Neuronen communiceren via snelle elektrische signalen die de afgifte van neurotransmitters, de chemische boodschappers van de hersenen, reguleren. Eenmaal verzonden over een neuron, zorgen elektrische signalen ervoor dat de verbinding met een ander neuron, bekend als een synaps, druppeltjes vrijgeeft die gevuld zijn met neurotransmitters die de informatie doorgeven aan het volgende neuron. Dit type neuron-naar-neuron communicatie staat bekend als opgeroepen neurotransmissie.
Sommige met neurotransmitters gevulde druppeltjes komen echter vrij bij de synaps, zelfs als er geen elektrische impulsen zijn. Deze mini-release-evenementen – of mini’s – worden lange tijd beschouwd als ‘achtergrondruis’, zegt Brian McCabe, directeur van het Laboratorium voor Neurale Genetica en Ziekte en een professor aan het EPFL Brain Mind Institute.
Maar verschillende onderzoeken hebben gesuggereerd dat mini’s een functie hebben – en een belangrijke. Zo toonden McCabe en zijn team in 2014 aan dat mini’s belangrijk zijn voor de ontwikkeling van synapsen. Als neuronen in de hersenen een netwerk van computers zouden zijn, zouden opgeroepen releases datapakketten zijn waarmee de machines informatie uitwisselen, terwijl mini’s pings zouden zijn – korte elektronische signalen die bepalen of er een verbinding is tussen twee computers, zegt McCabe. “Mini’s zijn de pings die neuronen gebruiken om te zeggen ‘ik ben verbonden’.”
Om te beoordelen of mini’s een rol kunnen spelen in het volwassen zenuwstelsel, gingen Soumya Banerjee, een postdoc in de groep van McCabe, en zijn collega’s op zoek naar een reeks neuronen die de beweging van fruitvliegen regelen. Naarmate de insecten ouder werden, begonnen hun synapsen uiteen te vallen in kleinere fragmenten, vonden de onderzoekers. (Een soortgelijk proces vindt plaats bij ouder wordende zoogdieren, inclusief mensen.) Toen zenuwverbindingen kapot gingen, werden zowel opgewekte als miniatuur neurotransmissie gedempt en vertoonden de vliegen motorische problemen, zoals een verminderd vermogen om tegen de wanden van een plastic flesje te klimmen.
Vervolgens beoordeelde het team de effecten van het stimuleren of remmen van opgewekte en miniatuur neurotransmissie. Wanneer beide soorten neurotransmissie werden geblokkeerd, verouderen synapsen voortijdig, wat suggereert dat tijdens veroudering of bij neurologische ziekten die verband houden met ouderdom, veranderingen in neurotransmissie plaatsvinden voordat synapsen beginnen af te brokkelen. Deze bevinding, zegt McCabe, zet een al lang bestaand idee in de neurowetenschappen op zijn kop. “Het idee is al lang dat de structuur van de synaps afbreekt, en dat veroorzaakt een functionele verandering in de synaps, maar we ontdekten dat het andersom is”, zegt hij.
Het stimuleren van opgewekte neurotransmissie alleen had geen effect op verouderende synapsen, vonden de onderzoekers. Door de frequentie van mini’s te verhogen, bleven de synapsen echter intact en bleef het motorvermogen van vliegen van middelbare leeftijd behouden op niveaus die vergelijkbaar waren met die van jonge vliegen. “Het motorvermogen neemt af bij alle ouder wordende dieren, inclusief mensen, dus het was een aangename verrassing om te zien dat we dat konden veranderen”, zegt McCabe.
De bevindingen, gepubliceerd in Nature Communications, kunnen belangrijke implicaties hebben voor de menselijke gezondheid: mini’s zijn gevonden bij elk type synaps dat tot nu toe is bestudeerd, en defecten in miniatuurneurotransmissie zijn in verband gebracht met een reeks neurologische ontwikkelingsstoornissen bij kinderen. Uitzoeken hoe een vermindering van miniatuur-neurotransmissie de structuur van synapsen verandert, en hoe dat op zijn beurt het gedrag beïnvloedt, zou kunnen helpen om neurodegeneratieve aandoeningen en andere hersenaandoeningen beter te begrijpen.