Leuvense onderzoekers ontdekken het geheim van langzame hersengroei

Het duurt meerdere jaren voordat de menselijke hersenen zich volledig ontwikkelen, terwijl dit bij andere diersoorten veel sneller gebeurt. De trage groei van het menselijk brein zou belangrijk zijn voor de werking ervan, maar de oorzaak hiervan was nog ongekend. Nu heeft een team van onderzoekers onder leiding van Ryohei Iwata, Pierre Casimir en Pierre Vanderhaeghen (VIB-KU Leuven Centrum voor Hersenonderzoek en ULB) ontdekt dat de mitochondriën, de energiefabriek in de hersencellen, verantwoordelijk zijn voor de snelheid waarmee de hersenen zich ontwikkelen. Deze ontdekking werpt een licht op de menselijke evolutie en kan belangrijke implicaties hebben voor de hersenfunctie en ziekten. 

Pierre Vanderhaeghen: "We ontdekten dat mitochondriën het tempo van de neuronale groei bepalen. Neuronen, de hersencellen die signalen doorgeven, hebben een zandloper in zich om de tijd te meten, en mitochondriën leveren die zandloper. Deze vondst is een belangrijke stap om een van de grootste mysteries in de biologie te begrijpen: wat maakt het menselijk brein zo verschillend van dat van andere soorten, en waarom is het zo gevoelig voor sommige ziekten? Ons onderzoek kan ​ het fundamentele en farmaceutische onderzoek naar menselijke neurologische of psychiatrische ziekten versnellen, wat tot nu toe sterk werd gehinderd door trage neuronale ontwikkeling."

Gedreven door mitochondriën

In vergelijking met andere soorten heeft het menselijk brein veel tijd nodig om zijn neuronen te ontwikkelen. Het duurt jaren vooraleer ze volledig volgroeid zijn, in tegenstelling tot bijvoorbeeld weken bij de muis. Deze langzame groei zou ook cruciaal zijn voor de sterk ontwikkelde functies van het menselijk brein. Uit eerdere studies van het Vanderhaeghen lab bleek dat deze timing door de cellen zelf wordt geregeld en niet door externe factoren, maar het was onbekend hoe.

Nu hebben Vanderhaeghen en zijn lab aangetoond dat mitochondriën ook de ontwikkelingssnelheid van de hersenen bepalen. Mitochondriën zijn verantwoordelijk voor de energieproductie in cellen. Onze hersenen leven van de energie die de mitochondriën in de hersencellen produceren. Deze kennis kan een grote invloed hebben op de studie van neurologische ziekten.

Een cellulaire zandloper

Mitochondriën regelen het metabolisme in elke cel door voedingsstoffen zoals suiker om te zetten in energie. Men dacht dat ze in elke cel hetzelfde waren, maar Ryohei Iwata en Pierre Casimir deden de verrassende ontdekking dat mitochondriën in jonge menselijke neuronen zich anders gedragen dan die van muizenneuronen op dezelfde leeftijd: de menselijke mitochondriën groeien veel langzamer en hun energiemetabolisme is veel minder actief.

Muizenneuronen (links) en een menselijke neuron (rechts). Mitochondriën in het groen.

Is dit verbonden met de trage rijping van menselijke neuronen? Om dit te testen hebben de wetenschappers de neuronen farmacologisch en genetisch gemanipuleerd om de mitochondriale functie te versterken. Zij zagen dat dit het tempo van de neuronontwikkeling versnelde, zodat neuronen maanden eerder volwassen werden. Omgekeerd leidde vermindering van de mitochondriale functie tot een tragere groei van de muisneuronen. Dit bevestigde het vermoeden dat mitochondriën het tempo van de neuronale groei bepalen.

Ryohei Iwata, postdoctoraal onderzoeker en eerste auteur van de studie: "We hebben deze ontdekking gedaan met een nieuw ontwikkeld genetisch instrument dat de tijd kan meten in groeiende neuronen. We vonden ook een nieuwe methode uit om maanden eerder rijpe neuronen te verkrijgen, wat zeer waardevol zal zijn voor medisch en farmaceutisch onderzoek."

Implicaties voor hersenziekten

Bij het bestuderen van neuronale ziekten in vitro belemmert de trage ontwikkeling van neuronen vaak het onderzoek. Net als in vivo duurt het enkele maanden tot jaren om menselijke neuronen in het laboratorium tot volgroeiing te laten komen. Dit maakt het bijzonder moeilijk om ze experimenteel te bestuderen. Nu kunnen wetenschappers de rijping van neuronen versnellen, waardoor ze de werking van de hersenen en modellen van neurale ziekten beter kunnen bestuderen.

Dit werk heeft mogelijk ook belangrijke gevolgen voor sommige hersenziekten. Sommige ziekten treffen mitochondriën, en de patiënten vertonen vaak vroege hersensymptomen, wat verbonden zou kunnen met deze ontdekking. Omgekeerd zouden sommige aandoeningen die de menselijke hersenontwikkeling aantasten in verband kunnen worden gebracht met mitochondriën. Het team van Vanderhaeghen zal deze kritische vragen in de toekomst verder onderzoeken.