Waarom is ons brein zo groot?

Het succes van de mens heeft voor een groot deel te maken met de explosieve aangroei van onze hersenen. Wetenschappers krijgen steeds meer zicht op waarom en hoe dat gebeurd is. Maar ook deze gunstige ontwikkeling had minder fraaie neveneffecten.

Veel mensen hebben de neiging om alles wat met hun soort te maken heeft, inbegrepen haar evolutie, toe te schrijven aan… menselijke activiteiten. Het is een voor sommigen bijna ziekelijk automatisme – vooral filosofen hebben er last van. Zo leek het bijna evident dat de snelle aangroei van onze hersenen een aanpassing was aan de noodzaak om intens samen te werken met elkaar. Het succes van de mensheid zou in die visie een gevolg zijn van de grootschalige coöperatie waar onze voorouders lang geleden toe overgingen.

Tussen 2 en 3 miljoen jaar geleden begonnen onze hersenen aan een proces van bijna exponentiële groei. Ze vertrokken van een gewicht van ongeveer 500 gram (vergelijkbaar met de huidige chimpansees), en kwamen uit bij bijna 1500 gram. Onze hersenen zijn nu liefst zes keer groter dan die van een gemiddeld ander zoogdier van onze afmetingen. Die ontwikkeling zou een gigantisch verschil maken voor de manier waarop wij met het leven omgaan.

Hoogstens 5% van de hersenen past in een ‘mannelijke’ of ‘vrouwelijke’ categorie. Velen hebben een kantje dat naar het andere geslacht neigt.

De groei van onze hersenen ging wel ten koste van de rest van ons lichaam. Als gevolg ervan zijn wij ‘kleiner’ gebleven dan in principe het geval zou zijn geweest – onze verre neven de neanderthalers waren robuuster dan wij. Zo werden we wat kwetsbaarder in een wereld vol vervaarlijke roofdieren zoals holenleeuwen en sabeltandtijgers. We moesten dus slim zijn om uit hun klauwen te blijven. Het resultaat was een aanvankelijk ongetwijfeld wankele balans tussen grotere hersenen en een kleiner lichaam, die finaal in ons voordeel is uitgedraaid.

Geen ruzie maken

Een studie in het topvakblad Nature zorgt voor een schok. Ze maakt een eind aan de ‘sociale’ hypothese – de nood om samen te werken – als drijvende kracht achter de ontwikkeling van onze hersenen. Een ingewikkelde analyse leidde tot de conclusie dat de snelle aangroei van onze hersenen vooral een ‘ecologische’ achtergrond had: de groei van de hersenen zou een gevolg zijn geweest van extra uitdagingen om predatoren te vermijden en genoeg voedsel te vinden. Dat laatste was zeker nodig door het verhoogde energieverbruik: de hersenen zijn een energetisch duur orgaan. Vaak dient een kwart van de energie die een lichaam produceert om het brein draaiend te houden.

De analyse in Nature wees uit dat 60 procent van de groei van onze hersenen te wijten was aan ecologische sturingen. Amper 30 procent volgde uit de druk om samen te werken, en 10 procent uit competitie tussen mensengroepen. Competitie tussen mensen binnen een groep had volgens de studie geen effect. Wij zijn niet gemaakt om onderling veel ruzie te maken – je zou het niet zeggen als je op sociale media zit. Fysieke afstand doet remmen wegvallen die bij persoonlijke contacten verzachtend werken.

Opmerkelijk: sinds kort is de mens hersenvolume aan het inleveren. Het lijkt erop dat we (alvast tijdelijk) een weg terug zijn ingeslagen. De jongste tienduizenden jaren zou gemiddeld zo’n 300 gram van onze hersenen verdwenen zijn. Sommige waarnemers suggereren dat het een gevolg is van samenwerking op grote schaal: een goed georganiseerde groep neemt een deel van de functies over die alle individuen vroeger zelf moesten invullen, zoals voldoende voedsel vinden. Daardoor zou je met wat minder hersenen voortkunnen. De meest sociale zoogdieren die bekend zijn – de naakte molratten, die in kolonies leven die vergelijkbaar zijn met die van mieren en bijen – hebben in verhouding tot hun grootte de kleinste hersenen in de zoogdierwereld. Intense coöperatie vertaalt zich na verloop van tijd dus in een afname van hersenvolume.

De noodzaak tot sociale samenwerking had blijkbaar wel een grote invloed op de vorming van ons gelaat. Dat bleek uit een overzichtsstudie in Nature Ecology & Evolution. Hoe onze gezichten eruitzien, is een gevolg van een samenspel van biomechanische, fysiologische én sociale factoren. Ze moeten efficiënt voedsel kunnen verwerken, maar ze lanceren ook niet-verbale signalen die nuttig kunnen zijn in het (laten) inschatten van emoties en intenties.

Onze gezichten zijn geleidelijk kleiner geworden in de loop van onze recente evolutie, onder meer omdat we door de beschikbaarheid van vuur (wat ons toeliet ons voedsel te koken) minder zware kaken en spieren voor het kauwen nodig hadden. Dat proces zet zich waarschijnlijk nog altijd door. Parallel daarmee zijn onze gezichten expressiever geworden, waardoor ze meer subtiliteit kunnen etaleren, waaronder het signaleren van herkenning en sympathie. Die ontwikkeling was belangrijk omdat we als gevolg van de bevolkingsaangroei steeds vaker mensen ontmoetten die we niet kenden. Bij chimpansees mondt een ontmoeting met ‘onbekenden’ (dat kunnen zelfs de buren zijn) automatisch uit in vreselijke vechtpartijen en moordende raids.

Grote vrouwen, kleine mannen

Er zijn uiteraard verschillen in de omvang van de hersenen van persoon tot persoon. De hersenen van de ene mens kunnen meer dan anderhalve keer groter (of kleiner) zijn dan die van een andere. De verschillen hebben deels te maken met verschillen in lengte: grotere mensen hebben bijna automatisch grotere hersenen. Vrouwen zijn gemiddeld 10 à 15 procent kleiner dan mannen, en dat vertaalt zich in de grootte van hun hersenen: die zijn gemiddeld 140 gram lichter dan die van mannen. Maar grotere vrouwen hebben evenveel hersenen als kleinere mannen: de volumeverschillen verdwijnen als de lengteverschillen wegvallen.

Een recent overzicht in New Scientist besloot dat maximaal 5 procent van de menselijke hersenen in een duidelijke categorie ‘mannelijk’ of ‘vrouwelijk’ valt. De meesten van ons hebben ergens wel een kantje dat naar het andere geslacht neigt. De vorming van de hersenen hangt van een boel factoren af, waarvan geslacht er maar eentje is. Culturele factoren spelen ook een rol, waaronder opvoeding en professionele bezigheden die uitmonden in wat men doorgaans ‘ervaring’ noemt.

Mannen die zich wat vrouwelijk gedragen, kunnen wat ‘vrouwelijker’ hersenen ontwikkelen (en omgekeerd). De hersenen zijn een uitermate flexibel orgaan dat zich snel kan aanpassen aan veranderende omstandigheden – het is een van de pijlers van het succes van onze soort. In een omgeving waarin mannen en vrouwen zich steeds meer gelijkaardig (en meer gelijkwaardig) gedragen, kunnen historische geslachtsgebonden verschillen in de hersenontwikkeling weggemasseerd worden.

Maar grotere hersenen betekenen niet automatisch slimmere dragers. Olifanten en potvissen hebben véél grotere hersenen dan mensen, maar weinigen zullen hen als slimmer beschouwen. Amper 5 procent van de variatie in onze intelligentie zou aan de grootte van de hersenen toe te schrijven zijn. De dichtheid van het netwerk dat hersencellen met elkaar vormen, zou een belangrijker drijver zijn. Er zijn trouwens aanwijzingen dat die dichtheid bij vrouwen gemiddeld iets hoger is dan bij mannen, wat mee zou verklaren waarom vrouwen doorgaans beter zijn in emotionele intelligentie en sociale interacties. Misschien is dat dan ook het geval voor wat vrouwelijker mannen.

Wij betalen een prijs voor onze grote hersenen: een grotere vatbaarheid voor psychische problemen.

Een studie in het topvakblad Science kwam dan weer tot het besluit dat, op het niveau van het individu, grotere hersenen niet per se een eenvoudige uitvergroting van de gemiddelde hersenen zijn. Bij mensen met uitzonderlijk grote hersenen kunnen specifieke zones een extra boost krijgen. Het gaat dan vooral over zones die instaan voor het integreren van informatie die uit verschillende bronnen afkomstig is. Het zijn de zones die het sterkst geëvolueerd zijn in onze prehistorie, en die ook in een lichaam het langst blijven doorgroeien – ze worden dus verhoudingsgewijs groter met het volwassen worden. Kortom, het gaat om de hersenzones die van de mens een succesverhaal hebben gemaakt.

Het vakblad Scientific Reports rapporteerde dat elke mens een eigen hersenanatomie heeft, die even uniek zou zijn als zijn vingerafdrukken. Het unieke karakter vloeit voort uit een combinatie van een specifieke genetische achtergrond en de flexibiliteit van de hersenen, die maakt dat persoonlijke ervaringen een grote rol spelen in het kneden van het orgaan. Daar werden bevreemdende experimenten rond gedaan: als iemand zijn rechterarm twee weken lang volledig stilhoudt, vertaalt zich dat in een afname van het volume van de hersenzone die voor de controle op die armbewegingen instaat. Omdat hersenen zo veel energie zwelgen, blijven ze niet investeren in iets wat niet meer nuttig is. Omgekeerd leiden ze extra energie af voor groei in zones met meer activiteit.

Vreemde manoeuvres

Waarom de hersenen zo groot zijn geworden is één zaak. Hoe ze dat hebben gedaan, is een andere. Vorig jaar legden wetenschappers, onder wie de Belgische neuroloog Pierre Vanderhaeghen (ULB), een belangrijk genetisch mechanisme bloot dat een van de drijvende krachten achter de hersengroei moet zijn geweest – de oorspronkelijke studies daarover werden gepubliceerd in het vakblad Cell. Het onderzoek spitste zich toe op de activiteit van een specifiek gen uit een groep genen (de NOTCH-familie) die overal in het dierenrijk, van fruitvliegen tot walvissen, de timing van de ontwikkeling coördineert.

In die groep is er één gen dat uitsluitend bij mensen voorkomt. Het bestaat zelfs niet bij andere apen. Het zou 3 tot 4 miljoen jaar geleden zijn opgedoken – voor de duidelijkheid: onze tak van het dierenrijk is 6 miljoen jaar geleden afgesplitst van degene die leidt naar onze nauwste verwanten, de chimpansees en de bonobo’s. Het gen zou ontstaan zijn uit enkele vreemde (en ongetwijfeld toevallige) genetische manoeuvres, waarbij er per ongeluk twee extra kopieën van een voorloper-gen gemaakt werden, die later hun eigen gang gingen en resulteerden in de sterke aangroei van onze hersenen.

Zonder die toevalstreffers zouden wij waarschijnlijk nooit meer geworden zijn dan een gewone aap. Ze moeten min of meer samengevallen zijn met de hoofdzakelijk ecologische noodzaak tot het ontwikkelen van grotere hersenen. Of hoe de ontwikkeling van grotere hersenen op een goed moment mogelijk werd door een genetische aanpassing die groei bevorderde. Er is in de loop van de prehistorie véél geweest dat toevallig goed moest vallen voor wij als denkende soort het levenslicht konden zien.

Het onderzoek van de ploeg rond Vanderhaeghen toonde aan dat het nieuwe gen de transformatie van stamcellen in hersencellen vertraagt, waardoor er eerst veel meer stamcellen dan anders kunnen ontstaan, die dan later allemaal uitgroeien tot (veel meer) hersencellen. Zo eenvoudig kan het zijn.

Maar de zaken zijn zelden eenvoudig in ons brein. Het is duidelijk dat de neanderthalers over dezelfde genetische aanpassing beschikten, en over hersenen die zelfs nog wat groter waren dan de onze. Maar het wordt onwaarschijnlijk geacht dat ze even slim waren als wij. Misschien schuilt het verschil in succes van de twee laatste mensensoorten op aarde in de mate van samenwerking, van sociale structuur. Want die heeft, zoals we nu weten, een relatief bescheiden invloed op de grootte van de hersenen. Misschien waren wij gewoon beter georganiseerd dan de neanderthalers.

Psychische problemen

Het is uiteraard ook meer dan denkbaar dat er meer genetische aanpassingen nodig waren om onze hersenen te laten uitgroeien tot het superorgaan dat ze geworden zijn. Misschien hadden wij toch iets meer dan de neanderthaler. De ploeg van Vanderhaeghen ontdekte meer dan dertig genetische duplicaties die een rol spelen in de ontwikkeling van de menselijke hersenschors. Maar het is niet evident om er overal de concrete functie van te bepalen.

Wat wel significant is, is dat het goed onderzochte NOTCH-duplicaat zich op chromosoom 1 bevindt, midden in een zone die gelinkt is aan de ontwikkeling van te grote of te kleine hersenen (‘macro-‘ of ‘microcefalie’ in het medische jargon). In Science werd daaraan toegevoegd dat dezelfde zone ook genetische indicaties voor aandoeningen uit de geestelijkegezondheidszorg huisvest, zoals autisme en schizofrenie. Het verdubbelen van genen is niet zonder risico, omdat het genetische instabiliteit in de hand kan werken. Een foutieve afstelling van specifieke genenfuncties kan uitmonden in aandoeningen.

Zo kwamen wetenschappers tot de conclusie dat wij een prijs betalen voor onze grote hersenen: een grotere vatbaarheid voor psychische problemen. Ons brein is steeds beter geworden in het efficiënt uitvoeren van steeds complexere taken, maar daardoor werd het gevoeliger voor fouten. Een studie uit Cell linkte beide verschijnselen aan elkaar in een idee dat de betrokken onderzoekers de ‘wasmachine-evolutie’ van ons brein noemden. De analogie is dat een eenvoudige wasmachine niet beter (laat staan efficiënter) wast dan een ingewikkelde, maar er loopt minder mee mis. Hoe meer gesofisticeerd iets wordt, hoe moeilijker problemen op te lossen zijn als er iets misgaat. De conclusie volgde uit een vergelijking van de elektrische activiteit van hersencellen in de prefrontale cortex van de hersenen (de moderne zone die instaat voor onder meer besluitvorming en rationaliteit) en de amygdala (de oude zone voor emoties en automatische reacties zoals vluchtgedrag).

De amygdala is in die context de eenvoudige wasmachine: haar rol is zo belangrijk voor onze overleving (maar tegelijk vrij elementair) dat er niets mis mee mag gaan. Met de gesofisticeerde echt menselijke activiteiten van de hersenen mogen blijkbaar risico’s genomen worden. Aangezien de natuur geen rekening houdt met hoe wij als individu over bepaalde ontwikkelingen denken, kun je dus de twee samen krijgen: grotere cognitieve mogelijkheden, en hand in hand daarmee geestelijke stoornissen.

Een studie in Science toonde aan dat er nogal wat genetische verbanden bestaan tussen diverse psychiatrische problemen. Zo zijn angststoornissen en depressies genetisch sterk aan elkaar gelinkt, hoewel ze uiteenlopende symptomen kunnen genereren. Psychosen zijn gelinkt aan schizofrenie en zelfs de ziekte van Alzheimer. Autisme zou vanuit genetisch oogpunt wat op zichzelf staan. Maar hoe die puzzelstukken allemaal in elkaar passen, moet nog verder worden onderzocht. Onze hersenen zullen ons nog lang intensief bezighouden.