Nieuwe theorie van synapsvorming in de hersenen
Reorganisatie in de visuele cortex: vóór (links) en net na schade aan het netvlies (midden) en in een latere fase (rechts). De meeste neuronen in de zone waar beelden worden geprojecteerd vanuit het beschadigde netvlies, kunnen hun oorspronkelijke ...meer
Het menselijk brein blijft gedurende het hele leven veranderen. Er worden voortdurend nieuwe verbindingen gemaakt, terwijl synapsen die niet langer in gebruik zijn, degenereren. Tot op heden is er weinig bekend over de mechanismen achter deze processen. De neuro-informaticus van Jülich Dr. Markus Butz is er nu in geslaagd de vorming van nieuwe neurale netwerken in de visuele cortex toe te schrijven aan een eenvoudige homeostatische regel die ook de basis vormt van vele andere zelfregulerende processen in de natuur. Met deze uitleg geven hij en zijn collega dr. Arjen van Ooyen uit Amsterdam ook een nieuwe theorie over de plasticiteit van de hersenen - en een nieuwe benadering om leerprocessen te begrijpen en hersenletsel en ziekten te behandelen.
De hersenen van volwassen mensen zijn zeker niet bedraad. Wetenschappers hebben dit feit de afgelopen paar jaar herhaaldelijk bewezen met behulp van verschillende beeldvormingstechnieken. Deze zogenaamde neuroplasticiteit speelt niet alleen een sleutelrol in leerprocessen, het stelt de hersenen ook in staat te herstellen van blessures en het verlies van functies te compenseren. Onderzoekers ontdekten pas onlangs dat zelfs in het volwassen brein niet alleen bestaande synapsen zich aanpassen aan nieuwe omstandigheden, maar dat er voortdurend nieuwe verbindingen worden gevormd en gereorganiseerd. Het was echter nog niet bekend hoe deze natuurlijke herplaatsingsprocessen in de hersenen worden bestuurd. In het open-access tijdschrift PLOS Computational Biology, Butz en van Ooyen presenteren nu een eenvoudige regel die uitlegt hoe deze nieuwe netwerken van neuronen worden gevormd.
"Het is zeer waarschijnlijk dat de structurele plasticiteit van de hersenen de basis is voor de vorming van langetermijngeheugen", zegt Markus Butz, die de afgelopen maanden bij het onlangs opgerichte Simulation Laboratory Neuroscience in het Jülich Supercomputing Center heeft gewerkt. 'En het gaat niet alleen om leren. Na de amputatie van ledematen, hersenletsel, het ontstaan van neurodegeneratieve ziekten en beroertes, worden enorme aantallen nieuwe synapsen gevormd om de hersenen aan te passen aan de blijvende veranderingen in de patronen van binnenkomende stimuli. "
Activiteit reguleert synapsvorming
Deze resultaten laten zien dat de vorming van nieuwe synapsen wordt aangedreven door de neiging van neuronen om een 'vooraf ingesteld' elektrisch activiteitsniveau te handhaven. Als de gemiddelde elektrische activiteit onder een bepaalde drempel komt, beginnen de neuronen actief nieuwe contactpunten te bouwen. Dit zijn de basis voor nieuwe synapsen die extra input leveren - de afvuursnelheid van neuronen neemt toe. Dit werkt ook andersom: zodra het activiteitsniveau een bovengrens overschrijdt, wordt het aantal synaptische verbindingen verminderd om overexcitatie te voorkomen - de afvuursnelheid van de neuronen neemt af. Vergelijkbare vormen van homeostase komen veel voor in de natuur, bijvoorbeeld bij de regulering van de lichaamstemperatuur en de bloedsuikerspiegel.
Markus Butz benadrukt echter dat dit niet lukt zonder een zekere minimale excitatie van de neuronen: “Een neuron dat geen prikkels meer ontvangt, verliest nog meer synapsen en zal na verloop van tijd afsterven. We moeten rekening houden met deze beperking als we willen dat de resultaten van onze simulaties overeenkomen met de waarnemingen. " De ... gebruiken visuele cortex als voorbeeld hebben de neurowetenschappers de principes bestudeerd volgens welke neuronen nieuwe verbindingen vormen en bestaande synapsen verlaten. In dit deel van de hersenen ongeveer 10% van de synapsen worden continu geregenereerd. Wanneer het netvlies beschadigd is, neemt dit percentage nog verder toe. Met behulp van computersimulaties slaagden de auteurs erin de reorganisatie van de neuronen te reconstrueren op een manier die overeenkomt met experimentele resultaten van de visuele cortex van muizen en apen met beschadigd netvlies.
De visuele cortex is met name geschikt om de nieuwe groeiregel te demonstreren, omdat deze een eigenschap heeft die retinotopie wordt genoemd: dit betekent dat punten die naast elkaar op het netvlies worden geprojecteerd ook naast elkaar worden geplaatst wanneer ze op de visuele cortex worden geprojecteerd. zoals op een kaart. Als delen van het netvlies beschadigd zijn, ontvangen de cellen waarop de bijbehorende beelden worden geprojecteerd verschillende inputs. "In onze simulaties kun je zien dat gebieden die geen input meer ontvangen van het netvlies, kruisverbindingen beginnen te maken, waardoor ze meer signalen kunnen ontvangen van hun aangrenzende cellen", zegt Markus Butz. Deze kruisverbindingen worden langzaam gevormd vanaf de rand van het beschadigde gebied naar het midden, in een proces dat lijkt op het genezen van een wond, totdat het oorspronkelijke activiteitsniveau min of meer is hersteld.
Synaptische en structurele plasticiteit
“De nieuwe groeiregel zorgt voor structurele plasticiteit met een principe dat bijna net zo eenvoudig is als dat van synaptische plasticiteit”, zegt co-auteur Arjen van Ooyen, die al decennia werkt aan modellen voor de ontwikkeling van neurale netwerken. Al in 1949 ontdekte professor psychologie Donald Olding Hebb dat er verbanden zijn tussen neuronen die vaak worden geactiveerd, worden sterker. Degenen die weinig informatie uitwisselen, zullen zwakker worden. Tegenwoordig geloven veel wetenschappers dat dit Hebbian-principe een centrale rol speelt in leer- en geheugenprocessen. Terwijl Synaptische plasticiteit in de eerste plaats betrokken bij kortetermijnprocessen die een paar milliseconden tot enkele uren in beslag nemen, strekt structurele plasticiteit zich uit over langere tijdschalen, van enkele dagen tot maanden.
Structurele plasticiteit speelt daarom een bijzonder belangrijke rol tijdens de (vroege) revalidatiefase van patiënten die getroffen zijn door neurologische aandoeningen, die ook weken en maanden aanhoudt. De visie van het project is dat waardevolle ideeën voor de behandeling van patiënten met een beroerte kunnen voortvloeien uit nauwkeurige voorspellingen van synapsvorming. Als artsen wisten hoe de hersenstructuur van een patiënt tijdens de behandeling zal veranderen en reorganiseren, kunnen zij de ideale tijden bepalen voor stimulatie- en rustfasen, waardoor de efficiëntie van de behandeling wordt verbeterd.
Nieuwe aanpak voor tal van toepassingen
“Eerder werd aangenomen dat structurele plasticiteit ook het principe van Hebbiaanse plasticiteit volgt. De bevindingen suggereren dat structurele plasticiteit in plaats daarvan wordt bepaald door het homeostatische principe, waarmee voorheen geen rekening werd gehouden, ”zegt prof. Abigail Morrison, hoofd van het Simulation Laboratory Neuroscience in Jülich. Haar team integreert de nieuwe regel al in de vrij toegankelijke simulatiesoftware NEST, die wereldwijd door talloze wetenschappers wordt gebruikt.
Deze bevindingen zijn ook relevant voor het Human Brain Project. Neurowetenschappers, medische wetenschappers, computerwetenschappers, natuurkundigen en wiskundigen in Europa werken hand in hand om het hele menselijke brein te simuleren op krachtige computers van de volgende generatie om beter te begrijpen hoe het werkt. 'Vanwege de complexe synaptische circuits in de mens hersenen, is het niet aannemelijk dat de fouttolerantie en flexibiliteit worden bereikt op basis van statische verbindingsregels. Modellen zijn daarom vereist voor een zelforganisatieproces ”, zegt prof. Markus Diesmann van Jülich's Institute of Neuroscience and Medicine, die bij het project betrokken is. Hij leidt Computational and Systems Neuroscience (INM-6), een subinstituut dat werkt op het snijvlak van neurowetenschappelijk onderzoek en simulatietechnologie.
Verken verder: Opnieuw leren zien: onderzoekers vinden een cruciale aan-uit-schakelaar in visuele ontwikkeling
Meer informatie: Een eenvoudige regel voor dendritische wervelkolom en axonale boutonvorming kan verantwoordelijk zijn voor corticale reorganisatie na focale retinale laesies, Markus Butz, Arjen van Ooyen, PLoS Comput Biol (online gepubliceerd 10 oktober 2013); DOI: 10.1371 / journal.pcbi.1003259
;