Molecuulstructuur van iGluSnFR (afb: Kaspar Podgorski et al./Nature Methods)

Zouden we er ooit achter komen hoe onze hersens werken? Wetenschappers schijnen daar alle vertrouwen in te hebben. Nu stellen onderzoekers dat ze een eiwit hebben ontwikkeld, iGluSnFR gedoopt, dat de zwakke chemische signalen kan detecteren die neuronen van andere hersencellen ontvangen. Door met dat eiwit glutamaat te volgen zouden ze kunnen zien hoe neuronen binnenkomende informatie verwerken voordat ze signalen doorsturen. Dit zou de ontbrekende laag zijn van de hersencommunicatie die tot nu toe onzichtbaar zou zijn geweest.
Deze binnenkomende (en zwakke) signalen zouden ontstaan ​​wanneer neuronen glutamaat afgeven, een neurotransmitter die een essentiële rol speelt in de communicatie binnen de hersenen. Hoewel glutamaat cruciaal is voor processen zoals leren en geheugen, was de activiteit ervan tot nu toe extreem moeilijk te meten, omdat de signalen zwak zijn en zeer snel optreden. Deze nieuwe methode maakt het mogelijk om deze subtiele chemische boodschappen te detecteren zodra ze binnenkomen, waardoor onderzoekers toegang krijgen tot een deel van de hersencommunicatie dat lange tijd verborgen is gebleven, is het idee.

Door de binnenkomende signalen te kunnen observeren, is te bestuderen hoe neuronen informatie verwerken, stellen ze. Elke hersencel ontvangt duizenden signalen en de manier waarop deze signalen worden gecombineerd, bepaalt of er een uitgaand signaal wordt geproduceerd. Dit proces zou ten grondslag liggen aan beslissingen, gedachten en herinneringen en het direct bestuderen ervan zou kunnen helpen verklaren hoe de hersenen informatie verwerken.
De ontdekking zou ook nieuwe wegen openen voor ziekteonderzoek. Problemen met glutamaatsignalering zijn in verband gebracht met aandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer, schizofrenie, autisme, epilepsie en andere. Door deze signalen nauwkeuriger te meten, kunnen onderzoekers mogelijk de biologische oorzaken van deze aandoeningen achterhalen.

Ook de ontwikkeling van geneesmiddelen kan hiervan profiteren. Farmaceutische bedrijven kunnen deze ‘sensoren’ gebruiken om te zien hoe experimentele behandelingen de daadwerkelijke hersenactiviteit beïnvloeden, wat de zoektocht naar effectievere therapieën zou kunnen versnellen.
Het eiwit is ontwikkeld door onderzoekers van het Alleninstituut en de Janeliaonderzoekscampus van het Howard Hughesinstituut. IGluSnFR fungeert als een glutamaatindicator. Dankzij de gevoeligheid kan het eiwit zelfs de zwakste signalen detecteren die tussen neuronen worden uitgewisseld.

Door te onthullen wanneer en waar glutamaat vrijkomt, biedt iGluSnFR4 een nieuwe manier om de complexe patronen van hersenactiviteit te interpreteren die ten grondslag liggen aan leren, geheugen en emotie. Het zou wetenschappers in staat stellen om te zien hoe neuronen in de hersenen communiceren.

Om de invloed van deze ontdekking te begrijpen, is het nuttig om te kijken naar hoe neuronen met elkaar wisselwerken. De hersenen omvatten miljarden neuronen die communiceren door elektrische signalen te versturen via uitlopers aan cellen die axonen worden genoemd.
Wanneer een elektrisch signaal het einde van een axon bereikt, kan het de kleine opening naar het volgende neuron, de synaps, niet overbruggen. In plaats daarvan veroorzaakt het signaal de afgifte van neurotransmitters in de synaps. Glutamaat is de meest voorkomende van deze chemische boodschappers en speelt een cruciale rol bij geheugen, leren en emotie. Wanneer glutamaat het volgende neuron bereikt, kan het ervoor zorgen dat die cel vuurt, waardoor de communicatieketen wordt voortgezet.

Dit proces kan worden vergeleken met vallende dominostenen, maar het is veel complexer. Elk neuron ontvangt signalen van duizenden andere neuronen en alleen bepaalde combinaties en activiteitspatronen zullen het ontvangende neuron activeren. Met deze nieuwe eiwitsensor kunnen wetenschappers nu (mogelijk) achterhalen welke patronen van binnenkomende activiteit tot die reactie leiden.

Vrijwel onmogelijk

Tot nu toe was het observeren van deze binnenkomende signalen in levend hersenweefsel vrijwel onmogelijk. Eerdere technieken waren te traag of misten de gevoeligheid die nodig was om de activiteit bij individuele synapsen te meten. Daardoor konden onderzoekers slechts delen van het communicatieproces waarnemen in plaats van de volledige uitwisseling. Deze nieuwe aanpak stelt ze nu in staat om het hele gesprek vast te leggen.

“Het is alsof je een boek leest waarin alle woorden door elkaar staan ​​en je de volgorde of de manier waarop ze zijn gerangschikt niet begrijpt,” stelt hoofdauteur Kaspar Podgorski van het Alleninstituut. “Ik heb het gevoel dat we hier de verbindingen tussen die neuronen toevoegen en daardoor begrijpen we nu de volgorde van de woorden op de pagina’s en wat ze betekenen.” Voordat er eiwitsensoren zoals iGluSnFR4 (er schijnen verschillende varianten van te bestaan; as) beschikbaar waren, konden onderzoekers alleen uitgaande signalen van neuronen meten.

Podgorski: “Neurowetenschappers hebben vrij goede manieren om structurele verbindingen tussen neuronen te meten en in afzonderlijke experimenten kunnen we meten wat sommige neuronen in de hersenen seinen, maar we zijn er nog niet goed in geslaagd om deze twee soorten informatie te combineren. Het is moeilijk te meten wat neuronen tegen andere neuronen zeggen. We hebben hier een manier gevonden om informatie te meten die vanuit verschillende bronnen neuronen binnenkomt en dat was een wezenlijk onderdeel dat ontbrak in neurowetenschappelijk onderzoek.”
Volgens Podgorski en de zijnen zou deze ontdekking een belangrijke beperking vermijden in de moderne neurowetenschappen door het rechtstreeks mogelijk te maken om te zien hoe neuronen informatie ontvangen. Nu er iGluSnFR4 is voor onderzoekers, beschikken die over een krachtig nieuw instrument om de hersenfunctie gedetailleerder te bestuderen. Naarmate deze technologie zich verder verspreidt, kan ze helpen antwoorden te vinden op enkele van de meest hardnekkige vragen over de hersenen.

Bron: Science Daily