Kernen in onze kleine hersenen blijken belangrijker dan gedacht

Er werd altijd gedacht dat associatief leren door de cortex van het cerebellum, ook wel bekend als de ‘kleine hersenen’, gereguleerd werd. Nieuw onderzoek uit een samenwerking van het Nederlands Herseninstituut, Erasmus MC en Champalimaud Center for the Unknown toont echter aan dat het juist de kernen zijn die een verrassende bijdrage leveren tijdens dit leerproces. 

Als er rook van een theekop komt, dan weet je maar al te goed dat je beter nog even kan wachten met drinken. En als je vingers een keer tussen de deur hebben gezeten, dan kijk je de volgende keer wel uit. Dit zijn vormen van associatief leren, waarbij een positieve of negatieve ervaring leidt tot het aanleren van gedrag. We weten dat met name ons cerebellum van belang is bij deze vorm van leren. Maar hoe werkt dit nou precies?

Om dit vraagstuk te onderzoeken heeft een internationaal team van onderzoekers in Nederland en Portugal, bestaande uit Robin Broersen, Catarina Albergaria, Daniela Carulli, onder leiding van Megan Carey, Cathrin Canto en Chris de Zeeuw, gekeken naar het cerebellum van muizen. In een experiment hebben zij groepen muizen getraind met twee verschillende stimuli. Eerst werd er een lichtflits getoond, die even later gevolgd werd door een luchtpufje in het oog. Na een tijdje leerden de muizen dat hier een associatie tussen zat, waardoor het lichtje er al voor zorgde dat het ooglid dicht ging. Dit is een gedragsparadigma dat al vele jaren wordt gebruikt voor het onderzoeken van de werking van het cerebellum.

Output-centrum

Als je kijkt naar het cerebellum dan kun je hier eigenlijk twee grote onderdelen in onderscheiden: de cerebellaire cortex, of wel de buitenste laag van de kleine hersenen, en de cerebellaire kernen, het binnenste gedeelte. Deze onderdelen zijn onderling met elkaar verbonden. De kernen zijn groepen hersencellen die allerlei informatie krijgen vanuit de cortex. Deze kernen hebben vervolgens weer verbindingen naar andere hersengebieden die bewegingen aansturen, zoals sluitingen van het ooglid. De kernen zijn als het ware het output-centrum van het cerebellum.

Robin Broersen: ‘We dachten altijd dat de cerebellaire cortex het belangrijkst was voor het aanleren van deze reflex en de timing van de ooglidsluiting. Met deze studie tonen we echter aan dat goed getimede ooglidsluitingen ook door de cerebellaire kernen gereguleerd kunnen worden. Zowel het Nederlandse en het Portugese onderzoeksteam werkten aan vergelijkbare onderzoeken. Toen we realiseerden dat onze bevindingen mooi op elkaar aansloten, begonnen we een internationale samenwerking met dit artikel als resultaat.’

Het cerebellum ontvangt verschillende soorten verbindingen van andere hersengebieden, de zogenaamde mosvezels en de klimvezels. Er wordt gedacht dat de mosvezels verantwoordelijk zijn voor het vervoeren van informatie van het lichtje, en dat de klimvezels verantwoordelijk zijn voor het vervoeren van informatie van het luchtpufje. In de cortex en in de kernen komt deze informatie vervolgens samen. Het Nederlandse team heeft onderzocht wat het effect is van associatief leren op deze verbindingen. Bij muizen die geleerd hebben, vonden ze dat de mosvezels sterkere verbindingen aanleggen naar de kernen.

Activatie met licht

Ondertussen onderzocht het Portugese team of muizen konden leren door mosvezelverbindingen in de cerebellaire kernen te activeren met optogenetica – een methode die gebruikt wordt om hersencellen te activeren met licht. Catarina Albergaria: ‘In plaats van een lichtflits om muizen te trainen, stimuleerden we de mosvezelverbindingen in de cerebellaire kernen in combinatie met een luchtpufje in het oog. Muizen leerden hierdoor om op het juiste moment een ooglidsluiting te maken, wat laat zien dat leren kan plaatsvinden op het niveau van de kernen. Om er zeker van te zijn dat dit daadwerkelijk plaatsvond in de kernen, hebben we het experiment herhaald in muizen met een geïnactiveerde cerebellaire cortex.’

Cathrin Canto: ‘Tijdens leren veranderen de verbindingen tussen hersencellen, maar het was nog onduidelijk waar in de kleine hersenen deze veranderingen plaatsvinden. Daarom hebben we gekeken wat er gebeurt met de mosvezels en de verbindingen uit de cortex tijdens leren. We vonden in muizen die leerden – maar niet in muizen die niet leerden – dat mosvezels en verbindingen vanuit de cortex sterker werden.’

State-of-the-art techniek

Canto vervolgt: ‘We hebben vervolgens ook kunnen kijken wat er nou écht gebeurt binnen in de cel, door elektrische metingen te verrichten van de kerncellen van een levende muis. Je kunt je voorstellen dat deze cellen erg klein zijn, 10 tot 20 µm. Dat is kleiner dan de diameter van een menselijke haar. Met behulp van een ultradun buisje met elektrode, konden we de elektrische activiteit in de cellen vastleggen terwijl de muis het taakje uitvoerde, een enorme technische opgave.’

‘Wat we in getrainde dieren zagen, is dat het tonen van het lichtje ervoor zorgde dat de elektrische activiteit van kerncellen verandert: de cellen werden meer actief naarmate je qua timing dichter bij het luchtpufje kwam. De cellen werden als het ware voorbereid op wat komen gaat en konden daardoor hun elektrische activiteit zo precies maken dat ze het ooglid konden aansturen, nog voor het pufje had plaatsgevonden.’

Muis versus mens

Broersen: ‘Dit onderzoek is in muizen, maar de algemene anatomie van het cerebellum is vergelijkbaar tussen muizen en mensen. Mensen hebben wel veel meer cellen, maar we verwachten dat de verbindingen tussen de cellen op dezelfde manier zijn georganiseerd. Onze resultaten dragen bij aan een betere kennis van hoe het cerebellum werkt en wat er gebeurt tijdens leren. Dat leidt ook tot meer kennis over hoe schade aan het cerebellum het functioneren beïnvloedt, waardoor patiënten met cerebellaire schade in de toekomst wellicht geholpen kunnen worden. Door de verbindingen naar de kernen te stimuleren met behulp van diepe hersenstimulatie, zou het wellicht mogelijk zijn om nieuwe motorische vaardigheden aan te leren.’

Bron: Nature Communications

Uitgelichte afbeelding: Een artistieke interpretatie van het onderzoek. De lichtgekleurde algen stellen de mosvezels voor die verbindingen aangaan met de kogelvissen, die de cerebellaire kerncellen voorstellen en op verschillende manieren reageren op licht en lucht stimuli. Het patroon in het hout van de boot verwijst naar de structuur van de cerebellaire cortex. De ankerlijn, die in de diepte reikt, stelt de verbinding tussen de cortex en de kernen voor. | Gemaakt door Rita Félix.

 

Bekijk ook onze infographic