Het volwassen brein heeft een ‘regelcentrum’: een harde kern van buitengewoon actieve, sterk met elkaar verbonden gebieden die de rest van de hersenen met elkaar verbindt. Deze zogeheten ‘G7 van de hersenen’ of in het Engels ‘rich-club’ is al vóór de geboorte helemaal af, ontdekten Britse onderzoekers.
Als we de werking van het volwassen brein ooit willen begrijpen, moeten we eerst weten hoe het zich organiseert en ontwikkelt. Welke hersengebieden vormen de basis van het brein en worden eerst met elkaar verbonden, nog voordat andere connecties worden gevormd? Met welk netwerk aan verbindingen is elk brein bij de geboorte al uitgerust, en welke verbindingen ontstaan als gevolg van levenservaringen?
Het antwoord op deze grote vragen komt steeds dichterbij: er wordt in rap tempo van alles ontdekt. Zo ontdekten Nederlandse hersenonderzoekers in 2011 dat het volwassen brein een ‘harde kern’ heeft: een club van buitengewoon actieve, centraal gelegen hersengebieden (‘hubs’), die via lange, sterke connecties met elkaar zijn verbonden én tegelijkertijd de rest van het brein met elkaar verbinden.
Die hubs kan je zien als Amsterdam Centraal of Utrecht Centraal: plekken waar veel wegen en veel activiteit samenkomen. Vroeger dachten wetenschappers altijd dat deze plekken in het brein onafhankelijk van elkaar waren, maar nu blijkt: ze zijn veel meer verbonden dan gedacht. Ze horen bij een groepje, een kernnetwerk, dat samen het hele brein coördineert.
Dit kernnetwerk wordt in het Engels de rich-club genoemd. Het is zó’n nieuw ontdekt fenomeen dat er nog maar pas een Nederlandse vertaling voor is. “De ‘G7 van de hersenen’ leek wel een goede Nederlandse naam,” zegt hersenonderzoeker Martijn van den Heuvel lachend, naar het forum van de zeven machtige geïndustrialiseerde landen. Van den Heuvel was de eerste die over de rich-club publiceerde, in 2011, samen met zijn collega’s van het Rudolf Magnus Instituut in Utrecht. “We noemen het ook wel de ‘communicatie-ruggenraat van het brein’.”
Het zijn overigens geen zeven hersengebieden, maar een aantal meer. Tot de rich-club behoren vooral delen van de frontale (het voorhoofdsdeel) en pariëtale (midden op het hoofd) hersenschors of cortex. “Precies van die structuren weten we nog niet precies wat ze doen”, zegt Van den Heuvel. “Ze zijn bij zoveel taken betrokken dat ze eigenlijk geen specifieke functies lijken te hebben.”
Het enige wat je van de frontale gebieden kan zeggen is dat ze een rol hebben bij besluitvorming en aandacht. En de pariëtale gebieden integreren visuele informatie met motorische functies. Ook de dieper gelegen hippocampus – belangrijk voor leren en geheugen en de thalamus, het schakelcentrum tussen sensorische prikkels en reacties hierop, horen bij de rich-club.
Wetenschappers vermoeden dat deze ruggengraat de basis vormt voor een gezonde hersenontwikkeling gedurende het hele leven. Maar wanneer dit kernnetwerk van het brein wordt aangelegd – voor of na de geboorte – wist nog niemand.
Britse onderzoekers hebben nu ontdekt dat dit al na 30 weken zwangerschap (ruim twee maanden voor de geboorte) gebeurt. Dán al, is de rich-club het sterkst ontwikkelde netwerk van het foetale brein. Hoofdonderzoeker Gareth Ball van King’s College London en zijn collega’s publiceerden de resultaten vandaag in PNAS.
Foetusbrein in de hersenscanner
Ball mat de hersenactiviteit van ongeboren foetussen met Diffusion Tensor Imaging (DTI), een MRI-techniek waarmee je de verbindingen tussen hersengebieden kan fotograferen door diffusie van watermoleculen te meten. Hij mat de rich-club van gezonde 30-weken oude foetussen en keek tien weken later, toen de foetussen op het punt stonden geboren te worden, hoe deze zich had ontwikkeld. Ook wilde Ball weten of de omgeving waarin het brein zich bevindt – de baarmoeder of de externe wereld – invloed heeft op de manier waarop de rich-club zich verder ontwikkelt. Hiervoor vergeleek hij het brein van gezonde, net geboren kinderen met dat van even oude, maar tien weken te vroeg geboren kinderen.
Wat bleek? Al bij een foetus van 30 weken, die nog twee maanden te gaan heeft in de baarmoeder, is de rich-club aangelegd. De connecties zijn al aanwezig, maar nog niet uitontwikkeld. Ze hebben die laatste tien weken van de zwangerschap nodig om in kwaliteit toe te nemen. Na 40 weken lijkt de rich-club namelijk precies op die van een volwassene, ontdekte Ball.
Ook ontwikkelt de rich-club van een kind dat al na 30 weken wordt geboren, zich anders dan wanneer deze rustig kan aansterken in de baarmoeder. In de buik van de moeder ontwikkelen de lange kernverbindingen nog door, maar daarbuiten stopt dit meteen. In plaats daarvan ontwikkelen zich juist veel korte, lokale connecties in de hersenschors.
Brein in balans
Volgens Ball moeten we nu heel anders tegen onze ontwikkeling aankijken. Veel globale structuren waarvan we kort geleden nog aannamen dat ze pas laat in het leven tot ontwikkeling komen, doen dit in feite al tijdens de zwangerschap. Dat betekent ook dat verstoring van deze ontwikkeling dus veel eerder kan optreden dan we altijd dachten.
Een te vroeg geboren kind haalt de schade misschien wel nooit meer in: het kan zijn dat het ontwikkelen van korte, lokale verbindingen in plaats van lange overspanningen tussen vergelegen hersengebieden niet alleen afwijkende gedragingen, maar ook mentale stoornissen teweeg brengt. Van den Heuvel: “We weten onderhand dat een verstoorde ontwikkeling van de rich-club kan leiden tot ziektes als schizofrenie. Nog voor de geboorte kan je hier dus al een kwetsbaarheid voor creëren.”
Aap, kat en mens
Toch is Van den Heuvel niet compleet verrast. “Veel zoogdieren hebben een rich-club, zoals de kat en de aap. Maar ook vogels en de rondworm C. elegans hebben hun eigen primitievere versie. Het zit dus in ons DNA, en dan klinkt het logisch dat hij al vroeg in onze ontwikkelingsfase ontstaat.
Daarnaast móest het brein wel over zo’n systeem beschikken. Het ontdekken ervan was een kwestie van tijd. “In het brein zijn lang niet alle structuren met elkaar verbonden: dat zou helemaal niet passen. Lange connecties kosten namelijk heel veel ruimte – om snel informatie over te brengen, moeten ze worden geïsoleerd met een dikke, vettige eiwitlaag. Je moet er dus zo weinig mogelijk, maar net genoeg van hebben.”
Natuurlijk is hij ook erg enthousiast: inzicht in de rich-club helpt ons om de enorme complexiteit van de hersenen te verklaren. “Het kost je brein enorm veel energie om zo’n centraal systeem met van die lange banen aan te leggen. Er moet dus een buitengewoon belangrijke reden zijn dat hij dit, en precies op deze manier, doet. Dat is zo spannend.” We gaan de komende jaren nog veel van de rich-club horen.