Wetenschappers sonderen de bron van een pulserend signaal
in het slapend brein
Nieuwe bevindingen verklaren waar en hoe de "trage
golven" in de hersenen ontstaan. Deze ritmische
signaalimpulsen die door de hersenen zweven tijdens de diepe
slaap met een snelheid van ongeveer één cyclus per seconde
worden verondersteld een rol te spelen in processen zoals de
consolidatie van het geheugen. Voor het eerst hebben
onderzoekers aangetoond dat langzame golven ontstaan in de
cerebrale cortex, het deel van de hersenen dat
verantwoordelijk is voor de cognitieve functies. Zij vonden
ook dat dergelijke golven in beweging kunnen gebracht worden
door neuronen.
"Het brein is een ritmemachine dat de hele tijd van alle
soorten ritmes produceert", zegt prof. Arthur Konnerth van
de Technische Universität München (TUM). "Het zijn klokken
die helpen om vele delen van de hersenen op hetzelfde ritme
te houden." Een dergelijke tijdwaarnemer produceert de
zogenaamde trage golven van de diepe slaap waarvan gedacht
wordt dat zij betrokken zijn bij de transmuterende
fragmenten van een dag ervaring en in de blijvende
herinnering. Ze worden al gezien in een zeer vroeg stadium
van ontwikkeling en ze kunnen worden verstoord door ziekten
zoals Alzheimer.
Bij eerdere studies voornamelijk aangewezen op
elektrische metingen ontbrak de ruimtelijke resolutie om de
initiatie en propagatie van trage golven nauwkeurig in kaart
te kunnen brengen. Maar met behulp van licht kon het in
München gevestigde team Konnerth - in samenwerking met
onderzoekers van Stanford en de Universiteit van Mainz -
trage golven stimuleren en ze observeren in ongekend detail.
Een belangrijk resultaat bevestigde dat de trage golven hun
oorsprong alleen in de cortex hebben en reeds lang bestaande
hypothesen uitsluiten. "De tweede belangrijke bevinding,"
zegt Konnerth was: " dat uit de miljarden cellen in de
hersenen, het gebeuren niet meer plaats inneemt dan een
cluster van vijftig tot honderd neuronen in een diepe laag
van de cortex, de zogenaamde laag 5, voor het maken van een
golf die zich verspreidt in de hersenen.
Nieuw licht op het centraal neuraal mechanisme.
Odanks belangrijke onderzoek van de trage golven in de
hersenen zijn definitieve antwoorden over het onderliggend
circuit een ongrijpbaar mechanisme gebleven. Waar is de
pacemaker voor dit ritme? Waar beginnen de golven en waar
stoppen ze? Dit onderzoek - gebaseerd op optisch sonderen
van intacte hersenen van levende muizen onder narcose -
biedt nu de basis voor een gedetailleerd, uitgebreid
overzicht.
"Wij opteerden voor een optogene aanpak gecombineerd met
optische detectie van neurale activiteit om causale functies
van deze trage oscillaties te verkennen of "Up-Down" status
overgangen die het dominante netwerk ritme in de slaap
vertegenwoordigen," legt Prof Albrecht Stroh van de Johannes
Gutenberg University Mainz uit. Optogenetics is een nieuwe
techniek die de onderzoekers toelaat lichtgevoelige kanalen
in te voeren in specifieke soorten neuronen om hen
ontvankelijk te maken voor licht stimulatie. Dit gaf de
mogelijkheid voor selectieve en ruimtelijk gedefinieerde
stimulering van kleine aantallen corticale en thalamische
neuronen.
Toegang tot de hersenen via optische vezels liet zowel
microscopische opname als directe stimulatie van neuronen
toe. Lichtflitsen in de buurt van de ogen van de muis werden
ook gebruikt om neuronen in de visuele cortex te stimuleren.
Door opnemen van de flux van calciumionen, een chemisch
signaal dat kan dienen als een meer ruimtelijke uitlezing
van de elektrische activiteit, konden de onderzoekers de
trage golven zichtbaar maken. Ze correleerden ook optische
opnamen met meer conventionele elektrische metingen.
Daardoor was het mogelijk om individuële spreiding van
golffronten te bekijken - zoals rimpelingen van een steen in
een stille vijver gegooid - eerst doorheen de cortex en dan
doorheen andere hersenstructuren.
Een nieuw beeld begint te ontstaan: Het is mogelijk voor
een lokale kleine cluster van neuronen een langzame golf te
initiëren die zich wijd en zijd verspreidt waarbij meerdere
gebieden van de hersenen in één enkele gebeurtenis worden
gevat - dit lijkt typisch. "in spontane omstandigheden,"
zegt Konnerth, "zoals het zich elke nacht voordoet bij jou
en mij en iedereen in diepe slaap kan elk deel van de cortex
een plaats van initiatie zijn." Bovendien kan een verrassend
eenvoudig communicatieprotocol waargenomen worden in het
langzame golf ritme. Tijdens elke één seconde cyclus stuurt
één enkel neuron cluster zijn signaal uit en alle andere
worden tot zwijgen gebracht alsof zij de hersenen
onderdompelen in fragmenten van ervaring van leren en bouwen
van geheugenblokken. De onderzoekers beschouwen deze
bevindingen als een stap naar een beter begrip van leren en
geheugen vorming, een doelstelling van de Konnerth groep
gefinancierd door de Europese Onderzoeksraad. Ze testen ook
hoe de trage golven zich gedragen tijdens ziekte.
Vertaling: Andre Teirlinck
