Indische olifanten hebben blijkbaar grotere hersenen dan wij. Muizen hebben een hogere massaverhouding tussen hersenen en lichaam, en grienden met lange vinnen hebben meer neuronen. Dus wat maakt mensen – en meer specifiek het menselijk brein – anders?
Wat de organen betreft, is de energie die door het menselijk brein wordt verbruikt ongetwijfeld enorm: elke dag wordt bijna 50 gram suiker, oftewel 12 stukjes suiker, geconsumeerd. Dit heeft een van de hoogste energiebehoeften in verhouding tot het lichaamsmetabolisme van alle bekende soorten. Maar wat verbruikt deze energie? Als de grootte en het aantal neuronen in het menselijk brein overeenkomen met de voorspellingen van primaten, en de verbruikte energie per neuron vergelijkbaar is met die van andere zoogdieren, dan zou het energieverbruik van het menselijk brein niet uniek moeten zijn.
De kosten van signalering
Een team van neurowetenschappers speculeert dat de hoeveelheid signalen in het menselijk brein verantwoordelijk kan zijn voor de toegenomen energiebehoefte. Eén resultaat hiervan is dat delen van de hersenen die nauwer met elkaar verbonden zijn en meer signalen ontvangen, meer energie zullen gebruiken.
Om hun hypothese te testen, brachten de wetenschappers eerst de hersenen in beeld van 30 gezonde, rechtshandige vrijwilligers van 20 tot 50 jaar oud. Beeldvorming werd uitgevoerd bij twee verschillende instellingen en de onderzoekers gebruikten de beeldvorming om het energieverbruik (gemeten door het glucosemetabolisme) van specifieke hersengebieden te correleren met hun signaal- en connectiviteitsniveaus. Ze ontdekten dat in alle 30 hersenen het energieverbruik en de signalering gelijktijdig plaatsvonden. Maar bepaalde gebieden vallen op. Signaalroutes in bepaalde gebieden van de hersenschors (het voorste deel van de hersenen) vereisen bijna 70% meer energie dan signaalroutes in sensomotorische gebieden.
De frontale cortex is een van de snelst groeiende gebieden tijdens de menselijke evolutie. Robert Sapolsky gelooft: "De belangrijkste rol van de prefrontale cortex is het nemen van moeilijke beslissingen in het licht van door verleiding uitgestelde bevrediging, langetermijnplanning, impulscontrole en emotionele regulatie. De prefrontale cortex is van cruciaal belang om je in staat te stellen het juiste te doen bij de moeilijkere dingen. Dit is een probleem waar mensen voortdurend mee te maken hebben. Wat energie betreft, vereist dit enorme kosten."
Het versterken van de regelgeving is ook de sleutel tot cognitie
Er is niet alleen energie nodig voor signalering, maar ook voor de regulering van signalering om ervoor te zorgen dat signalering op het juiste niveau en op het juiste moment plaatsvindt.
De onderzoekers gebruikten de Allen Brain Atlas om genactiviteit in de frontale cortex te bestuderen. Ze vonden een verhoogde activiteit van neuromodulatoren en hun receptoren. De auteurs merken op: "Het menselijk brein besteedt te veel energie aan de langetermijnregulatie van (snelle) neurotransmitters met (langzame) neuromodulatoren zoals serotonine, dopamine of noradrenaline. Er zijn ook endogene opiaten. Dit effect heeft meer te maken met het zetten van de toon van de algemene prikkelbaarheid dan met het leveren van individuele stukjes informatie."
Nadat ze het energieverbruik hadden gekoppeld aan signalering en langzaam werkende neuromodulatie in de hersenschors, was het laatste wat de wetenschappers deden het onderzoeken van een neuraal netwerkproject dat cognitieve functies in kaart brengt in hersengebieden. Er werd ontdekt dat de energieverslindende, sterk verbonden, sterk gereguleerde en evolutionair uitgebreide delen van de hersenschors betrokken zijn bij complexe functies zoals geheugenverwerking, lezen en cognitieve remming. Dit ondersteunt hun opvatting dat "een dure signaalarchitectuur gewijd is aan de menselijke cognitie."
Wetenschappelijke vooruitgang, 2023. DOI:10.1126/sciadv.adi7632