Onze hersenen worden weer meer als die van apen

Na onze scheiding van de chimpansee ontploften onze hersenen. In een paar miljoen jaar is het brein ruim verdrievoudigd in omvang, en wetenschappers hebben eindelijk ontdekt waarom. Maar nu worstelen ze met een ​​andere vraag: waarom krimpen onze hersenen weer?

Na onze scheiding van de chimpansee ontploften onze hersenen. In een paar miljoen jaar is het brein ruim verdrievoudigd in omvang, en wetenschappers hebben eindelijk ontdekt waarom. Maar nu worstelen ze met een ​​andere vraag: waarom krimpen onze hersenen weer?

Shutterstock

Een van de grootste mijlpalen in het begrip van onze soort werd bereikt in 2001. Na een 13-jarig project à 5 miljard dollar wist een internationaal team van genetici te melden dat het DNA van de mens volledig in kaart was gebracht.

Dus ineens hadden we de blauwdruk van een mens. Vijf jaar later was het DNA van de chimpansee ook opgetekend.

De wetenschappers gingen op zoek naar doorslaggevende verschillen tussen de twee soorten, onder meer om uit te zoeken waarom onze hersenen drie keer zo groot zijn als die van chimpansees. Maar dit bleek moeilijker te zijn dan gedacht.

De genen van mens en chimpansee zijn voor 99 procent identiek – maar dat wil niet zeggen dat alle verschillen in het laatste procent zitten, want ze kunnen ook schuilen in het deel van het DNA dat buiten de genen ligt.

Piepkleine verschillen in het DNA van mens en chimpansee hebben grote gevolgen. Slechts 16 afwijkende DNA-basen in een DNA-sequentie van meer dan 1000 basenparen geven ons een veel groter brein dan de andere apen.

© Claus Lunau

1. Enkele basen scheiden soorten

De gensequentie HARE5 codeert niet voor eiwitten, maar bepaalt hoe actief het gen FZD8 in de cellen is. HARE5 bestaat uit 1219 basenparen, waarvan er slechts 16 verschillend zijn bij mens en chimpansee.

© Claus Lunau

2. Fysiek contact zet het gen aan

HARE5 maakt fysiek contact met het gen FZD8 door een lus in het DNA te vormen. Het contact schakelt het gen in bij zowel mens als chimpansee, maar onze HARE5-variant stimuleert het gen meer.

© Claus Lunau

3. Gen bevordert de celdeling

Door het activeren van het gen FZD8 maakt de cel het eiwit FZD8 aan, dat de celdeling bevordert – onder meer in de hersenen van een foetus, met als resultaat een zeer hoog aantal zenuwcellen in de hersenschors.

Genen zijn als de werktekeningen voor de bouwstenen van het lichaam, eiwitten, maar uit de registratie van ons genoom bleek dat ze slechts 1,5 procent van het DNA uitmaken.

De rest werd junk-DNA genoemd omdat dit deel geen functie leek te hebben. Maar dat was een vergissing. In 2012 bleek dat zeker 80 procent van ons DNA biologisch actief is.

Een groot deel ervan reguleert de activiteit van genen, ook van de genen die de ontwikkeling van de hersenen aansturen. We zijn er dus nog lang niet achter waarom onze hersenen zo groot zijn, ook al zijn er al wat belangrijke ontdekkingen gedaan.

Maar terwijl de onderzoekers trachtten te doorgronden waarom onze hersenen zo snel zijn gegroeid, stuitten ze op een ander probleem: onze hersenen zijn inmiddels weer volop aan het krimpen.

Groot dierenbrein met onze genen

In 2015 brachten Amerikaanse onderzoekers de menselijke DNA-sequentie HARE5 in bij muizenembryo’s om de hersenontwikkeling te vergelijken met die van muisjes die de chimpanseevariant van deze gensequentie hadden gekregen.

Makaken met de menselijke versie van het hersen-gen MCPH1 bleken een beter geheugen te hebben dan andere makaken (de apen op de foto zijn van een ander experiment).

© China Daily CDIC/Ritzau Scanpix

De HARE5-sequentie, die eerder was afgedaan als junk-DNA, is 1219 basenparen lang, en het verschil tussen de variant van mens en aap is maar 16 basenparen.

Maar dat is dus wel heel belangrijk, want de hersenen van de muisjes met onze gensequentie waren 12 procent groter dan die van de muisjes met de apengenen.

In 2019 brachten Chinese onderzoekers de menselijke variant van het gen MCPH1 bij 11 foetussen van makaken in, waarna hun hersenen langer dan normaal bleven groeien.

Vijf foetussen overleefden tot na de geboorte, en toen de onderzoekers later hun mentale vermogens testten, bleek onder meer dat hun geheugen beter was dan dat van makaken zonder het menselijke gen.

Als makaken met menselijke genen geboren kunnen worden, kan dit ook met chimpansees.

Er zijn enorme ethische dilemma’s aan dergelijke experimenten verbonden, vooral als genetisch gemodificeerde dieren tot na de geboorte overleven. Dat er makaken met menselijke genen geboren konden worden, toont aan dat dit ook met chimpansees zou kunnen gebeuren.

Die chimpansees krijgen dan grotere hersenen, waarmee de grens tussen onze soorten vervaagt. En dit roept onder meer vragen op over de rechten van genetisch gemodificeerde dieren.

Brein is een relatieve eenheid

Het nieuwe inzicht in de ontwikkeling van hersengenen is een grote stap vooruit, maar heeft nog niet opgehelderd waardoor deze ontwikkeling is veroorzaakt.

Om dat raadsel op te lossen kijken onderzoekers nu naar de schedel van onze voorouders. Voorheen was niet bekend wanneer en hoe snel het brein zich heeft ontwikkeld, maar een team van Amerikaanse en Britse onderzoekers bracht daar in 2019 verandering in.

Wetenschappers hebben alle gegevens verzameld die ze maar konden vinden over de hersenen van onze voorouders uit de laatste 4 miljoen jaar.

Op basis van de verhouding hersenen-lichaam van levende primaten trokken ze een basislijn voor deze verhouding bij een gemiddelde primaat.

En toen ze de cijfers van onze voorouders met die basislijn vergeleken, doemde een beeld op van de hersenontwikkeling. Ons brein is 238 procent groter dan verwacht voor een primaat met ons lichaamsgewicht.

Als we 2 miljoen jaar teruggaan naar een van de eerste mensensoorten, Homo erectus, is dat 121 procent. En als we een paar miljoen jaar teruggaan naar de soort Australopithecus afarensis, is dat 59 procent. Het cijfer voor chimpansees is ook 59 procent.

Mensen en chimpansees hebben ongebruikelijk grote hersenen in vergelijking met andere apen, maar mensen zijn chimpansees in dit opzicht veruit de baas. Want 2 tot 4 miljoen jaar geleden namen onze hersenen een grote voorsprong.

© Claus Lunau

Chimpansee: grote hersenen

De hersenen van de chimpansee zijn met circa 400 kubieke centimeter zeer groot in verhouding tot het lijf, in vergelijking met het brein van andere apen.

© Claus Lunau

Zuidelijke aap: zelfde hersenen

Australopithecus afarensis (‘zuidelijke aap’), een van onze vroege voorouders, had hersenen van circa 460 kubieke centimeter, net als de chimpansee.

© Claus Lunau

Homo erectus: brein groeit al

Homo erectus was een van de eerste mensensoorten en had dubbel zo veel hersenen als Australopithecus. Zijn brein kwam uit op 1000 kubieke centimeter.

© Claus Lunau

Homo sapiens: gigahersenen

Onze hersenen van circa 1350 kubieke centimeter zijn 238 procent groter dan een gemiddeld apenbrein als je naar de verhouding hersenen-lichaam kijkt.

De resultaten bevestigen het beeld dat ons brein in de loop van de tijd is gegroeid, en dat dit bij de chimpansee minder snel ging. Maar de gegevens laten ook volkomen onverwachte tendensen zien.

De ontwikkeling van grotere hersenen is in verband gebracht met de ontwikkeling van onze cognitieve vermogens, dus je zou denken dat vooral het buitenste deel van de hersenschors, waar die vermogens zetelen, zou zijn gegroeid.

Maar dat is niet het geval. De verhouding tussen hersenen en hersenschors is bij ons gelijk aan die bij andere apen. En dit betekent dat het basisontwerp van onze hersenen al voltooid was toen we afscheid namen van de chimpansee.

Grote rol voor kleine hersenen

De verhoudingen van onze hersenen zijn al minstens 13 miljoen jaar ongewijzigd. De hersengebieden zijn wel gegroeid, maar blijkbaar allemaal in hetzelfde tempo. De sleutel tot deze groei moet dus niet op één plek worden gezocht, maar overal.

Door rechtop te lopen hadden onze voorouders hun handen vrij.

Dat inzicht vraagt aandacht voor hersengebieden die voorheen niet als spil van de ontwikkeling werden beschouwd, zoals het cerebellum, ofwel de kleine hersenen.

Het zit onder de rest van de hersenen en verfijnt vooral onze bewegingen, waardoor onze motoriek soepel en niet schokkerig is. Het draagt ook bij aan zaken als precisie, timing en coördinatievermogen.

En verder is het betrokken bij mentale aspecten als taal, aandacht en emotionele controle – allemaal vaardigheden die onze voorouders nodig hadden op de savanne.

Om rechtop te lopen moet het evenwicht heel goed zijn, en omdat we daar onze handen niet voor nodig hadden, konden we onze motoriek inzetten om bijvoorbeeld werktuigen te maken.

Ten slotte hebben de ontwikkeling van taal en het vermogen om impulsieve emotionele uitbarstingen te onderdrukken het leven in grote groepen makkelijker gemaakt.

In een proef uit 2020 werd het menselijke gen ARHGAP11B ingebracht bij foetussen van zijdeaapjes. Hierdoor werden de hersenen groter en kregen ze meer plooien.

© Heide et al./MPI-CBG

Al deze eigenschappen zullen een grote rol hebben gespeeld bij de ontwikkeling van de hersenen, maar het is nog onzeker in welke volgorde de behoeften en vermogens ontstonden en hoe ze op elkaar inwerkten.

Mens zet hoog in op het brein

Het menselijk brein maakt 4 procent van het lichaamsgewicht uit, maar slurpt 20 procent van de energie op die we consumeren. Geen enkel ander dier offert zo veel op aan het brein. Dat moet dus lonend zijn voor ons.

In een poging de reden te achterhalen, maakten Britse onderzoekers een wiskundig model dat diverse scenario’s naast elkaar plaatst.

Het model maakt inzichtelijk bij welk soort problemen het de moeite waard is om energie te steken in een groter brein.

Het maakt onderscheid tussen ecologische problemen, die ontstaan door de fysieke omgeving, en sociale problemen, die zich voordoen in relaties tussen individuen.

De onderzoekers testten een breed scala aan scenario’s, en vonden zo de combinatie die het beste past bij de daadwerkelijke evolutie van de hersengrootte.

Het model laat zien dat de kracht achter de ontwikkeling van de hersenen bestaat uit 60 procent ecologische problemen, 30 procent sociale problemen en 10 procent concurrentie tussen individuen.

Onze voorouders ontwikkelden die grote hersenen dus met name om de uitdagingen van de savanne aan te kunnen. Het grote brein zou worden gebruikt om voedsel te vinden, op te slaan voor later en te bereiden, zodat het makkelijker te eten en te verteren was.

Vaardigheden als het opsporen van prooidieren, het maken van werktuigen en het aansteken van vuur waren heel handig. Vervolgens speelden sociale talenten een rol bij de hersengrootte.

Daardoor konden we in grotere groepen samenwerken, bijvoorbeeld om dieren te slachten of andere groepen aan te vallen en hun voedsel te stelen.

‘Als er geen sociale uitdagingen waren, zouden onze hersenen nog groter geweest zijn.’ Mauricio González-Forero, Evolutiebioloog

Maar het model laat ook zien dat sociale problemen op zich niet leiden tot een groeiend brein – eerder juist tot kleinere hersenen.

‘Als er geen sociale uitdagingen waren, zouden onze hersenen nog groter geweest zijn, maar waarschijnlijk slecht toegerust voor een sociaal leven.

Groter is niet per se beter,’ vertelt een van de onderzoekers van de analyse, Mauricio González-Forero.

Het model verklaart dus niet alleen waarom we zulke grote hersenen hebben, maar ook waarom ze niet nóg groter zijn.

De voorouders van de chimpansee kregen te maken met heel andere combinaties van uitdagingen, wat resulteerde in veel kleinere hersenen. Misschien waren hun ecologische problemen geringer en de sociale groter.

Onze hersenen krimpen weer

Een groot brein kost het lichaam heel wat, dus als het onze kansen op overleving en voortplanting niet vergroot, zal de evolutie het kleiner maken. En dat is precies wat er de afgelopen 20.000 jaar is gebeurd.

De grootte van onze hersenen piekte circa 45.000 jaar geleden bij de cro-magnonmens.

© P. PLAILLY/E. DAYNES/SPL

Schedelmetingen laten zien dat de omvang van de hersenen bij mannen is gedaald van 1500 kubieke centimeter tot 1350. Dit staat gelijk aan hersenverlies ter grootte van een tennisbal.

En het vrouwelijke brein kent dezelfde krimp. Vermoedelijk hebben onze hersenen 45.000 jaar geleden hun maximale omvang bereikt bij de cro-magnonmens, de eerste Homo sapiens in Europa, die bekendstaat om het maken van geavanceerde grotschilderingen en vakkundig vervaardigde werktuigen, beeldjes en sieraden.

Hij leefde in dezelfde tijd als de Neanderthalers, die ook grotere hersenen hadden dan wij nu. Maar de Neanderthalers hadden ook meer lichaamsgewicht, dus relatief gezien waren hun hersenen kleiner dan die van ons.

Het staat nog ter discussie waarom onze hersenen de laatste 20.000 jaar gekrompen zijn. De oorzaak is vooralsnog onbekend, maar er zijn verschillende theorieën.

Een daarvan is dat ons lichaam is veranderd na de ijstijd. In een warmer klimaat was een heel compact lichaam niet langer nodig.

We werden slanker en verloren spiermassa, en daardoor konden we met een kleiner brein toe. Een andere theorie stelt dat ons dieet arm werd aan de eiwitten die nodig zijn voor een groot brein toen we van een bestaan als jager-verzamelaars overgingen naar een boerensamenleving.

En volgens een derde theorie zijn we gewoon dommer geworden omdat het niet langer lonend is om slim te zijn in een samenleving waar de sterken voor de zwakken zorgen.

Een van de best onderbouwde theorieën is van de Amerikaanse onderzoekers David Geary en Drew Bailey van de universiteit van Missouri.

In 2010 hebben ze de ontwikkeling van de hersengrootte onderzocht voor de periode van 1,9 miljoen tot 10.000 jaar terug, dus vanaf de oorsprong van Homo erectus totdat Homo sapiens zich over de hele aarde had verspreid.

Het doel was te ontdekken hoe sociale factoren een rol speelden voor de hersenomvang. Als maatstaf voor de complexe sociale omstandigheden waarin onze voorouders leefden, nam het duo het geschatte bevolkingsaantal.

Hierbij vonden ze een duidelijk verband tussen bevolkingsdichtheid en hersengrootte. Hoe dichter onze voorouders bij elkaar woonden, hoe kleiner de hersenen werden.

De grootste afname in omvang deed zich circa 15.000 jaar geleden voor, toen de hersenen 3 tot 4 procent krompen. En dat gold voor mensen van over de hele wereld – van Europa en Afrika tot China en Maleisië.

De reden hiervoor is volgens het duo dat een dichtbevolkte samenleving een betere kans op arbeidsverdeling biedt. In plaats van mentale duizendpoten te zijn die alle taken aankunnen, kunnen we ons specialiseren en beter worden in ons eigen vakgebied. Dan zijn we ieder voor zich wat dommer, maar samen slimmer.

Kleiner brein kan beter zijn

Andere onderzoekers hebben die tendens ook gevonden. De Amerikaanse antropoloog John Hawks bestudeerde Europese schedels van de bronstijd tot de middeleeuwen.

De bevolkingsdichtheid nam in die periode aanzienlijk toe, en de menselijke hersenen krompen navenant.

Als de ontwikkeling zo doorgaat, kunnen onze hersenen weer zo klein worden als die van chimpansees.

Volgens Hawks heeft die ontwikkeling de individuen echter niet per se dommer gemaakt. Hij wijst erop dat de bevolkingsdichtheid de evolutie mogelijk heeft versneld, want als we met meer zijn, treden er meer nieuwe mutaties op.

En hoe meer contact we hebben over geografische afstanden, hoe sneller gunstige mutaties zich verspreiden. Die hebben de hersenen mogelijk efficiënter gemaakt met betere verbindingen tussen de hersencentra.

Een groter brein is dus niet per se beter. En wellicht is de trend naar een kleiner stel hersenen nog lang niet voorbij.

Blijven onze hersenen in hetzelfde tempo krimpen als in de afgelopen 20.000 jaar, dan zullen ze over 50.000 jaar zo groot zijn als het exemplaar waarmee Homo erectus 2 miljoen jaar terug was uitgerust.

En al over 130.000 jaar zullen mensen hersenen hebben die even groot zijn als die van chimpansees.