn, blijft nog een vraag. Maar in ieder geval lijkt hij nu meer gelijk te hebben dan 50 jaar geleden.”