wikipedia/Foley, CC BY-SA
Het is een van de grote paradoxen van de evolutie. Mensen hebben aangetoond dat grote hersenen de sleutel zijn tot ons evolutionaire succes, en toch zijn zulke hersenen extreem zeldzaam bij andere dieren. De meesten redden zich met kleine hersenen en lijken de extra hersencellen (neuronen) niet te missen.
Waarom? Het antwoord waar de meeste biologen het over eens zijn, is dat grote hersenen veel energie kosten. En gezien de manier waarop natuurlijke selectie werkt, zijn de voordelen gewoon niet hoger dan de kosten.
Maar is het alleen een kwestie van grootte? Heeft de manier waarop onze hersenen zijn aangelegd ook invloed op de kosten? Een nieuw onderzoek, gepubliceerd in Science Advances, heeft een aantal intrigerende antwoorden opgeleverd.
Al onze organen hebben bedrijfskosten, maar sommige zijn goedkoop en andere duur. Botten zijn bijvoorbeeld relatief goedkoop. Hoewel ze ongeveer 15% van je gewicht uitmaken, verbruiken ze slechts 5% van je stofwisseling. Hersenen zitten aan de andere kant van het spectrum en met ongeveer 2% van het lichaamsgewicht verbruiken ze ongeveer 20% van onze stofwisseling. En dit zonder bewust na te denken – het gebeurt zelfs als we slapen.
Voor de meeste dieren zijn de voordelen van serieus nadenken het gewoon niet waard. Maar om de een of andere reden – misschien wel het grootste raadsel in de menselijke evolutie – heeft de mens manieren gevonden om de kosten van grotere hersenen te overwinnen en de vruchten ervan te plukken.
Dit is allemaal redelijk bekend, maar er is een meer prikkelende vraag. Zeker, mensen moeten de hogere kosten van onze hersenen dragen omdat ze zo groot zijn, maar zijn er andere kosten vanwege de speciale aard van onze cognitie? Kost denken, spreken, zelfbewust zijn of sommen maken meer dan typische dagelijkse dierlijke activiteiten?
Het is geen gemakkelijke vraag om te beantwoorden, maar het team achter de nieuwe studie, onder leiding van Valentin Riedl van de Technische Universiteit van München, Duitsland, is de uitdaging aangegaan.
De auteurs hadden een aantal bekende punten om mee te beginnen. Het basisontwerp en de structuur van neuronen is in de hersenen – en bij verschillende diersoorten – grotendeels hetzelfde. De neuronale dichtheid is ook hetzelfde voor mensen en andere primaten, dus het is onwaarschijnlijk dat deze de drijvende kracht zijn achter intelligentie. Als dat wel zo was, zouden sommige dieren met grote hersenen zoals orka’s en olifanten waarschijnlijk slimmer zijn dan mensen.
Olifanten hebben grotere hersenen dan mensen.
venusvi/Shutterstock
Ze wisten ook dat in de loop van de menselijke evolutie de neocortex – het grootste deel van de buitenste laag van de hersenen, bekend als de hersenschors – zich sneller heeft uitgebreid dan andere delen. Dit gebied, dat de prefrontale cortex omvat, is verantwoordelijk voor taken op het gebied van aandacht, denken, planning, perceptie en episodisch geheugen – allemaal nodig voor hogere cognitieve functies.
Deze twee observaties leidden ertoe dat ze onderzochten of er verschillende kosten zijn voor signalering in verschillende gebieden van de hersenen.
Het team scande de hersenen van 30 mensen met een techniek die tegelijkertijd het glucosemetabolisme (een maat voor energieverbruik) en het niveau van signalering in de cortex kon meten. Vervolgens konden ze kijken naar de correlatie tussen deze twee elementen en zien of verschillende delen van de hersenen verschillende niveaus van energie gebruikten – en zo ja, hoe.
Verrassende bevindingen
Neurobiologen zullen zeker nadenken en de fijne details van de resultaten onderzoeken, maar vanuit evolutionair oogpunt zijn ze wel tot nadenken stemmend. Wat ze vonden is dat het verschil in energieverbruik tussen verschillende delen van de hersenen groot is. Niet alle delen van de hersenen zijn energetisch gezien gelijk.
Niet alleen dat, maar de delen van het menselijk brein die het meest zijn uitgebreid hadden hogere kosten dan verwacht. De neocortex vroeg namelijk ongeveer 67% meer energie per gram weefsel dan sensorimotorische netwerken.
Dit betekent dat in de loop van de menselijke evolutie niet alleen de metabolische kosten van onze hersenen toenamen naarmate ze groter werden, maar dat ze dat ook nog eens versneld deden naarmate de neocortex sneller groeide dan de rest van de hersenen.
Waarom zou dat zo zijn? Een neuron is tenslotte een neuron. De neocortex heeft direct te maken met hogere cognitieve functies.
De signalen die door dit gebied worden gestuurd, worden doorgegeven via chemische stoffen in de hersenen zoals serotonine, dopamine en noradrenaline (neuromodulatoren), die circuits in de hersenen creëren om een algemeen niveau van opwinding te handhaven (in een neurologische betekenis van het woord dat wakker zijn betekent, niet plezier hebben). Deze circuits, die sommige hersengebieden meer reguleren dan andere, controleren en wijzigen het vermogen van neuronen in de hersenen om met elkaar te communiceren.
Met andere woorden, ze houden de hersenen actief voor geheugenopslag en denken – een over het algemeen hoger niveau van cognitieve activiteit. Het is misschien niet verrassend dat het hogere activiteitenniveau van onze geavanceerde cognitie hogere energiekosten met zich meebrengt.
Uiteindelijk lijkt het erop dat het menselijk brein niet geëvolueerd is naar zulke geavanceerde niveaus van cognitie omdat we grote hersenen hebben, of zelfs alleen maar omdat bepaalde delen van ons brein onevenredig groot werden, maar omdat – tegen een prijs – de connectiviteit verbeterde.
Veel dieren met grote hersenen, zoals olifanten en orka’s, zijn zeer intelligent. Maar het lijkt erop dat het mogelijk is om grote hersenen te hebben zonder de “juiste” schakelingen te ontwikkelen voor cognitie op menselijk niveau.
De resultaten helpen ons te begrijpen waarom grotere hersenen zo zeldzaam zijn. Met grotere hersenen kan complexere cognitie evolueren. Het is echter niet alleen een kwestie van hersenen en energie in hetzelfde tempo opschalen, maar ook van extra kosten maken.
Dit beantwoordt niet echt de ultieme vraag – hoe is de mens er in geslaagd om door het brein-energieplafond heen te breken? Zoals zo vaak in de evolutie moet het antwoord liggen in de ecologie, de ultieme bron van energie. Om een groot brein te laten groeien en in stand te houden – voor welke sociale, culturele, technologische of andere dingen het ook gebruikt wordt – is een betrouwbaar dieet van hoge kwaliteit nodig.
Om meer te weten te komen, moeten we de laatste miljoen jaar onderzoeken, de periode waarin de hersenen van onze voorouders echt groeiden, om deze interface tussen energie-uitgaven en cognitie te onderzoeken.
De auteurs werken niet voor, hebben geen adviesfuncties, bezitten geen aandelen in en ontvangen geen financiering van bedrijven of organisaties die baat zouden hebben bij dit artikel en hebben geen relevante banden bekendgemaakt buiten hun academische aanstelling.
