Onderzoek onthult een nieuwe educatieve rol voor de entorinale cortex

Onderzoek onthult een nieuwe educatieve rol voor de entorinale cortex

Een al lang bestaande vraag in de neurowetenschappen is hoe de hersenen van zoogdieren (inclusief de onze) zich aanpassen aan externe omgevingen, informatie en ervaringen. In een paradigma-verschuivende studie, gepubliceerd in Nature, hebben onderzoekers van het Jan en Dan Duncan Neurological Research Institute (Duncan NRI) van het Texas Children's Hospital en Baylor College of Medicine de mechanistische stappen ontdekt die ten grondslag liggen aan een nieuw type synaptische plasticiteit, de zogenaamde behavioristische tijdschaal synaptische plasticiteit (BTSP). De studie onder leiding van Dr. Jeffrey Magee, een professor aan Baylor die ook een Howard Hughes Medical Institute en Duncan NRI-onderzoeker is, laat zien hoe de entorhinale cortex (EC) instructieve signalen naar de hippocampus stuurt; het hersengebied dat cruciaal is voor ruimtelijke navigatie, geheugencodering en consolidatie; en instrueert het om specifiek de locatie en activiteit van een bepaalde subset van zijn neuronen te reorganiseren om veranderd gedrag te bereiken als reactie op de veranderende omgeving en ruimtelijke signalen.

Neuronen communiceren met elkaar door elektrische signalen of chemicaliën over te brengen via verbindingen die synapsen worden genoemd. Synaptische plasticiteit verwijst naar het aanpassingsvermogen van deze neurale verbindingen om in de loop van de tijd sterker of zwakker te worden als directe reactie op veranderingen in hun externe omgeving. Dit aanpassingsvermogen van onze neuronen om snel en nauwkeurig te reageren op externe signalen is van cruciaal belang voor onze overleving en groei en vormt de neurochemische basis voor leren en geheugen.

De hersenactiviteit en het gedrag van een dier passen zich snel aan ruimtelijke veranderingen aan

Om het mechanisme te identificeren dat ten grondslag ligt aan het vermogen van de hersenen van zoogdieren om adaptief te leren, heeft Dr. Christine Grienberger, een postdoctoraal onderzoeker in het Magee-lab en hoofdauteur van de studie, de activiteit gemeten van een specifieke groep plaatscellen, dit zijn gespecialiseerde hippocampale neuronen die 'kaarten' van externe omgevingen creëren en bijwerken. Ze bevestigde een krachtige microscoop op de hersenen van deze muizen en mat de activiteit van deze cellen terwijl de muizen op een lineaire loopband liepen.

In de beginfase waren de muizen gewend aan deze experimentele opzet en werd de positie van de beloning (suikerwater) elke ronde veranderd. "In deze fase renden de muizen voortdurend met dezelfde snelheid terwijl ze voortdurend over het spoor likten. Dit betekende dat de plaatscellen in deze muizen een uniform tegelpatroon vormden", zegt Dr. Grienberger, momenteel assistent-professor aan de Brandeis Universiteit.

In de volgende fase bevestigde ze de beloning aan een specifieke locatie op de baan, samen met enkele visuele aanwijzingen om de muizen te oriënteren en de activiteit van dezelfde groep neuronen te meten.

Ik heb gezien dat het veranderen van de beloningslocatie het gedrag van deze dieren veranderde. De muizen stopten vervolgens kort voor het beloningspunt om het suikerwater te proeven. En nog interessanter was dat deze gedragsverandering gepaard ging met een grotere dichtheid en activiteit van plaatscellen rond de beloningssite. Dit suggereert dat veranderingen in ruimtelijke signalen kunnen leiden tot adaptieve reorganisatie en activiteit van hippocampale neuronen.”

Dr. Christine Grienberger, universitair docent, Brandeis Universiteit

eBook over neurowetenschappen

Compilatie van de beste interviews, artikelen en nieuws van het afgelopen jaar. Download vandaag nog een exemplaar

Dit experimentele paradigma stelde onderzoekers in staat te onderzoeken hoe veranderingen in ruimtelijke signalen de hersenen van zoogdieren vormen om adaptief nieuw gedrag te produceren.

Meer dan zeventig jaar lang domineerde de Hebbiaanse theorie, in de volksmond samengevat als 'neuronen die samen vuren, met elkaar verbinden', de kijk van neurowetenschappers op hoe synapsen in de loop van de tijd sterker of zwakker worden. Hoewel deze goed bestudeerde theorie de basis vormt voor verschillende ontwikkelingen op het gebied van de neurowetenschappen, kent zij enkele beperkingen. In 2017 ontdekten onderzoekers in het Magee-lab een nieuw en krachtig type synaptische plasticiteit – Behavioral Timescale Synaptic Plasticity (BTSP) – dat deze beperkingen overwint en een model biedt dat het beste de tijdschaal nabootst van hoe we gerelateerde gebeurtenissen in het echte leven leren of onthouden.

Met behulp van het nieuwe experimentele paradigma ontdekte Dr. Grienberger dat in de tweede fase voorheen stille plaatscelneuronen in één ronde abrupt grote plaatsvelden verwierven nadat de beloningslocatie was vastgesteld. Deze bevinding komt overeen met een niet-Hebreeuwse vorm van synaptische plasticiteit en leren. Aanvullende experimenten bevestigden dat de waargenomen adaptieve veranderingen in de hippocampuscellen en het gedrag van deze muizen inderdaad te wijten waren aan BTSP.

De entorinale cortex instrueert cellen in de hippocampus hoe ze moeten reageren op ruimtelijke veranderingen

Op basis van eerdere onderzoeken wist het Magee-team dat BTSP een instructief/bewakingssignaal inhoudt dat zich niet noodzakelijkerwijs binnen of naast de geactiveerde doelneuronen bevindt (in dit geval de cellen van de hippocampus). Om de oorsprong van dit instructiesignaal te identificeren, onderzochten ze de axonale projecties van een nabijgelegen hersengebied genaamd de entorhinale cortex (EC), die de hippocampus innerveert en fungeert als een poort tussen de hippocampus en neocorticale regio's die hogere uitvoerende / besluitvormingsprocessen controleren.

"We ontdekten dat gerichte remming van een subset van EC-axonen die de CA1-hippocampale neuronen innerveren waarvan we hebben geregistreerd, de ontwikkeling van overrepresentaties van CA1-beloningen in de hersenen verhinderde", aldus Dr. Magee.

Op basis van verschillende onderzoekslijnen concludeerden ze dat de entorhinale cortex een relatief onveranderlijk doelinstructiesignaal afgeeft dat de hippocampus instrueert om de positie en activiteit van plaatscellen te reorganiseren, wat op zijn beurt het gedrag van het dier beïnvloedt.

"De ontdekking dat een deel van de hersenen (entorhinaal complex) een ander hersengebied (hippocampus) kan instrueren om de positie en activiteit van zijn neuronen (plaatscellen) te veranderen, is een buitengewone ontdekking in de neurowetenschappen", voegde Dr. Magee eraan toe. “Het verandert onze kijk op hoe leerafhankelijke veranderingen in de hersenen plaatsvinden volledig en onthult nieuwe mogelijkheden die onze aanpak van neurologische en neurodegeneratieve ziekten in de toekomst zullen transformeren en sturen.”

Deze studie werd gefinancierd door het Howard Hughes Medical Institute, de Cullen Foundation en het Jan en Dan Duncan Neurological Research Institute in het Texas Children's Hospital.

Bron:

Texels kinderziekenhuis

Referentie:

Grienberger, C & Magee, JC, (2022) Entorinale cortex regelt leergerelateerde veranderingen in CA1-representaties. Natuur. doi.org/10.1038/s41586-022-05378-6.

.