Verbindingen maken en snoeien

Belangrijke cellen in de hersenen zijn neuronen. Neuronen maken verbindingen met elkaar en vormen zo een groot netwerk. De verbindingen noemen we ook wel synapsen. Via deze synapsen worden signalen overgebracht tussen de neuronen. Meer dan de helft van de synapsen verdwijnen tijdens de kindertijd, terwijl andere verbindingen juist verstevigd worden. We denken dat dit proces ervoor zorgt dat het brein heel snel nieuwe dingen kan leren, en zich makkelijk kan aanpassen aan de omgeving.

Onderzoek naar deze veranderingen in het brein helpt ons om bijvoorbeeld beter te begrijpen waar kinderen op welk moment goed in zijn en wanneer er in je leven ‘gevoelige periodes’ zijn. Dat zijn periodes waarin je het beste iets kunt leren, zoals bijvoorbeeld het aanleren van je moedertaal of een muziekinstrument leren bespelen.

In de hersenen kijken

Hoe weten we nou eigenlijk hoe de hersenen ontwikkelen? En hoe onderzoeken wetenschappers de ontwikkelende hersenen? Dat gebeurt bijvoorbeeld met Magnetic Resonance Imaging (MRI). Deze techniek heeft het grote voordeel dat er geen operatie voor nodig is om de hersenen in beeld te kunnen brengen: een MRI-scan maakt namelijk een 3D foto van het brein. Hierdoor kunnen onderzoekers de hersenen van levende mensen bestuderen en de hersenen van dezelfde persoon meerdere keren onderzoeken.

Op MRI-scans kun je hersengebieden van elkaar onderscheiden. Deze gebieden noemen we grijze stof en bevatten de cellichamen van de neuronen. Met behulp van de computer kunnen we meten hoe groot hersengebieden zijn. Ook brengen deze scans witte stof in beeld, dit zijn de grote bundels van verbindingen tussen de verschillende hersenstructuren. Die verbindingen worden zichtbaar met diffusie tensor imaging (DTI). Met DTI kunnen we meten welke hersengebieden met elkaar verbonden zijn en hoe sterk deze verbindingen zijn.

Een 3D model van een structurele MRI-scan van het brein (boven) en een 3D model van een DTI-scan (onder).

Om de hersenontwikkeling goed in kaart te brengen, is het belangrijk om mensen van verschillende leeftijden met elkaar te vergelijken, en om de veranderingen binnen een persoon te onderzoeken.

Netwerken in de hersenen

Alle gebieden in de hersenen staan in verbinding met elkaar en vormen een samenhangend netwerk. Hierdoor kunnen hersengebieden die niet direct naast elkaar liggen toch informatie uitwisselen. Dit netwerk zou je kunnen vergelijken met het wegennetwerk van Nederland, met wegen waarop men sneller of langzamer voortbeweegt. Zo gaat het verkeer een stuk sneller over een snelweg dan over een landweg. Je kunt je voorstellen dat de grootte van een stad invloed heeft op hoeveel en wat voor soort wegen er naartoe lopen. Omgekeerd kan een snelle verbinding ervoor zorgen dat een stad goed bereikbaar is en wellicht vaker wordt bezocht.

Het wegennetwerk tussen steden in Nederland (links) vertoont overeenkomsten met de organisatie van verbindingen tussen hersengebieden (rechts).

De hersenen hebben ook een netwerk dat je op dezelfde manier kunt bestuderen. Zo weten we nu dat bij de geboorte alle verbindingen van het netwerk al op hun plek zitten. Als kinderen opgroeien, verandert de kwaliteit van de verbindingen in het netwerk (bepaalde landwegen worden snelwegen). Hierdoor worden sommige gebieden (‘steden’) die ver bij elkaar vandaan liggen beter bereikbaar.

Daarnaast vormen gebieden die dicht bij elkaar liggen sterke clusters met elkaar (zoals steden in de Randstad). Dat zorgt ervoor dat deze gebieden bepaalde taken snel kunnen uitvoeren. De clusters communiceren met andere clusters die verder weg liggen via de grote, snelle verbindingen. Uit onderzoek blijkt dat deze grote verbindingen veel sterker worden in de adolescentie. In de kindertijd zijn het juist de verbindingen binnen de clusters die sterk veranderen.

Brein-feit: De grote hersenen bevatten minder neuronen dan de kleine hersenen

De kleine hersenen bij mensen bevatten 80% van het aantal neuronen in het brein, terwijl de grote hersenen 20% van het aantal neuronen bevatten.

Toename en afname

Tijdens de eerste twee levensjaren van een kind wordt de totale volume (de inhoud) van je hersenen maar liefst vier keer zo groot. Op zesjarige leeftijd is het hersenvolume al bijna net zo groot als van een volwassene. Vroeger werd gedacht dat de hersenen alsmaar groter en complexer werden totdat iemand volwassen was. Nu weten we dat dit niet zo is. Vanaf de adolescentie neemt het volume van grijze stof  in het brein zelfs weer af (o.a. het aantal synapsen wordt minder). Dit is te zien in figuur 3: de gele en rode kleuren laten toename zien in de kindertijd. Vanaf de tienerjaren neemt het volume af, dat laten de blauwe kleuren zien. Die toename en afname gebeurt niet overal even snel. Dat is te zien aan de kleurverschillen tussen geel/rood en tussen lichtblauw/donkerblauw.

De afname in grijze stof volume gebeurt als laatste voorin de hersenen, in de frontale cortex. Deze hersengebieden zijn betrokken bij complexe cognitieve functies zoals het remmen van gedrag. Dit is ook precies waar kinderen meer moeite mee hebben dan volwassenen. Wat ook uit figuur 3 blijkt, is dat de hersenen nog volop veranderen op de leeftijd van 21 jaar. De hersenen ontwikkelen een stuk langer door dan we tot een aantal jaren geleden dachten!

De ontwikkeling van de hersenschors (het buitenste deel van de hersenen) van 3 tot 21 jaar oud. De bovenste rij laat de hersenen zien alsof je er van bovenop naar kijkt, met de voorkant van het brein naar boven. De onderste rij is een zij-aanzicht, met de voorkant van het brein naar rechtsonder. Gele en rode tinten betekenen een toename in volume, blauwe tinten een afname in volume. Alle gebieden zijn dus tot in de volwassenheid aan het veranderen, en niet elk hersengebied ontwikkelt even snel. Data bron: Jernigan et al., 2015.

Brein-fictie: Het aantal neuronen in je brein verandert

Er werd lang gedacht dat het aantal neuronen in je brein verandert naarmate je ouder wordt. Maar het blijkt dat vanaf de geboorte het totaal aantal neuronen in het gezonde brein stabiel blijft. Wel nemen het aantal verbindingen tussen de neuronen in de eerste levensjaren enorm toe maar tegelijkertijd ook weer af, deze twee processen gebeuren tegelijkertijd. Vanaf drie jaar neemt het aantal synapsen sneller af dan toe.