Hoe onze kleine hersenen betrokken zijn bij timing

In een recent nummer van Neuron heeft het onderzoeksteam van Mark Wagner (National Institutes of Health, VS) laten zien hoe onze kleine hersenen betrokken zijn bij ons gevoel voor timing. In een Preview-artikel reflecteren onderzoekers van het Nederlands Herseninstituut en het Erasmus Universitair Medisch Centrum op deze bevindingen en bespreken zij richtingen voor toekomstig onderzoek.

Timing is van essentieel belang bij talloze taken, of het nu gaat om het inschatten wanneer je een drukke weg moet oversteken, het beginnen van een zin in een vloeiend gesprek, of het terugspelen van een bal in een tenniswedstrijd. Voor zo’n belangrijke vaardigheid die zo vaak wordt gebruikt, is er echter verrassend weinig bekend over de rol van de kleine hersenen (ook wel cerebellum genoemd). Nieuw bewijs van de Wagner-groep werpt licht op hoe het cerebellum betrokken is bij ons vermogen om goed te timen.

Hoe het cerebellum precies betrokken is bij tijdsregistratie blijft een ingewikkelde puzzel, zoals Robin Broersen, eerste auteur van het Preview-artikel en neurowetenschapper in het laboratorium van Chris de Zeeuw, uitlegt: “Er is al langer bekend dat het cerebellum een rol speelt bij de timing van zeer korte intervallen (in de orde van milliseconden). Dit stelt het cerebellum in staat om snelle en tijdige aanpassingen te doen aan lopende bewegingen en om te leren goed getimede bewegingen te maken tijdens conditioneringstaken. Het volgen van langere tijdsintervallen, waarbij we bewust een paar seconden wachten, werd gedacht vooral afhankelijk te zijn van andere hersengebieden. Het feit dat cellen in het cerebellum het verstrijken van tijd volgen tijdens meerdere seconden is een nieuwe en interessante bevinding.”

De puzzel ontrafelen

Om beter te begrijpen welke rol het cerebellum speelt bij timing, leerden onderzoekers van de Wagner-groep muizen een gedragstaak met een vertraagde waterbeloning. Muizen leerden een robotarm vast te pakken en deze naar voren te duwen, wat een vertraagde timer activeerde. Na 1 of 2 seconden werd een waterdruppel vrijgegeven, die de muizen konden drinken door aan het mondstuk te likken. Na veel herhalingen leerden de muizen te voorspellen wanneer het water zou worden vrijgegeven en begonnen ze pas te likken na de wachttijd, wanneer de beloning werd verwacht.

Terwijl de muizen de taak uitvoerden, gebruikte de groep nieuwe fluorescentietechnieken om de activiteit in twee celtypes tegelijkertijd te observeren. Het cerebellum ontvangt informatie van twee hoofdinputs: mosvezels en klimvezels. Door tegelijkertijd twee celtypen te meten, kon de Wagner-groep bestuderen hoe input van de mosvezels en klimvezels de activiteit van neuronen in het cerebellum konden beïnvloeden tijdens de wachttijd.

Ramping is de sleutel

Tijdens het wachten van de muizen op hun waterbeloning bleek dat de cellen die verbonden zijn met mosvezels, begonnen te vuren volgens een specifiek patroon dat bekend staat als ‘ramping-activiteit’. Dit houdt in dat de activiteit van neuronen geleidelijk omhoog of omlaag gaat naarmate de tijd vordert. Zodra de muizen hun water kregen, werd de andere input (van klimvezels) actief.

Deze interactie kan worden vergeleken met een stopwatch: de mosvezels vertegenwoordigen de oplopende tijd door middel van ramping-activiteit, terwijl de klimvezels de timer weer stopzetten door actief te worden.

Timing perfectioneren

Hoe verbeteren muizen hun timing in deze taak? Dit heeft te maken met een bekend concept binnen de neurowetenschappen: plasticiteit. De verbindingen tussen de cellen in het cerebellum kunnen veranderen als de wachttijd verandert. En dit laten de resultaten van de Wagner-groep ook zien. Met behulp van een computermodel kon het team nauwkeurig in kaart brengen hoe de cellen in het cerebellum veranderen tijdens de taak.

Bredere context

Broersen: “Het wordt meer en meer bekend dat het cerebellum betrokken is bij verschillende cognitieve processen, en dus niet alleen bij beweging. Dit artikel, dat de rol van het cerebellum bij timing laat zien, benadrukt dit.”

“In ons Preview-artikel laten we zien dat veel hersengebieden informatie aan het cerebellum leveren, zowel via mosvezels als klimvezels, direct of indirect. Dit geldt voor informatie die een reeks functies vertegenwoordigt (zoals beweging, houding en het leren van beloningen). Informatie uit één gemeenschappelijke bron komt dus via meerdere routes aan in het cerebellum.”

Hoewel de bevindingen van de Wagner-groep ongelooflijk fundamenteel zijn, helpen ze ook om beter te begrijpen wat er gebeurt met de timingvaardigheden van patiënten met cerebellaire stoornissen. Patiënten met cerebellaire defecten vertonen bijvoorbeeld timing gerelateerde afwijkingen, zoals verstoorde spraak, balans, en zelfs beperkingen in de waarneming van handelingen van anderen.

Een interessante onderzoekslijn zou zijn om dieper in te gaan op de interacties tussen de twee inputs naar het cerebellum. Hoeveel tijd kan er tussen de activiteit van die inputs zitten om plasticiteit te laten plaatsvinden? “Op de lange termijn zouden deze fundamentele inzichten kunnen helpen om cerebellaire stoornissen beter te begrijpen en de patiënten te helpen, maar er is nog veel onderzoek nodig voordat we daar zijn”, legt Broersen uit.

Bron: Neuron