Het prikkenbrein is de oerversie van de hersenen van alle gewervelden

Waar begin je als je de evolutie van het brein wilt onderzoeken? Dat is niet eenduidig: in 500 miljoen jaar tijd zijn er in de hersenen van gewervelden allerlei specialistische gebieden en celtypen ontstaan die tot een grote diversiteit aan gedrag hebben geleid. Toch komen Chinese biologen nu in Science met de perfecte modelkandidaat voor zulk onderzoek: de oosterse beekprik Lethenteron reissneri. Die kaakloze vis ontstond zo’n 450 miljoen jaar geleden en bleef de afgelopen 360 miljoen jaar min of meer onveranderd. Daarmee representeert de vis een ‘oergewervelde’, wat een inkijkje in het vroege brein kan geven.

Lamprei, negenoog, rondbek: de bijnamen van de prik zijn net zo tot de verbeelding sprekend als z’n uiterlijk. De beekprik oogt nog relatief normaal, met een palingachtig lijf en een ronde schijf als mondopening. Maar de zeeprik laat zich het beste omschrijven als een stofzuigerslang met rijen scherpe tandjes langs de binnenkant. Ideaal om zich vast te zuigen aan andere vissen en hun bloed te drinken.

In het huidige onderzoek is het dus niet die veelbesproken bek maar het prikkenbrein dat centraal staat. Het reconstrueren van een ‘complete moleculaire hersenatlas in 3D’, dáár ging het de biologen om. Door de verschillende anatomische regio’s in kaart te brengen wilden ze een evolutionaire blauwdruk van het gewerveldenbrein verkrijgen. Om zodoende de vraag te beantwoorden: wat was er al in het begin, en wat is er aan complexiteit gedurende de evolutie allemaal bijgekomen?

Het muizenbrein van nu

De onderzoekers deden dat door in individuele cellen de volledige set aan rna-moleculen – het transcriptoom – te bestuderen en te kijken welke genen ‘aan staan’. Zo ontdekten ze 209 verschillende clusters van cellen (elk met hun eigen functie), verdeeld over veertien hersengebieden. Vervolgens vergeleken ze die informatie met gegevens over de hersenen van onder meer zebravissen, vogels, reptielen en zoogdieren; in het bijzonder die van muizen.

Er blijken opvallende overeenkomsten te zijn tussen de blauwdruk van het ‘conservatieve’ lampreienbrein en het hedendaagse muizenbrein, zeker wat betreft het reukcentrum, het achterste deel van de hersenen en de thalamus (het schakelcentrum dat bepaalt welke prikkels aan de hersenschors worden doorgegeven). Maar tegelijkertijd is er in de loop van de evolutie ook veel veranderd: neuronen specialiseerden zich, en de hersenschors werd complexer. Ook de kleine hersenen (het cerebellum, verantwoordelijk voor de motoriek) kwamen pas later tot ontwikkeling, al is er bij de lamprei al wel een oerversie van aanwezig.

Al met al heeft er dus gedurende miljoenen jaren volop specialisatie en organisatie plaatsgevonden in het gewerveldenbrein, maar moeten de hersenen van de gemeenschappelijke voorouder van alle gewervelden dus ook al indrukwekkend divers zijn geweest.