Acetylcholine verlegt binnen seconde informatiestromen hersenschors

Team Huib Mansvelder onderzoekt in unieke samenwerking met neurochirurgie Amsterdam UMC voor het eerst activiteit van Martinotti cellen in menselijke hersenen.

05-10-2018 | 13:17

Een team van Huib Mansvelder (Integratieve Neurofysiologie) is erin geslaagd om de snelle invloed te onderzoeken van neuromodulator acetylcholine op netwerken van menselijke hersencellen. Het onderzoek werpt licht op de vraag hoe informatiestromen in de cortex worden gereguleerd door neuromodulatoren, een proces dat verstoord wordt bij hersenaandoeningen zoals Alzheimer. De onderzoeksresultaten zijn 5 oktober gepubliceerd in Nature Communications.

Hersenschors en neuromodulatoren
Onze gedachten, ervaringen, gevoelens worden we gewaar door activiteit van hersencellen in onze hersenschors, de cortex. In de cortex werken stimulerende en inhiberende hersencellen (die de activiteit van omliggende hersencellen kunnen verminderen) samen om signalen van andere hersengebieden en onze zintuigen te verwerken. Verschillende typen inhibitoire cellen (interneuronen) kunnen deel uit maken van zogenaamde motieven van corticale informatiestromen, en vormen feedforward en feedback loops.

Een vorm daarvan is laterale inhibitie tussen de meest voorkomende stimulerende hersencellen, de pyramidaalcellen. Hersenonderzoekers denken dat door middel van laterale inhibitie, actieve pyramidaalcellen naburige pyramidaalcellen stil kunnen maken, zodat hun ‘boodschap’ duidelijker gehoord wordt in de cortex. Neuromodulatoren zoals acetylcholine zijn signaalstoffen die elders in de hersenen gemaakt worden, maar die de werking van de hersenschors sterk beïnvloeden, zogenaamde ‘master switches’ die informatieverwerking mogelijk maken door het corticale netwerk in een werkende, alerte toestand te brengen.

Acetylcholine en Alzheimer
Bij de ziekte van Alzheimer verdwijnen acetylcholine producerende cellen en dat verstoort informatieverwerking in de hersenschors, wat je terug kunt zien in verminderd aandachtig zijn en slechter geheugen bij Alzheimer patiënten. Over het algemeen wordt verondersteld dat acetylcholine op een langzame tijdschaal van minuten tot uren werkt. De inzichten uit het onderzoek van Mansvelder laten zien dat dit veel sneller kan zijn, seconden of korter.

Het team van Mansvelder heeft onderzocht hoe acetylcholine in de cortex op tijdschalen die relevant zijn voor denkprocessen, informatiestromen via bepaalde typen inhiberende cellen beïnvloedt. Dit hebben de onderzoekers gedaan met de recent (door anderen) ontwikkelde techniek ‘optogenetics’, waarmee met licht muizenhersencellen die acetylcholine maken, binnen een milliseconde aan en uit gezet kunnen worden, de tijdschaal waarop hersencellen signalen uitwisselen.

De onderzoekers vonden dat acetylcholine informatiestromen in de hersenschors binnen tientallen milliseconden kan verleggen door laterale inhibitie specifiek via de zogenaamde Martinotti cellen te versterken, door deze inhiberende cellen direct actief te maken. Daarentegen verandert acetylcholine laterale inhibitie via zogenaamde Parvalbumine cellen (ook inhiberende cellen) niet. 

Succesvolle samenwerking neurochirurgie
Het bijzondere aan Mansvelders onderzoek is dat zijn team in samenwerking met de afdeling neurochirurgie van het Amsterdam UMC bovendien heeft onderzocht of deze processen ook in de hersenschors van mensen plaatsvinden. Het meeste dat we weten over de werking van hersencellen komt uit onderzoek aan laboratorium dieren. Over de werking van menselijke hersencellen in cortical circuits is heel weinig bekend. Slechts een handvol laboratoria in de wereld heeft een succesvolle samenwerking met neurochirurgie waardoor basale eigenschappen van levende menselijke hersencellen bestudeerd kunnen worden.

Uit het onderzoek bleek dat de regulatie van laterale inhibitie tussen pyramidaal cellen via Martinotti cellen geconserveerd is in de menselijke hersenschors. Activiteit van deze cellen is nooit eerder onderzocht in de menselijke hersenen, net zo min als hun rol in informatieverwerking in corticale circuits en regulatie door acetylcholine. Onze bevindingen laten zien dat acetylcholine ruim binnen een seconde informatiestromen in de hersenschors kan verleggen, en dat dit in de cortex van muizen en mensen vergelijkbaar werkt.

Titel publicatie: Lateral inhibition by Martinotti interneurons is facilitated by cholinergic inputs in human and mouse neocortex, Huib Mansvelder