Nieuwsbrief

Blijf wekelijks op de hoogte van het beste uit De Kennis van Nu en het laatste nieuws!

MELD JE AAN

Een nieuw natuurkundig experiment verklaart waarom ons brein zo gekreukeld is.

De buitenkant van onze hersenen ziet er een beetje uit als een walnoot: windingen die nu eens door diepe dan weer door ondiepe groeven van elkaar gescheiden zijn. Dit is de hersenschors, een gekreukelde hersenschors. In dit evolutionair gezien jongste deel van onze hersenen zetelt ons waarnemen, denken en bewustzijn.

Sommige diersoorten, zoals dolfijnen, olifanten, varkens en mensapen hebben zulke gekreukelde hersenen, andere diersoorten niet, zoals de meeste knaagdieren. Voor de reden van het kreukelen hebben biologen een verklaring: zo kon het aantal hersencellen maximaal groeien terwijl de afstand tussen die cellen toch zo klein mogelijk bleef. Zo kon de hersenschors een groot oppervlak beslaan in een beperkt volume.

Over het mechanisme hierachter steggelen wetenschappers al decennia. Het is geprogrammeerd in de genen, zeggen sommigen. Het is een gevolg van de biochemie in het brein, zeggen anderen. Een nieuw experiment van Finse en Amerikaanse onderzoekers laat echter zien dat het mechanisme achter het vouwen in ieder geval voor een groot deel verklaard kan worden zuiver en alleen door de mechanische krachten die op de groeiende hersenschors ontstaan, kortom door de natuurkunde. Ze publiceerden hun resultaten in Nature Physics van deze week.

Rubberachtig materiaal

In dit experiment hebben ze eerst aan de hand van een MRI-scan van een 22 weken oud foetus-brein een 3D-brein van enkele centimeters groot geprint. Met dit 3D-brein maken ze een mal, waarin ze een zacht rubberachtig materiaal gieten. Dit staat model voor het evolutionair oudere deel van de hersenen dat onder de hersenschors ligt. 

Hierop brengen ze vervolgens een gel aan van slechts een millimeter dik aan. Dat staat model voor de hersenschors aan voordat deze begint te kreukelen. De gekozen materialen bootsen zo goed mogelijk de boterachtige consistentie van een echt mensenbrein na. Dat is genoeg om de natuurkundige eigenschappen van het zich vouwende brein te onderzoeken. De biologie en de scheikunde van wat er in het brein gebeurt, laten ze dus gewoon weg.

Gekreukelde hersenschors

Het modelbrein bestaande uit het rubberachtige materiaal en de gel stoppen ze in een glazen pot met een doorzichtig organisch oplosmiddel. Meteen daarna begint de gel die de hersenschors nabootst de vloeistof te absorberen en op te zwellen. Binnen twintig minuten ontstaat er dan een structuur die heel sterk lijkt op die van de gekreukelde hersenschors van een acht maanden oude baby. Dezelfde grote windingen ontstaan als in een gezond brein. De onderzoekers ondersteunden hun experimentele model ook met computersimulaties om te laten zien dat er ook in kwantitatieve zin grote overeenkomsten tussen hun model en de werkelijkheid bestaat. 

Bij een menselijke foetus begint het brein na twintig weken te vouwen en die vouwing gaat door tot een kind 1,5 jaar is. Wanneer er iets mis gaat bij de vouwing kan dat grote gevolgen hebben: van epileptische aanvallen tot gestoorde motorische functies en achterstand in geestelijke ontwikkeling. Een gezond brein is dus een gekreukeld brein.

Bron

Tuomas Tallinn et al. On the growth and form of cortical convolutions, Nature Physics, 1 februari 2016