De eerste kaart van de zich ontwikkelende hersenen biedt inzicht in de oorsprong van psychische stoornissen.

De mensheid observeerde de maan met ontzag, zelfs angst voor de veronderstelde kwaadaardige invloed, gedurende millennia, totdat de Pool Johannes Hevelius , zoon van een rijke brouwer, een zelfgemaakte telescoop bouwde in wat nu Gdansk is en elke nacht die vreemde buitenaardse wereld onderzocht en tekende. In 1647 publiceerde hij het eerste boek met kaarten van de maan . NeurowetenschapperTomasz Nowakowski , 40, groeide op in dezelfde stad als Hevelius en leidt deze woensdag de eerste versie van een kaart van de hersenen tijdens de ontwikkelingsstadia: van embryo tot volwassene. De onderzoeker zegt dat hij zich voelt als een van die baanbrekende cartografen. "Mensen zouden de maan niet hebben bereikt als we geen kaart van het maanoppervlak hadden gehad. Alle grote vooruitgang en prestaties in de geschiedenis begonnen met het maken van nauwkeurige kaarten", legt hij uit aan EL PAÍS.

Nowakowski is een van de sleutelfiguren in het BRAIN-initiatief om het menselijk brein in kaart te brengen, een Amerikaans project dat in 2013 door president Barack Obama werd gelanceerd en dat al een kolossaal budget van zo'n € 4,5 miljard heeft. "De hersenen, die onze gedachten, ideeën en verbeeldingskracht aanwakkeren, blijven het belangrijkste onontgonnen object. Om ze te begrijpen, moeten we beginnen met het begrijpen van de lijst met componenten ervan", aldus Nowakowski van de Universiteit van Californië in San Francisco.

De taak is monumentaal. Tijdens de zwangerschap vermenigvuldigt één enkele cel – de eicel bevrucht door de zaadcel – zich, en vanaf de derde week begint de ontwikkeling van een rudimentair zenuwstelsel, culminerend in een brein met 86 miljard neuronen en biljoenen verbindingen daartussen. In deze onvoorstelbare choreografie in de schedel van de foetus slaan sommige cellen vaak een andere weg in. Nowakowski citeert schattingen die stellen dat 15% van de kinderen en adolescenten leeft met een neurologische ontwikkelingsstoornis, zoals autisme, schizofrenie en aandachtstekortstoornis met hyperactiviteit (ADHD).

Een internationaal consortium heeft nu de nieuwste technologieën gebruikt om te analyseren welke genen actief zijn in elke cel, om de eerste versie te maken van een dynamische kaart van de zich ontwikkelende hersenen. "Menselijk weefsel kan worden verkregen via chirurgische ingrepen of uit postmortale hersenen , die normaal gesproken zouden worden weggegooid. Als de cellen snel genoeg uit het weefsel worden geïsoleerd, kunnen ze in vitro worden gekweekt gedurende enkele uren of, in sommige gevallen, gedurende meerdere dagen. Dit geeft ons een unieke kans om ontwikkelingsprocessen bij mensen te bestuderen", aldus Nowakowski. Zogenaamde pluripotente stamcellen , verkregen uit overtollige embryo's van fertiliteitsklinieken of uit geherprogrammeerde volwassen cellen, stellen onderzoekers nu ook in staat om de vroege stadia van de hersenontwikkeling in het laboratorium na te bootsen .

De nieuwe bevindingen vormen een eerste stap in het begrijpen van de specifieke momenten tijdens de zwangerschap waarop het risico op een hersentumor of een neurologische ontwikkelingsstoornis het hoogst is. Genen die betrokken zijn bij aandoeningen zoals autisme en schizofrenie, legt Nowakowski uit, worden het meest intens geactiveerd aan het einde van de zwangerschap, precies tijdens de fasen die het meest verschillen van wat er gebeurt bij muizen of andere proefdieren. Onze eigen atlas is essentieel om te begrijpen hoe het menselijk brein zich ontwikkelt.

De hersenen bevatten duizenden celsubtypen, elk zeer gespecialiseerd in hun functie: neuronen die verantwoordelijk zijn voor gedachten, astrocyten die ondersteuning bieden, oligodendrocyten die fungeren als de isolatielaag voor zenuwbanen, en microglia die afvalstoffen uit het zenuwstelsel opruimen. Het consortium heeft ontdekt dat cellen tijdens de ontwikkeling van de foetus opmerkelijk flexibel zijn in hun identiteit, waardoor ze zich kunnen differentiëren tot andere celtypen die in de volwassen hersenen voorkomen. Deze flexibiliteit is tevens hun zwakte. Onderzoekers hebben een type voorlopercel geïdentificeerd, aanwezig in het tweede trimester van de zwangerschap, dat neuronen, oligodendrocyten of astrocyten kan genereren. En glioblastoom , een ongeneeslijke hersentumor, bevat cellen die lijken op deze voorlopercel, wat een aanwijzing biedt voor de oorsprong van deze tumor.

Het consortium, genaamd het BRAIN Initiative Cell Atlas Network , maakte woensdag de resultaten bekend van een half dozijn studies gepubliceerd in het tijdschrift Nature . De openingszin van de inleiding herinnert aan het werk van de Spanjaard Santiago Ramón y Cajal , de man die, uitgerust met een microscoop en kippencerebellum, in 1888 in Barcelonahet eerste objectieve bewijs presenteerde dat het zenuwstelsel is georganiseerd in individuele cellen. "Bijna de hele moderne neurowetenschap is gebaseerd op de concepten die Cajal heeft voorgesteld", zegt Nowakowski. "Hij was een visionair, zelfs in aspecten die we nog steeds niet weten te bestuderen. Ik ben ervan overtuigd dat zijn visie nog vele jaren zal blijven resoneren", voegt de professor van de Universiteit van Californië eraan toe.

De Spaanse neurowetenschapper Rafael Yuste stond centraal in het BRAIN-initiatief. Hij vertelt dat hij op een dag in september 2011 in het Engelse landhuis Chicheley Hall een ontmoeting had met twee dozijn experts op het gebied van de hersenen of de studie van structuren van een miljoenste millimeter, om mogelijke samenwerkingen te bespreken. Yuste stond op en ontketende een debat: hij stelde voor om alle neuronen één voor één te analyseren. Slechts een paar onderzoeken, zo verklaarde hij, was als televisiekijken door naar één pixel te kijken. Te midden van stemmen die beweerden dat dit onmogelijk was, stond de Amerikaanse geneticus George Church , die sinds 1984 leiding gaf aan het project om menselijk DNA te sequencen, op en verklaarde dat in de wetenschap "niets onmogelijk is". Het Witte Huis nam het voorstel aan en begin 2013 kondigde Obama het project plechtig aan: “Mensen kunnen sterrenstelsels identificeren die lichtjaren ver weg zijn, we kunnen deeltjes bestuderen die kleiner zijn dan een atoom, maar we hebben het mysterie van de kilo en een half materie die we tussen onze oren hebben nog niet ontcijferd.”

Yuste, hoogleraar aan Columbia University (VS), is enthousiast over de nieuwste resultaten van het initiatief. "Deze atlas van celtypen in ontwikkeling is niet alleen essentieel voor wetenschappelijk inzicht in hoe de hersenen zich ontwikkelen – iets absoluut fascinerends, aangezien ze zich zonder externe instructies samenstellen en organiseren – maar ook omdat het fundamentele informatie biedt voor het begrijpen van de veranderingen en pathologieën die optreden tijdens de zwangerschap en in de vroege levensfase", zegt hij. "Deze resultaten tonen aan hoe cruciaal duurzame investeringen in de ontwikkeling en toepassing van nieuwe methoden zijn voor wetenschap en geneeskunde", benadrukt Yuste, de drijvende kracht achter het toekomstige Nationaal Centrum voor Neurotechnologie (Spain Neurotech) in Madrid.

Twee jaar geleden presenteerde het team van neurowetenschapper Hongkui Zeng de meest complete kaart van de hersenen van volwassen muizen: een orgaan ter grootte van een erwt , met slechts 70 miljoen neuronen en 5300 celtypen. Zeng en haar collega's van het Allen Institute for Brain Science in Seattle hebben zich nu gericht op cellen die essentieel zijn voor de werking van het zenuwstelsel: remmende GABA-erge neuronen , die als een rem op de hersenen werken en de activiteit ervan verminderen om de informatieoverdracht te vergemakkelijken. Volgens de onderzoekers blijven deze neuronen zich na de geboorte ontwikkelen, met name in hersengebieden die betrokken zijn bij leren, emoties en besluitvorming. "Dit betekent dat er mogelijk een langere periode is dan eerder gedacht om in te grijpen en de hersenen te helpen zichzelf te reorganiseren, vooral in het geval van kinderen met ontwikkelingsstoornissen", benadrukte het Allen Institute in een verklaring.

Neurowetenschapper Guillermina López Bendito spreekt van een "kwalitatieve sprong" in haar vakgebied. "Tot nu toe hadden we celatlassen, voornamelijk van volwassen hersenen, die een statisch beeld gaven van de cellulaire identiteit. Deze verzameling artikelen transformeert die momentopname in een bewegende film: ze reconstrueert de temporele progressie en de cellijnen die de ontwikkeling van de hersenen mogelijk maken", aldus de onderzoeker van het Instituut voor Neurowetenschappen in Alicante.

López Bendito leidt een laboratorium dat onderzoek doet naar het ongelooflijk dichte netwerk van verbindingen tussen hersencellen. Ze benadrukt dat het consortium, waaraan zij niet heeft deelgenomen, kaarten heeft gemaakt van verschillende zoogdiersoorten, van muizen tot mensen, en specifieke kenmerken van mensen en andere primaten heeft geïdentificeerd, zoals de langere periode waarin nieuwe neuronen worden aangemaakt en de diversificatie van de hersenschors na de geboorte. "Deze temporele verschillen zouden ten grondslag kunnen liggen aan zowel menselijke cognitieve vermogens als onze grotere kwetsbaarheid voor genetische mutaties of omgevingsverstoringen tijdens de ontwikkeling", benadrukt de neurowetenschapper.

Santiago Ramón y Cajal, alleen met zijn microscoop, begon in 1888 aan de onmogelijke missie om de hersenen millimeter voor millimeter in kaart te brengen. Zijn werk bereikte zijn hoogtepunt in 1904 met de publicatie van *Textuur van het zenuwstelsel van mens en gewervelde dieren *, een kolossaal werk van 1800 pagina's met de waarschuwing: "De perfecte voltooiing van het bouwwerk van de neurologie zal nog eeuwen werk vergen." Tomasz Nowakowski is optimistischer. "Ik denk niet dat we nog eeuwen, of zelfs decennia, verwijderd zijn. Ik ben onder de indruk van de snelheid waarmee kunstmatige intelligentie zich heeft ontwikkeld, vooral de afgelopen jaren, om bepaalde cognitieve processen na te bootsen via computationele modellen", reflecteert de onderzoeker. "Ik denk dat we snel een punt naderen waarop theorie en modellering voorspellingen zullen doen over welke cellen en moleculen essentieel zijn voor de structuur en functie van de hersenen. En we zullen over de nodige technologieën beschikken om die voorspellingen te testen", voorspelt hij.