De signaaloverdracht via synapsen van (niet alleen) buurcellen in de hersens (afb: OIST)

De menselijke hersens zijn een wonder van vernuft. Bij het denken verricht het menselijk brein werkelijk opmerkelijke prestaties op het gebied van informatieverwerking. Zo’n 100 miljard zenuwcellen communiceren met elkaar via zo’n 100 biljoen knooppunten. Onderzoekersters denken nu ontdekt te hebben dat de mechanische eigenschappen van de hersens een wezenlijke rol spelen bij de ontwikkeling van deze verbindingen en het genereren van elektrische signalen (het ‘vuren’). Deze bevindingen zouden nieuwe wegen kunnen openen naar behandelingen voor hersenziektes.
In de hersens verbinden zogeheten synapsen zenuwcellen met elkaar. Die geven de elektrische signalen gericht door (elke hersencel heeft veel verbindingen met andere hersencellen). Ondanks tientallen jaren van onderzoek is de ontwikkeling van synapsen tijdens de hersenontwikkeling nog steeds niet doorgrond.
Nu heeft een internationale onderzoeksgroep van het Max Planckgezelschap, de universiteit van Cambridge en de universiteit van Warwick (VK) ontdekt dat de mechanische eigenschappen van de hersens een belangrijke rol spelen in dit ontwikkelingsproces. In een recente studie hebben de wetenschappersters aannemelijk gemaakt hoe het vermogen van neuronen om stijfheid waar te nemen verband houdt met moleculaire mechanismen die de neuronale ontwikkeling sturen.
Tijdens hun ontwikkeling zijn hersens een zeer zachte, vergelijkbaar met een roomkaas. De stijfheid varieert echter per hersengebied. In embryo’s van de Afrikaanse klauwkikker (Xenopus laevis) ontdekten onderzoekersters dat zachtere hersengebieden meer synapsen hebben dan stijvere delen.
Om te testen of stijfheid een directe invloed heeft op de synapsvorming, verstevigden de onderzoekersters onder aanvoering van Kristian Franze, hoofd van de afdeling neurale mechanica van het MPZPM en hoogleraar aan de Friedrich-Alexander-universiteit in Erlangen-Neurenberg en de universiteit van Cambridge, de hersens kunstmatig en zagen dat daardoor de synapsontwikkeling in alle gebieden vertraagde. Kennelijk hebben de mechanische eigenschappen van de hersens invloed op hoe snel en waar synapsen worden gevormd.
Franze: “Dit verandert ons begrip van hoe de hersens rijpen fundamenteel.” “Tot nu toe richtte de neurowetenschap zich voornamelijk op de invloed van chemische signalen op de hersenontwikkeling”, stelt Eva Kreysing, hoofdauteur en werkzaam aan de universiteit van Warwick. “Het bestuderen van mechanische signalen biedt een nieuw perspectief op de hersenontwikkeling en zou kunnen leiden tot nieuwe inzichten in neurologische ontwikkelingsstoornissen”.
De onderzoekersters toonden aan dat de mechanische eigenschappen van de hersens actief van invloed zijn op hoe snel en waar synapsen worden gevormd. Eiwit dat gevoelig is voor krachten vertraagt ​​synapsvorming in stijvere omgevingen, was de conclusie van de onderzoekersters.

Hoe?

Om te begrijpen hoe zenuwcellen hun mechanische omgeving waarnemen, veranderden de onderzoekersters het genoom van neuronen. Op die manier konden ze de eiwitten in neuronen en processen achterhalen die betrokken zijn bij zaken als synapsvorming en elektrische signalering. Ze ontdekten (dus) dat zowel synapsvorming als elektrische activiteit afhankelijk zijn van de stijfheid van de omgeving.

Neuronen nemen deze stijfheid waar via het krachtengevoelige ionenkanaal Piezo1. Vervolgens keken de wetenschappersters naar de expressie (=activiteit) van duizenden genen en ontdekten dat Piezo1 de neuronale ontwikkeling in stijvere omgevingen vertraagt ​​door de aanmaak van transthyretine te verminderen. Van dat eiwit is onlangs aangetoond dat het synapsvorming reguleert. Deze ontdekking zou aantonen hoe de stijfheid verband houdt met moleculaire mechanismen die de neuronale ontwikkeling sturen.
“Deze resultaten onderstrepen het belang van mechanische signalen voor de hersenontwikkeling en wijzen op hun mogelijke rol bij de vorming van neurale circuits in de hersens”, vult Thora Karadottir van de universiteit van Cambridge aan.
De geïdentificeerde signaalcascade, die de stijfheidsafhankelijke ontwikkeling van zenuwcellen reguleert, biedt onderzoekersters nieuwe benaderingen voor het onderzoeken van ontwikkelingsstoornissen van het zenuwstelsel die bijvoorbeeld kunnen leiden tot schizofrenie of autisme.

Bron: idw-online.de