'Spontane hersenactiviteit is belangrijk voor de bedrading van het brein' - NEMO Kennislink
'Zenuwcellen zoeken stabiele partners om brein te bedraden'
Neurowetenschapper Christian Lohmann vertelt hoe stabiele verbindingen ontstaan in de hersenen
Auteur: Mariska van Sprundel | 28 mei 2019
Een brein in ontwikkeling is een ware datingmarkt voor zenuwcellen. Elke cel wil stabiele verbindingen met andere cellen. Breakups zijn onvermijdelijk. Neurowetenschapper Christian Lohmann onderzoekt hoe zenuwcellen geschikte partners vinden, wat essentieel is voor de juiste bedrading van de hersenen.
Zenuwcellen geven informatie aan elkaar door in de vorm van elektrische prikkels. Elke zenuwcel heeft uitlopers die via een soort zuignapjes met een andere cel in contact staan. Het contactpunt heet een synaps. Via uitlopers genaamd dendrieten krijgt de cel informatie binnen van zijn buurman, via het axon stuurt hij die informatie door naar zijn andere buurman.
In een volwassen mensenbrein huizen zo'n honderdmiljard zenuwcellen. Eén cel kan via zijn langdradige uitlopers op wel vijftigduizend punten in contact staan met andere zenuwcellen. Samen vormen de verbindingen één grote kluwen draden; de 'bedrading' van ons brein. Ze moeten op de juiste manier aangelegd worden tot een functioneel netwerk, wil de eigenaar iets zien, ruiken, voelen, bewegen en denken.
Hoe komen die verbindingen tot stand? Als een embryo uitgroeit in de baarmoeder worden de eerste zenuwcellen geboren. Op het moment dat een baby ter wereld komt heeft het al een functionerend brein. In die paar maanden weten miljarden zenuwcellen dus op de één of andere manier een netwerk te vormen. Het is niet zo dat elke zenuwcel simpelweg verbinding maakt met een willekeurige ander; er zit een preciezer plan achter. Dit is het terrein van neurowetenschapper Christian Lohmann. Zijn onderzoeksgroep aan het Nederlands Herseninstituut onderzoekt in muizen hoe zenuwcellen hun partners uitkiezen.
Ziet de bedrading er bij ieder mens, of iedere muis, hetzelfde uit?
"Dat is een hele fundamentele vraag. De driehonderd zenuwcellen van het miniwormpje Caenorhabditis elegans staan altijd op dezelfde manier met elkaar in contact. In elk ander dier is het neurale netwerk complexer. Cellen hebben meerdere mogelijkheden om zich te verbinden met buurcellen. Zelfs in een muizenbrein maken zenuwcellen in de hersenschors op tienduizend punten contact met omringende cellen. Hoe specifiek doen ze dat? Dat proberen wij op te helderen."
Hoe gaan zenuwcellen te werk als ze contact zoeken met andere cellen?
"In experimenten waarin we hersenweefsel van muizen onder de microscoop bekeken, zagen we dat de uitlopers van zenuwcellen steeds contact maken en weer uit elkaar gaan. Zo'n contactpunt noemen we een synaps. De draden wriemelen rond en lijken hun partners even te testen, om dan toch te besluiten dat het niks wordt. Daarna verbinden ze zich weer met een ander. Zo gaat dat een paar keer, ze lijken te selecteren. Uiteindelijk vormen ze een stabiele verbinding. De datingmarkt is niet erg efficiënt, meestal wordt het niks."
Krijgen zenuwcellen hulp bij het vinden van geschikte partners?
"We denken dat spontane activiteit een grote rol speelt, dat is de elektrische activiteit die door het hele brein gegenereerd wordt voordat de zintuigen actief zijn. Pas na de geboorte krijgen de hersenen via ogen, huid, tong, oren en neus input over de omgeving binnen. Stel je ziet een gezicht. Die visuele prikkel leidt tot bepaalde hersenactiviteit, zodat je brein de binnenkomende informatie kan verwerken en erop kan reageren. Deze hersenactiviteit is niet spontaan; het ontstaat omdat zenuwcellen in het netvlies iets 'echts' opmerken. Een brein dat daarop reageert is aan het leren."
"Spontane activiteit daarentegen heeft geen aanleiding. Zo zien we in muizen van twee weken oud, die hun ogen nog dicht hebben en blind zijn, dat hun netvlies al spontane activiteit genereert. Terwijl ze op dat moment nog geen lichtgevoelige zenuwcellen in het oog hebben die licht kunnen omzetten in zenuwpulsen. Deze vorm van hersenactiviteit heeft dus niks met ervaringen van de muis te maken, het gebeurt vanuit het niets. We zien dat het helpt om zenuwcellen met elkaar te verbinden."
Wat doet die spontane activiteit dan?
"Het leidt ertoe dat synapsen die dicht bij elkaar liggen groepjes gaan vormen die tegelijkertijd actief zijn. Synapsen die dicht bij elkaar liggen op dezelfde cel hebben daardoor een grotere kans om zich te stabiliseren."
Wat is het voordeel voor een zenuwcel als zijn contactpunten op elkaar afgestemd zijn?
"Twintig jaar geleden kwamen onderzoekers met een theorie. Ze stelden zich elke dendriet, een uitloper die informatie ontvangt, voor als een kleine computer. Van elke afzonderlijke dendriet kan de cel dan berekenen welke informatie er binnenkomt. Als het zo werkt, kan een zenuwcel vijftig keer meer verschillende patronen van input herkennen dan wanneer hij een gemiddelde neemt van alle input. Als synapsen samenwerken, vergroot dat de kans dat hun input groot genoeg is om een zenuwcel te laten reageren. Als ze allemaal verspreid liggen zijn hun individuele boodschappen wellicht niet sterk genoeg. Die groepsvorming onder synapsen gebeurt al voordat muizen hun ogen opendoen."
Het netvlies van pasgeboren muizen genereert spontaan elektrische activiteit, ook al komt er geen input binnen via de ogen. Die zitten nog dicht.
De bedrading wordt dus vrij precies aangelegd voor de geboorte. Waarom? Als de zintuigen eenmaal actief zijn kan je door te leren de boel nog finetunen toch?
"Dat laatste gebeurt sowieso. Mijn hypothese is dat spontane activiteit de activiteit nabootst die later door ervaringen in het echte leven opgewekt wordt. Het bereidt de hersenen voor op wat er na het openen van de ogen gaat gebeuren. Alsof het brein in een vluchtsimulator alvast aan het oefenen is. Onderzoek van collega's wijst in die richting. Ze maten dat de spontane activiteit in het netvlies van pasgeboren muizen hetzelfde patroon heeft als de activiteit van volwassen muizen, alsof je iets boven je hoofd ziet. Ze lieten een cirkelvormig object bewegen boven de kooi. De dieren schrokken en verstopten zich. Wat ze zien lijkt op een havik, ook al hebben ze nog nooit een havik gezien. Wellicht traint evolutie de hersenen door middel van spontane activiteit die later in het leven relevant kan zijn."
In hoeverre kan je de bedrading van de hersenen nog veranderen tijdens het leven?
"Hersenen hebben de capaciteit om te veranderen na de geboorte, door te leren. We weten ook wat er gebeurt als kinderen geïsoleerd opgroeien; zonder sociaal contact verloopt de hersenontwikkeling anders. Toch ben ik ervan overtuigd dat de meeste variatie tussen mensen in de bedrading van hun hersenen al vast ligt vóór de geboorte. Bij muizen zien we dat er voor het openen van de ogen al zoveel specificiteit is in verbindingen; het zijn geen willekeurig aangemaakte verbindingen die om de haverklap veranderen."
Wat gebeurt er als verbindingen niet goed worden aangelegd tijdens de ontwikkeling van het brein?
"Het hele systeem is vrij robuust. Niet alle fouten leveren problemen op. Een tijdje terug was er een dertienjarig meisje dat een hersenscan onderging; zij bleek maar een halve hersenschors te hebben. Ze was goed op school, het viel niemand op. Sommige veranderingen vallen niet op, omdat de hersenen kunnen compenseren voor fouten."
Waarschijnlijk is bij autisme het evenwicht tussen remmende en stimulerende signalen die zenuwcellen ontvangen verstoord.
Hoe ontstaat een autismespectrumstoornis dan?
"Wat we weten over neurologische ontwikkelingsstoornissen, zoals autisme, is dat ze samenhangen met veranderingen in de synapsen. Het evenwicht tussen signalen die de zenuwcel afremmen en stimuleren is verstoord. In pasgeboren muizen met fragiele X-syndroom, een ontwikkelingsstoornis waarbij ook autisme-achtig gedrag ontstaat, zien we bijvoorbeeld dat spontane activiteit uit het netvlies minder invloed heeft op de hersenen dan normaal. Hoe dat samenhangt met het ziektebeeld weten we niet. Momenteel proberen we om in gezonde muizen afwijkende patronen van spontane activiteit op te wekken, om te zien of het tot veranderingen of problemen leidt in de hersenen."
Klopt het dat er in de puberteit flink gesnoeid wordt in het aantal verbindingen?
"Dat denken we, maar het is moeilijk om betrouwbaar te meten hoeveel synapsen verloren gaan tijdens een bepaalde periode. Het is een dynamisch proces: je verliest er wat en er komen nieuwe bij. Verlies van synapsen die niet lekker passen is een belangrijk deel van de hersenontwikkeling. Eigenlijk doen aantallen er niet zoveel toe. Je kan een half brein missen zonder daar iets van te merken."