Wat een wormpje ons kan leren over het lerende brein

Het rondwormpje Caenorhabditis elegans is één millimeter groot en leeft in de bodem, waar het bacteriën eet. De wormpjes gaan altijd af op de aanwezigheid van zout, want dat zou kunnen wijzen op voedsel. Als je ze in een experiment zout aanbiedt zonder dat er voedsel aanwezig is, kruipen ze voortaan weg van zout. Het diertje heeft iets nieuws geleerd: bij zout valt niks te snacken, dus daar hoef je niet heen te gaan.

Het leerproces en geheugen van het wormenbrein vertoont duidelijke overeenkomsten met dat van de mens, zag moleculair neurobioloog Isabel Beets van de KU Leuven. Door naar dat simpele beestje te kijken, waarvan het volledige zenuwstelsel in kaart is gebracht, hoopt ze de menselijke hersenen beter te gaan begrijpen.

Op 22 september werd ze tijdens een symposium over het brein van het tijdschrift New Scientist uitgeroepen tot Wetenschapstalent 2016. Ze ontving een trofee en 2500 euro prijzengeld van het Rathenau Instituut, die de wedstrijd jureerde.

302 zenuwcellen

C. elegans heeft precies 302 zenuwcellen, verspreid over zijn lijf. Echte hersenen ontbreken, maar met dit simpele zenuwstelsel kan het beestje dus wel leren. Om te overleven moeten wormen net als andere dieren hun gedrag kunnen aanpassen aan een veranderende omgeving. Dit leerproces verloopt via kleine eiwitten genaamd neuropeptiden, die als boodschappermoleculen werken in het brein.

In 2012 publiceerde Beets en haar collega’s in Science de vondst van het neuropeptide nematocine in C. elegans, dat verantwoordelijk is voor het leerproces ten opzichte van zout. Als reactie op een ervaring (wel zout, geen voedsel) komt nematocine vrij in bepaalde zenuwcellen. Het neuropeptide lokt vervolgens een reactie uit van andere zenuwcellen die het gedrag sturen.

Verbanden leggen

Beets ontdekte dat nematocine qua samenstelling en werking erg lijkt op twee menselijke neuropeptiden, oxytocine en vasopressine. Oxytocine regelt voortplantingsgedrag en bevordert sociale relaties bij de mens, zoals de hechte band tussen twee partners. Vasopressine is betrokken bij het regelen van de waterbalans in het lichaam en heeft effect op de nieren, dorstgevoel en drinkgedrag. Beide stoffen worden ook door onze hersenen gebruikt om verbanden te leren uit ervaring.

Het wormeneiwit nematocine regelt waar C. elegans heen kruipt – naar zout toe of van zout af – op basis van verbanden die de worm leerde uit eerdere ervaring. Experimenten wijzen uit dat nematocine ook het voortplantingsgedrag stuurt bij de worm.

“Met nematocine hebben we een goed voorbeeld gevonden van een neuropeptide dat betrokken is bij leren”, vertelt Beets. “Zowel mensen als C. elegans hebben meer dan honderd van dat soort eiwitten. Van sommige hebben we al aanwijzingen dat ze ook betrokken zijn bij leren en geheugen.”

Oeroud leervermogen

De neurobioloog werkt mee aan een Europees gefinancierd project aan de KU Leuven om alle neuropeptiden van de worm te matchen aan de bijbehorende receptor, dat is het eiwit op de cel waar het neuropeptide aan bindt om een reactie uit te lokken. “We vermoeden dat de verschillende neuropeptiden samen een netwerk vormen”, legt ze uit. Door uit te vogelen hoe neuropeptiden het leren beïnvloeden in de worm, hoopt ze bloot te leggen hoe oxytocine en vasopressine leer- en geheugenprocessen sturen in de menselijke hersenen.

De resultaten uit C. elegans kunnen toepasbaar zijn op zoogdieren en het onderzoek in grotere dieren versnellen, volgens Beets. Het feit dat mens en worm overeenkomsten vertonen in hoe ze leren, door middel van hetzelfde molecuul, wijst erop dat leervermogen al heel oud is. Waarschijnlijk wel 700 miljoen jaar, toen leefde de laatste gemeenschappelijke voorouder van de mens en C. elegans. De werking van neuropeptiden in het brein is al die tijd bewaard gebleven.