Er was weinig kans om de olifant in de kamer te missen. Ongeveer een dozijn jaar nadat Simba stierf in de dierentuin van Cleveland Metroparks, werd een halve centimeter plak van haar gelige, gerimpelde hersenen van basketbalformaat aangelegd voor John Allman, een neurowetenschapper aan het California Institute of Technology in Pasadena.
gerelateerde inhoud
- Schoonheid van de hersenen
- Hoe onze hersenen herinneringen maken
Geconserveerd in formaldehyde zag het eruit als een halve pannenkoek, bevroren vast op een nevelbed van droog ijs. Allman sneed het zorgvuldig met behulp van het laboratoriumequivalent van een vleeswaren-deli. Hij duurde ruim een uur en sneed 136 flinterdunne secties af.
Allman zocht naar een bijzonder soort hersencel waarvan hij vermoedt dat het een sleutel is tot hoe de Afrikaanse olifant - net als een mens - erin slaagt om afgestemd te blijven op de steeds veranderende nuances van sociaal samenspel. Deze spoelvormige hersencellen, von Economo-neuronen genoemd - genoemd naar de man die ze voor het eerst beschreef - zijn alleen te vinden in menselijke wezens, mensapen en een handvol andere opvallend gregarious wezens. Allman, 66, vergelijkt de hersenen van mensen en andere dieren om inzicht te krijgen in de evolutie van menselijk gedrag.
"Neurowetenschappen lijken echt terughoudend om de vraag te benaderen waarom onze hersenen ons menselijk maken, en John doet precies dat", zegt Todd Preuss, een neuroanatomist en antropoloog in het Yerkes National Primate Research Center in Atlanta. "We weten heel, heel weinig over hoe onze hersenen verschillen van die van andere dieren", behalve dat onze hersenen groter zijn. "
De von Economo-neuronen zijn de meest opvallende bevindingen van de afgelopen jaren in vergelijkend hersenonderzoek, waarin wetenschappers kleine verschillen tussen soorten uitzoeken. Neuroanatomist Patrick Hof en zijn collega's van de Mount Sinai School of Medicine in Manhattan stuitten voor het eerst op de neuronen in menselijke hersenspecimens in 1995, in een gebied aan de voorkant van de hersenen dat de voorste cingulaire cortex wordt genoemd. De meeste neuronen hebben kegelvormige of stervormige lichamen met verschillende vertakkingen, dendrieten genoemd, die signalen ontvangen van naburige cellen. Maar von Economo-neuronen zijn dun en langwerpig, met slechts één dendriet aan elk uiteinde. Ze zijn vier keer groter dan de meeste andere hersencellen, en zelfs bij soorten die de cellen hebben, zijn ze zeldzaam.
Het team van Manhattan, zo bleek, had een onbekend celtype herontdekt dat voor het eerst werd geïdentificeerd in 1881. Hof noemde de cellen naar een in Wenen gevestigde anatomist, Constantin von Economo, die in 1926 de neuronen in menselijke hersenen precies beschreef; daarna gleden de cellen in het duister weg. Hof begon in de hersenen van overleden primaten te kijken, waaronder makaken en mensapen - chimpansees, bonobo's, gorilla's en orang-oetans - geschonken door dierentuinen en heiligdommen. Hij nam contact op met Allman, die een verzameling primatenhersenen had, en vroeg hem om samen te werken. In 1999 rapporteerden de wetenschappers dat alle grote apensoorten von Economo-cellen hadden, maar kleinere primaten, zoals makaken, maki's en spookdiertjes, niet. Dat betekende dat de neuronen ongeveer 13 miljoen jaar geleden evolueerden in een gemeenschappelijke voorouder van alle grote apen, nadat ze van andere primaten waren afgeweken, maar lang voordat de menselijke en chimpansee-lijnen ongeveer zes miljoen jaar geleden uiteen liepen.
Hoewel Allman bekend staat als een neuroanatomist, is het niet verwonderlijk dat hij zich verdiept in grotere vragen over wat het betekent om mens te zijn. Zijn doctoraat aan de Universiteit van Chicago was antropologie en hij is al lang gefascineerd door de evolutie van het primatenbrein. Hij voerde historische studies uit met zijn collega Jon Kaas, waarbij hij de delen van het brein van de uilenaap identificeerde die visuele informatie analyseren en zicht mogelijk maken. In 1974 verhuisde Allman naar Caltech, waar hij 25 jaar visie studeerde. Maar hij jeukte ook om te ontdekken hoe de basiswerking van het menselijk brein sociaal gedrag vormgeeft. De neuronen van von Economo wisten meteen zijn interesse te wekken.
Allman, die gescheiden is, woont in een 150 jaar oud bakstenen huis in San Marino dat hij deelt met twee Australische herdershonden, Luna en Lunita. Sepia-getinte foto's van zijn suffragistische grootmoeder hangen aan de muur van de woonkamer. Omdat hij "notoir nachtelijk" is, zoals Allman het zegt, komt hij zelden voor 13.00 uur naar het laboratorium, vertrekt 's avonds om thuis te blijven werken en blijft meestal tot 02.00 uur. Zijn Caltech-kantoor is slecht verlicht door een enkel venster en een klein venster bureaulamp; het ziet eruit als een grot vol boeken en papieren. De gang door, glazen dia's van gorilla, bonobo en olifanten hersenweefsel, blauw en bruin gekleurd, liggen op tafels en toonbanken te drogen.
Uit het werk van von Economo leerde Allman dat de ongebruikelijke cellen alleen in de voorste cingulaire cortex (ACC) en een andere niche van het menselijk brein leken te zitten, de frontale insula (FI). Onderzoek naar hersenscans heeft aangetoond dat de ACC en FI vooral actief zijn wanneer mensen emoties ervaren. Beide gebieden lijken ook belangrijk te zijn voor 'zelfcontrole', zoals het opmerken van lichamelijke gevoelens van pijn en honger of het herkennen dat iemand een fout heeft gemaakt. De ACC lijkt in grote lijnen betrokken bij bijna elke mentale of fysieke inspanning.
De frontale insula kan daarentegen een meer specifieke rol spelen bij het genereren van sociale emoties zoals empathie, vertrouwen, schuldgevoel, schaamte, liefde - zelfs een gevoel voor humor. Volgens experimenten die de werking van verschillende hersengebieden meten, wordt het gebied actief wanneer een moeder bijvoorbeeld een huilende baby hoort, of wanneer iemand een gezicht bestudeert om de bedoelingen van de andere persoon te bepalen. De FI is waar de hersenen monitoren en reageren op "onderbuikgevoelens" van lichamelijke sensaties of interacties binnen een sociaal netwerk, zegt Allman. Het is de link tussen zelfcontrole en het bewustzijn van anderen waardoor we de gevoelens van andere mensen kunnen begrijpen. "De basispropositie die ik ontwikkel, " zegt hij, "is het idee dat zelfbewustzijn en sociaal bewustzijn deel uitmaken van hetzelfde functioneren, en de von Economo-cellen zijn daar onderdeel van."
Allman denkt dat de neuronen de communicatie van de ACC en FI naar de rest van de hersenen versnellen. De cellen zijn ongewoon groot en in het zenuwstelsel correleert grootte vaak met snelheid. "Het zijn grote neuronen, waarvan ik denk dat ze heel snel iets lezen en die informatie dan snel elders doorgeven", zegt hij. Hij speculeert dat naarmate onze primaten voorouders grotere en grotere hersenen ontwikkelden, ze snelle verbindingen nodig hadden om berichten over grotere afstanden te verzenden. "Grote hersengrootte brengt noodzakelijkerwijs een vertraging van de communicatie in de hersenen met zich mee, " voegt hij eraan toe. "Dus een manier om daarmee om te gaan is om een paar gespecialiseerde populaties cellen te hebben die behoorlijk snel zijn."
Gezien het feit dat de neuronen in de sociale hotspots van de hersenen leven, theoretiseert Allman dat het von Economo-celsysteem een snelle, intuïtieve informatie mogelijk maakt over emotioneel geladen, vluchtige situaties. De neuronen "zouden iemand in staat stellen zich snel aan te passen aan veranderende sociale contexten", speculeert hij. In het oude verleden heeft deze neurale bedrading onze voorouders misschien een voorsprong gegeven door hen in staat te stellen nauwkeurige, in een fractie van een seconde uitspraken te doen, vooral over wie ze konden vertrouwen of niet.
Allman, Hof en hun collega's hebben von Economo-neuronen gezocht in meer dan 100 diersoorten, van luiaards tot platypussen. Van slechts enkele daarvan, behalve primaten en olifanten, is bekend dat ze de cellen hebben: bultruggen, potvissen, vinvissen, orka's en dolfijnen met een flesneus. De cellen evolueerden vermoedelijk in nu uitgestorven soorten die ongeveer 35 miljoen jaar geleden aanleiding gaven tot die zeezoogdieren.
Terwijl ik hem het olifantenbrein bij Caltech zag doorsnijden, bereikte Allman, samen met collega's Atiya Hakeem en Virginie Goubert, eindelijk de FI van Simba's linkerhersenhelft. Drie dagen later bleek uit microscopisch onderzoek van de hersenplakjes dat het bezaaid was met de onderscheidende spoelvormige cellen. Dat bevestigde hun eerdere waarneming van soortgelijke neuronen in de FI van Simba's rechterhersenhelft. De olifantencellen zijn groter dan die van mensen en primaten, ongeveer de grootte van walvisneuronen, maar de grootte en vorm zijn onmiskenbaar von Economo-neuronen.
Uit het tellen van de von Economo-cellen in 16 objectglaasjes - een karwei voor oogglazuur - schatten Hakeem en Allman dat er ongeveer 10.000 van hen in de postzegelformaat FI aan de rechterkant van het olifantenbrein zitten, of ongeveer 0, 8 procent van de FI's 1, 3 miljoen neuronen. Von Economo-neuronen zijn overvloediger aanwezig in de menselijke FI, met een gemiddelde van ongeveer 193.000 cellen en goed voor ongeveer 1, 25 procent van alle neuronen daar. In absolute getallen heeft het menselijk brein ongeveer een half miljoen von Economo-neuronen, veel meer dan de hersenen van olifanten, walvissen of mensapen. Allman en zijn collega's hebben niets gevonden in de naaste verwanten van de olifant: de miereneter, het gordeldier en de rots hyrax. De afwezigheid van cellen in deze soort ondersteunt de theorie van Allman dat de neuronen een kenmerk zijn van grote hersenen.
Allman speculeert dat dergelijke cellen gemakkelijk evolueren uit een kleine reeks neuronen in de insulaire cortex die bij alle zoogdieren worden gevonden en de eetlust reguleren. Hij denkt dat terwijl von Economo-cellen waarschijnlijk evolueerden om informatie rond een groot brein te versnellen, ze werden gecoöpteerd door de eisen van sociale interacties. Als hij gelijk heeft, kunnen slimme, sociale dieren zoals walvissen en olifanten dezelfde gespecialiseerde bedrading voor empathie en sociale intelligentie hebben als mensen.
Walvissen en olifanten, zoals mensen en mensapen, hebben grote hersenen en een langdurige jeugdfase waarin ze leren van hun ouderen. Ze herkennen elkaar en ontwikkelen levenslange samenwerkingsrelaties. Orka's jagen in groepen en beschermen gewonde podgenoten. De olifantenmaatschappij is verankerd door matriarchen die hun kuddes begeleiden naar kroegen die ze kennen van eerdere bezoeken. (En er is misschien enige waarheid in het geloof dat olifanten nooit vergeten: toen Allman, Hof en Hakeem in 2005 het eerste 3D-beeld met hoge resolutie van het brein van een olifant maakten, vonden ze een enorme hippocampus, het hersengebied waar herinneringen worden gevormd.) De gevoelige beesten identificeren elkaar aan hun gerommel en trompetgeroep, komen elkaar te hulp en lijken hun doden te treuren.
Allman toont graag een clip uit een documentaire over een groep Afrikaanse olifanten die een weeskalf hebben geadopteerd. Wanneer de babyolifant in een waterpoel valt, marcheert de matriarch snel in, gevolgd door de anderen. Samen gebruiken zij en een tweede vrouwtje hun slagtanden, stammen en benen om het kalf van de mest te bevrijden. Een ander dier poot met zijn voet op de steile oever en bouwt een helling die de jongere gebruikt om in veiligheid te klimmen. "Het is echt opmerkelijk", zegt Allman over hoe de olifanten de crisis snel hebben ingepakt en hebben samengewerkt om de baby te redden. "Het is een zeer hoog soort functioneren dat maar heel weinig dieren kunnen doen. En, " voegt hij er lachend aan toe, "mensen kunnen het alleen op goede dagen doen." De redding, zegt hij, "vangt de essentie van echt complex, gecoördineerd sociaal gedrag."
Het idee van de centrale plaats van de neuronen in sociale intelligentie wint terrein. Yerkes-primatoloog Frans de Waal zegt dat het "buitengewoon opwindende" onderzoek van Allman aansluit bij enkele van zijn eigen onderzoeken naar pachyderme intelligentie. Twee jaar geleden meldden de Waal en twee medewerkers dat een Bronx Zoo-olifant genaamd Happy zichzelf in een spiegel kon herkennen. Sommige wetenschappers theoretiseren dat het vermogen om de eigen reflectie te herkennen duidt op een vermogen tot zelfbewustzijn en zelfs empathie, nuttige vaardigheden in een zeer sociale soort. De Waal wijst erop dat alleen dieren met von Economo-neuronen dit kunnen doen.
Maar de Waal waarschuwt ook dat "totdat iemand de exacte functie van die cellen vaststelt, het in feite een verhaal blijft".
De gedachten van Allman over von Economo-cellen evolueren nog steeds. Terwijl nieuwe gegevens binnenkomen, gooit hij de eerste concepten weg en integreert hij andere. In tegenstelling tot de stereotypische voorzichtige wetenschapper aarzelt hij niet om gewaagde hypothesen naar voren te brengen op basis van enkele observaties. De theorie dat von Economo-neuronen ten grondslag liggen aan sociale cognitie is gewaagd. En het is verleidelijk om de cellen te grijpen als een eenvoudige verklaring voor de basis van de complexe sociale aard van onze soort. Maar Allman weet dat dat een eind is.
Zijn theorie heeft zijn sceptici. Antropoloog Terrence Deacon, van de Universiteit van Californië in Berkeley, vraagt zich af of de neuronen echt een ander type hersencel zijn of gewoon een variatie zijn die ontstaat in grote hersenen. Hij zegt dat de verschillen in onze hersenen die ons menselijk maken, eerder zijn ontstaan door grootschalige veranderingen dan door subtiele veranderingen in de vorm van neuronen. "Ik denk niet dat het een heel groot deel van het verhaal is", zegt hij over het idee van Allman. Toch voegt hij eraan toe, als het gaat om het begrijpen van het menselijk brein, "zolang we erkennen dat we zo weinig te doen hebben, moeten in die omstandigheden alle hypothesen worden gehonoreerd."
Punt gemaakt. Maar het is moeilijk om niet verleid te worden door de theorie van Allman wanneer sommige van de meest overtuigende bewijzen niet afkomstig zijn van het laboratorium voor dierenpathologie, maar van de medische kliniek.
William Seeley, een neuroloog aan de Universiteit van Californië in San Francisco, bestudeert een slecht begrepen neurodegeneratieve ziekte die frontotemporale dementie wordt genoemd. Patiënten hebben een afbraak in hun karakter, verliezen sociale genaden en empathie, worden ongevoelig, grillig en onverantwoordelijk. Huwelijken en carrières imploderen. Veel patiënten lijken lichamelijk zelfbewustzijn te missen: wanneer ze worden gediagnosticeerd met andere ziekten, ontkennen ze problemen te hebben. Hersenbeeldstudies bij patiënten met dementie hebben schade aan frontale hersengebieden aan het licht gebracht.
In 2004 hoorde Seeley Allman-lezing over von Economo-neuronen. Toen Allman zijn PowerPoint-dia's doorklikte, zag Seeley dat de cellen waren geclusterd in dezelfde hersengebieden waarop de dementie zich richtte, de ACC en FI. "Het leek een beetje op Eureka, " herinnert Seeley zich. Hij dacht dat de cellen onderzoekers zouden kunnen helpen erachter te komen waarom die gebieden kwetsbaar waren voor vernietiging. "Ook dacht ik, wat een interessante manier om iets over de menselijke natuur te leren. Misschien zijn de tekorten die patiënten ontwikkelen misschien wel in dingen die uniek zijn voor mensen. Dus er was een grote stroom van ideeën."
Na de koffie kwamen Seeley en Allman overeen om samen te werken om te ontdekken of von Economo-neuronen beschadigd waren bij mensen met frontotemporale dementie. Bij het analyseren van hersenen van overleden patiënten ontdekten de wetenschappers dat in feite ongeveer 70 procent van de von Economo-neuronen in het ACC waren vernietigd, terwijl naburige hersencellen grotendeels onaangetast waren. "Het is heel duidelijk dat het oorspronkelijke doelwit van de ziekte deze cellen zijn, en wanneer je deze cellen vernietigt, krijg je de hele afbraak van sociaal functioneren", zegt Allman. "Dat is echt een verbazingwekkend resultaat dat zo duidelijk mogelijk spreekt over de functie van de cellen."
Dit ongebruikelijke neurale systeem lijkt veel ten grondslag te liggen aan wat ons mens maakt. Maar het feit dat olifanten en walvissen blijkbaar dezelfde neurale hardware delen, opent de geest voor een tilt in perspectief: onze hersenen kunnen meer lijken op die van andere slimme, sociale dieren dan we dachten.
Ingfei Chen woont in Santa Cruz, Californië.
Fotograaf Aaron Huey woont in Seattle.
Gevonden in 1881 en beschreven in 1926 door Constantin von Economo, heeft de grote, spoelvormige hersencel (rechts) minder takken dan een typisch neuron (links). (KK Watson, TK Jones & JM Allman / met toestemming van Elsevier (2)) 
John Allman (met collega Atiya Hakeem van Caltech onderzoekt hersenmonsters van olifanten) is op zoek naar een van de biologische sleutels tot menselijk gedrag. (Aaron Huey) 
Het is nu bekend dat Constantin von Economo-neuronen voorkomen in delen van het menselijk brein die sensaties en sociale emoties verwerken. (Illustratie door Guilbert Gates) 
Constantin von Economo beschreef precies de neuronen in menselijke hersenen in 1926. (Oxford University Press) 
Het bestuderen van andere soorten levert inzichten op in "wat het is over onze hersenen dat ons mens maakt", zegt Todd Preuss. (Jack Kearse / Emory University) 
Slim, sociaal en ja, begiftigd met een uitstekend geheugen, olifanten (Simba in Cleveland Metroparks Zoo, waar ze stierf in 1995) behoren tot de weinige dieren met von Economo-neuronen. (Cleveland Metroparks Zoo) 
John Allman bestudeert delen van het brein van Simba. (Aaron Huey) 
Patrick Hof onderzoekt wanneer en waar von Economo-neuronen evolueerden in de primatenstamboom. (Michael Balter) 
John Allman gebruikt een hersensnijder. (Ingfei Chen) 
John Allman snijdt flinterdunne delen van een geconserveerd brein af om te bestuderen. (Ingfei Chen) 
Hersenplakmonsters in het lab van John Allman. (Aaron Huey) 
Berggorilla's behoren tot de dieren waarvan bekend is dat ze in complexe groepen leven. (IStockphoto) 
Bultruggen zijn een andere soort waarvan bekend is dat ze in complexe groepen leven. (Blaine Harrington III / Corbis) 
Van Afrikaanse olifanten is bekend dat ze ook in complexe groepen leven. Waarom zijn ze zo goed in socialiseren? Een reden, stelt Allman, is gespecialiseerde von Economo-neuronen die impulsen versnellen over ongewoon grote hersenen tussen centra die betrokken zijn bij communicatie en samenwerking. (IStockphoto)
