Het menselijk zenuwstelsel is een prachtig en complex netwerk van cellen die samenwerken om toezicht te houden op lichaamsfuncties, een breed repertoire aan gedragingen en hoger redeneren mogelijk maken. Het bestaat uit 1) het centrale zenuwstelsel met zijn hersenen en ruggenmerg en 2) het perifere zenuwstelsel met zijn zenuwen en ganglia (groepen neuron cellichamen in de periferie). Door de eeuwen heen hebben onderzoekers geprobeerd licht te werpen op de werking en verborgen mechanismen van het zenuwstelsel in de hoop een beter begrip te krijgen van wat ons maakt tot wie we zijn. Maar om de vraag "Hoe werkt dit?" te beantwoorden, is het soms nuttig om een paar stappen terug te doen en ons te richten op het begrijpen van "Waar komt dit vandaan?" en "Hoe is het geëvolueerd tot dit?".
De studie van de evolutie van het zenuwstelsel door de jaren heen en over de soorten heen begon officieel in de 19e eeuw en is tot op heden gepaard gegaan met veel debatten en controverses. De twee belangrijkste bronnen van spanning verzetten zich tegen de opvatting dat:
Hoewel de studie van evolutie fel kan zijn, heeft het kerninzicht in de aangeboren verschillen en overeenkomsten tussen verschillende zenuwstelsels de wetenschap aanzienlijk vooruit geholpen. De studie van het menselijk zenuwstelsel wordt uiteraard beperkt door het ethische aspect van onderzoek op mensen. Vooruitgang in genomica, biochemie en zelfs biofysica heeft bijgedragen aan het uitbreiden van onze kennis over de oorsprong van het zenuwstelsel en heeft op deze manier een verfijnder en translationeel gebruik van diermodellen mogelijk gemaakt om de complexiteit van het menselijk brein beter te begrijpen.
Tijdens deze korte tijd samen zullen we een scala aan ongewervelde diersoorten bekijken, van eenvoudige koralen, bloedzuigers en platwormen tot de slimme octopussen. Deze soorten hebben allemaal geleid tot ongelooflijke ontdekkingen op het gebied van de neurowetenschappen en hebben ook een deel van het volledige evolutionaire pad (of rotsachtige weg) ontrafeld dat tot het menselijk brein heeft geleid.
Ongewervelde dieren
Hoewel het moeilijk te geloven is omdat ze geen botten in hun lichaam hebben, vertonen ongewervelde dieren zeer bijzondere zenuwstelsels. In 1822 stelde Saint-Hilaire, een Franse natuuronderzoeker, de theorie voor dat het zenuwstelsel van geleedpotigen (insecten, spinnen, schorpioenen...), dat zich aan de voorkant van de dieren bevindt (ventraal), vergelijkbaar is met het zenuwstelsel van gewervelde dieren, dat zich aan de achterkant bevindt (dorsaal). Deze theorie werd zwaar bekritiseerd, maar leidde ook tot een nieuwe golf van vragen, waarbij de mogelijke relaties tussen de zenuwstelsels van gewervelde en ongewervelde dieren opnieuw werden bekeken.
Laten we de stroom volgen
Om te beginnen met deze reis door de soorten heen, gaan we het hebben over wat wordt beschouwd als het meest primitieve en eenvoudige soort zenuwstelsel: de diffuse zenuw netten van cnidaria.
Het cnidaria phylum is een groep soorten waaronder koralen, zeeanemonen, hydra's en kwallen... Bij deze organismen zijn de zenuwcellen, in plaats van sterk geconcentreerd op specifieke plaatsen, over het hele organisme verspreid. Hoewel ze eenvoudig zijn, zijn deze organismen in staat om bepaalde stimuli waar te nemen, informatie te integreren en hun gedrag overeenkomstig aan te passen. Dit is bijvoorbeeld het geval bij zeeanemonen die kunnen bewegen als reactie op hun omgeving.
Sommige cnidaria, zoals de hydra's, hebben diffuse systemen, 'zenuw netten' genaamd, die bestaan uit zenuwcellen en -vezels. Sommige soorten hydra's hebben twee zenuw netten die op specifieke plaatsen meerdere verbindingen vormen. In deze organismen maken neuronen contact op een manier die lijkt op de chemische synapsen van gewervelde dieren. Interessant is dat sommige kleine eiwitten in het zenuwstelsel van de hydra ook voorkomen bij zoogdieren en de hersenfunctie kunnen veranderen.
Guiness world nerve cord
Verrassend genoeg vertoont de organisatie van het zenuwstelsel van platwormen enkele structurele overeenkomsten met dat van zoogdieren. Ze hebben inderdaad lange zenuwbanen die van hun hoofd naar het uiteinde van hun lichaam lopen, wat doet denken aan ruggenmergzenuwen, en een verzameling zenuwen die verdeeld zijn over twee grote centra in hun hoofd, wat doet denken aan hersenen. Deze organismen hebben nog steeds zenuwnetwerken, maar de aanwezigheid van een gecentraliseerd netwerk van neuronen brengt ze dichter bij meer geëvolueerde soorten.
Tegenwoordig zijn deze organismen zeer goed beschreven. Bij de soorten Planaria en Nematoden zijn structurele, chemische en gedragsmatige zenuw kenmerken geïdentificeerd en bijvoorbeeld gebruikt in de neurofarmacologie voor het bestuderen van neurotransmitters. De nematoden produceren namelijk een aantal neurotransmitters die ook bij mensen voorkomen, zoals acetylcholine, GABA, glutamaat, serotonine, adrenaline, noradrenaline en histamine. Bij deze dieren worden ze soms in verband gebracht met specifieke gedragsfuncties. Zo wordt serotonine in verband gebracht met het leggen van eieren, het afremmen van de voortbeweging en het paren. Van dopamine is daarentegen aangetoond dat het deze gedragingen remt.
Hersenen zwaaien vaarwel
Op dezelfde manier werden bij anneliden de zenuwfuncties meer gecentraliseerd in het hoofd, waardoor de vorming van hersenachtige structuren begon. Bij sommige meer roofzuchtige annelidensoorten is de organisatie complexer. De hersenen zijn verder onderverdeeld in een voorhersenen, middenhersenen en achterhersenen. Bovendien hebben ze reusachtige axonen die vanuit de hersenen langs het zenuwstelsel lopen. Deze reusachtige neuronen zorgen voor een snelle geleiding van de informatie naar de spieren om het lichaam van de worm samen te trekken als reactie op bedreigingen.
Synapse your fingers to the beat
Bij tweekleppigen bevinden de meeste zintuigen zich aan de rand van de mantel en worden ze gevoed door groepen zenuwcellen (ganglia) die specifiek toezicht houden op hun functie. Het samentrekken van de spieren als reactie op een stimulatie van de ganglia sluit de schelp van het weekdier.
Een van mijn favoriete weekdieren (nee, het is niet raar om een favoriet weekdier te hebben) is de aplysia. Dit zeer eenvoudige organisme heeft ons namelijk in staat gesteld om leren en geheugen op cellulair niveau te bestuderen en daardoor twee processen met betrekking tot synaptische plasticiteit te ontrafelen: gewenning en sensitisatie. In een notendop trekt de aplysia als reactie op een milde tactiele prikkel meestal zijn kieuw in (het orgaan dat onderwater soorten gebruiken om te ademen). Wanneer de stimulus vele malen wordt herhaald, worden de actiepotentialen die door de motorneuronen worden opgewekt om de kieuwen terug te trekken steeds zwakker, totdat de actiepotentialen te zwak zijn om een motorische reactie op te wekken. Dit proces is gewenning. Wat sensitisatie betreft, door associatie kan de aplysia gevoeliger worden voor bepaalde stimuli dan voorheen. Door een neutrale stimulus te associëren met een pijnlijke stimulus, wordt de aplysia waakzamer en trekt hij zijn kieuwen terug, zelfs als er geen gevaar dreigt. Dit fenomeen lijkt erg natuurlijk, maar met dit model kon dit fenomeen op moleculair niveau worden vastgesteld.
Mind your own tentacles
Koppotigen hebben de eigenschap dat ze meerdere integratiecentra hebben waarvan wordt beweerd dat ze verband houden met de evolutie van ruimtelijk, sociaal en zelf gemotiveerd leren. Van alle ongewervelde dieren wordt aangenomen dat ze de hoogste graad van ontwikkeling van het zenuwstelsel hebben bereikt. Hoewel de organisatie van hun zenuwstelsel lijkt op dat van de anneliden, vertonen ze enige nieuwigheid, met bijvoorbeeld een hogere mate van gelijkenis met het menselijk brein en een concentratie van de zenuwfuncties in de hersenen van de dieren. De periferie vertoont minder zenuwcellen, die meestal geconcentreerd zijn in zenuwvezels en ganglia (groepen zenuwcellen). Zenuwen strekken zich uit van de hersenen naar de ganglia (meestal gelegen aan de basis van de tentakels) en van de ganglia over de lengte van de armen. Door hun grote omvang geleiden deze vezels de informatie snel naar de tentakels en maken ze snelle bewegingen mogelijk. Deze complexere organisatie van het zenuwstelsel is inherent verbonden met een breder gedragsrepertoire. Koppotigen zijn voornamelijk roofdieren: ze bewegen zich zeer snel, gebruiken hun ogen om hun voedsel te vinden, gebruiken hun tentakels om tactiele informatie over hun prooi en omgeving te verkrijgen en te onderscheiden, en leren en onthouden gebeurtenissen uit het verleden en de beste manieren om hun prooi te vangen... Deze meer ontwikkelde functies zijn gecentraliseerd en gekoppeld aan zeer specifieke centra zoals associatieve gebieden die gekoppeld zijn aan objectherkenning, leren en geheugen.
Studies onder leiding van Octopus vulgaris proberen momenteel vast te stellen of octopussen een spiegelbeeld van zichzelf kunnen herkennen. Als octopussen inderdaad tot zelfbewustzijn in staat zijn, zouden ze de eerste ongewervelde dieren zijn waarvan is aangetoond dat ze zulke hogere hersenfuncties bezitten.
Korte conclusie
Er zijn fundamentele verschillen tussen het zenuwstelsel van gewervelde en ongewervelde dieren, maar er zijn ook enkele overeenkomsten tussen de soorten. Het is moeilijk om precies te zeggen hoe het zenuwstelsel is geëvolueerd en welke stappen daarbij betrokken waren. Het is echter wel mogelijk om een algemeen overzicht van de evolutie door de soorten heen af te leiden. Beetje bij beetje lijkt het erop dat het zenuwstelsel steeds complexer werd en meer ging lijken op wat we gewend zijn te zien bij gewervelde dieren. Wat betreft het menselijk brein was er nog een lange weg te gaan en waren er veel verschillende versies van het zenuwstelsel totdat het uiteindelijk zijn huidige niveau van complexiteit en organisatie bereikte. Het begrijpen van eenvoudige organismen heeft ons geholpen en zal ons blijven helpen om een aantal moeilijke concepten beter te begrijpen, zoals eerder genoemd met gewenning en sensitisatie in de aplysia die het concept van synaptisch geheugen weerspiegelen.
Soms is een kleine zaklamp alles wat nodig is om dingen duidelijker te zien.
Volg ons om meer te leren over het zenuwstelsel bij gewervelde diersoorten 🙂
Auteur: Jennifer Morael
Referenties
Amodio, P., & Fiorito, G. (2022). A preliminary attempt to investigate mirror self-recognition in Octopus vulgaris. Frontiers in Physiology, 13, 951808. https://doi.org/10.3389/fphys.2022.951808
Brownlee, D. J., & Fairweather, I. (1999). Exploring the neurotransmitter labyrinth in nematodes. Trends in Neurosciences, 22(1), 16–24.
Kandel, E. R., Schwartz, J. H., & Jessell, T. M. (2000). Principles of neural science (4th ed.). McGraw-Hill, Health Professions Division.
Lenharo, M. (2023). Comb jellies’ unique fused neurons challenge evolution ideas. Nature. https://doi.org/10.1038/d41586-023-01381-7
Lentz, T. L. and Erulkar, . Solomon D. (2023, May 11). nervous system. Encyclopedia Britannica. https://www.britannica.com/science/nervous-system
Michael Vecchione, Clyde F.E. Roper, & Michael J. Sweeney (February 1989). "Marine Flora and Fauna of the Eastern United States. Molusca: Cephalopoda". NOAA Technical Report NMFS 73 (National Oceanic and Atmospher
Ryan, J. F., & Chiodin, M. (2015). Where is my mind? How sponges and placozoans may have lost neural cell types. Philosophical transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological sciences, 370(1684), 20150059. https://doi.org/10.1098/rstb.2015.0059ic Administration & National Marine Fisheries Service).
Saint-Hilaire, É. G. (1822). Considérations générales sur la vertèbre. Unknown editor.
