Met behulp van een muismodel hebben onderzoekers een nieuw dagritme ontdekt in een soort synaps dat de hersenactiviteit dempt. Deze neurale verbindingen, die bekend staan als remmende synapsen, worden opnieuw in evenwicht gebracht, zodat we nieuwe informatie kunnen consolideren in langdurige herinneringen tijdens de slaap. De bevindingen, gepubliceerd in PLOS Biology (externe link), kunnen helpen verklaren hoe subtiele synaptische veranderingen het geheugen bij mensen verbeteren. De studie werd geleid door onderzoekers van het National Institute of Neurological Disorders and Stroke (NINDS), onderdeel van de National Institutes of Health.
“Remming is belangrijk voor elk aspect van de hersenfunctie. Maar al meer dan twee decennia zijn de meeste slaaponderzoeken gericht op het begrijpen van prikkelende synapsen”, zegt Dr. Wei Lu, senior onderzoeker bij NINDS. “Dit is de eerste studie om te proberen te begrijpen hoe slaap en waakzaamheid remmende synapsen reguleren.”
In de studie onderzocht Kunwei Wu, Ph.D., postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Dr. Lu, wat er gebeurt bij remmende synapsen tijdens slaap en waakzaamheid bij muizen. Elektrische opnamen van neuronen in de hippocampus – een hersengebied dat belangrijk is voor geheugenvorming – vertoonden een eerder niet gewaardeerd activiteit patroon. Tijdens het wakker zijn nam de gestage “tonische” remmende activiteit toe, terwijl de snelle “fasische” remming afnam. Ze vonden ook een veel grotere activiteit afhankelijke verbetering van remmende elektrische reacties in neuronen van wakkere muizen, wat suggereert dat wakker zijn, maar niet slapen, deze synapsen in grotere mate zou kunnen versterken.
Remmende neuronen gebruiken de neurotransmitter gamma-aminoboterzuur (GABA) om de activiteit in het zenuwstelsel te verminderen. Bij remmende synapsen geven deze neuronen GABA-moleculen af in de synaptische spleet, de ruimte tussen neuronen waar neurotransmitters diffunderen. De moleculen binden aan GABA type A (GABAA) -receptoren op het oppervlak van naburige exciterende neuronen, waardoor ze trager reageren .
Verdere experimenten toonden aan dat de synaptische veranderingen tijdens het wakker zijn veroorzaakt werden door een verhoogd aantal α5-GABAA-receptoren. Toen de receptoren bij wakkere muizen werden geblokkeerd, nam de activiteit afhankelijke versterking van fasische elektrische reacties af. Dit suggereert dat de accumulatie van GABAA-receptoren tijdens het wakker zijn de sleutel kan zijn tot het bouwen van sterkere, efficiëntere remmende synapsen, een fundamenteel proces dat bekend staat als synaptische plasticiteit.
“Als je overdag nieuwe informatie leert, worden neuronen bestookt met prikkelende signalen uit de cortex en vele andere delen van de hersenen. Om deze informatie om te zetten in een herinnering, moet je deze eerst reguleren en verfijnen – dat is waar remming om de hoek komt kijken, “zei Dr. Lu. Eerdere studies hebben aangetoond dat synaptische veranderingen in de hippocampus kunnen worden aangedreven door signalen die voortkomen uit remmende interneuronen, een speciaal type cel dat slechts ongeveer 10-20% van de neuronen in de hersenen omvat. Er zijn meer dan 20 verschillende subtypes van interneuronen in de hippocampus, maar recente studies hebben twee types naar voren gebracht, bekend als parvalbumine en somatostatine, die kritisch betrokken zijn bij synaps regulatie.
Om vast te stellen welk interneuron verantwoordelijk was voor de plasticiteit die ze waarnamen, gebruikte het team van Dr. Lu optogenetica, een techniek die licht gebruikt om cellen aan of uit te zetten, en ontdekte dat wakker zijn leidde tot meer α5-GABAA-receptoren en sterkere verbindingen van parvalbumine, maar niet somatostatine, interneuronen.
Mensen en muizen delen vergelijkbare neurale circuits die ten grondslag liggen aan geheugenopslag en andere essentiële cognitieve processen. Dit mechanisme kan een manier zijn voor remmende inputs om de eb en vloed van informatie tussen neuronen en door hele hersennetwerken nauwkeurig te regelen. “Remming is eigenlijk behoorlijk krachtig omdat het de hersenen in staat stelt om op een verfijnde manier te presteren, wat in wezen ten grondslag ligt aan alle cognitie”, zei Dr. Lu. Omdat remming essentieel is voor bijna elk aspect van de hersenfunctie, kan deze studie ertoe bijdragen dat wetenschappers niet alleen slaap-waakcycli begrijpen, maar ook neurologische aandoeningen die geworteld zijn in abnormale hersenritmes, zoals epilepsie.
In de toekomst is de groep van Dr. Lu van plan om de moleculaire basis van GABAA-receptor smokkel naar remmende synapsen te onderzoeken.
Deze studie werd mede ondersteund door het Intramuraal Onderzoeksprogramma van het NINDS.
vertaling: Andre Teirlinck