"Metronome" Neurons Act Like Timekeepers in Mouse Brains



Je brein lijkt een beetje op een concertzaal. Om onze cognitieve processen te stimuleren, moeten verschillende groepen neuronen actief worden – en, net als de verschillende secties van een orkest, in harmonie werken om de symfonie van berekeningen te produceren die ons in staat stelt onze omgeving waar te nemen en ermee om te gaan.

Net als bij een orkest, hebben de hersenen waarschijnlijk een dirigent nodig om alle actieve delen gesynchroniseerd te houden. Er zijn neurowetenschappers die denken dat gammaritmen, snelle hersengolven die fluctueren met een frequentie van ongeveer 40 cycli per seconde, deze rol spelen. Door regelmatig te tikken, wordt aangenomen dat deze oscillaties werken als een klok die de informatieoverdracht van de ene groep neuronen naar de andere coördineert. Er is voldoende bewijs dat suggereert dat gammastraling belangrijk is voor de berekeningen van de hersenen: tientallen jaren aan studies bij mensen en andere dieren hebben deze patronen in veel delen van de hersenen gevonden en hebben hen in verband gebracht met een scala aan cognitieve processen, zoals aandacht en het mentale kladblok van werkgeheugen. Sommige studies hebben zelfs storingen in deze oscillaties gekoppeld aan verschillende neurologische ziekten, waaronder schizofrenie en de ziekte van Alzheimer.

Maar een consensus bestaat niet. Sommige neurowetenschappers denken dat deze gammastraling helemaal niet veel doet. In plaats van een relevant fysiologisch signaal, gelooft één kamp dat deze ritmes gewoon "een uitlaatgassende berekening zijn", zegt Chris Moore, een neurowetenschapper aan het Carney Institute for Brain Science aan de Brown University. Op dezelfde manier geeft je auto uitstoot vrij telkens als je ermee rijdt – het gammasignaal kan perfect worden gecorreleerd met hersenactiviteit, maar levert geen zinvolle bijdrage aan de eigenlijke functie van de auto, legt hij uit.

Dit gezichtspunt wordt ook ondersteund door wetenschappelijk bewijs. Onderzoekers hebben gemeld dat de exacte frequentie van gammastrillingen kan zijn. Dat druist in tegen het idee dat deze golven een tijdwaarnemer of een dirigent zijn, zegt Moore, "omdat de dirigent het ritme niet moet veranderen afhankelijk van hoe hard de muziek is."

Dit wipvermogen kan in het voordeel zijn van gamma in een studie die op 18 juli is gepubliceerd . Moore en een promovendus in zijn laboratorium, Hyeyoung Shin, rapporteerden hun ontdekking van een voorheen onbekende reeks neuronen die fungeren als metronomen bij muizen. Deze "metronoomcellen" vuren ritmisch op gammafrequenties (30 tot 55 cycli per seconde) ongeacht wat er in de buitenwereld gebeurt – en de waarschijnlijkheid dat een dier een sensorische stimulus detecteert, hangt samen met het vermogen van de cellen om de tijd te houden.

Moore en Shin begonnen hun onderzoek als een algemene zoektocht naar hersenactiviteit gekoppeld aan het waarnemen van aanraking. Om dit te doen, implanteerden ze elektroden in de vatcortex in het somatosensorische gebied van de hersenen, dat inputs van de zintuigen verwerkt, in muizen. Het duo mat toen de neurale activiteit, terwijl ze het vermogen van de knaagdieren observeerden om subtiele tikken op hun snorharen op te merken.

Het team koos voor gammavibraties en ze besloten specifiek naar een groep hersencellen te kijken, de snelstijgende interneuronen, omdat van Moore's groep en anderen hadden gesuggereerd dat ze mogelijk betrokken zijn bij het genereren van deze snelle ritmes. Die analyse onthulde dat, zoals verwacht, de mate waarin die cellen met gammafrequenties aan het vuren waren, voorspelde hoe goed de muizen aanraking zouden kunnen detecteren.

Maar toen het paar iets dieper groef, vonden ze iets vreemds. Aanvankelijk hadden ze verwacht dat cellen die zouden worden geactiveerd als reactie op een sensorische stimulus, de sterkste links naar perceptuele accuratesse zouden vertonen – maar toen ze die cellen onderzochten, werd deze associatie zwakker. "Toen realiseerden we ons dat het misschien de niet-sensorische zijn (die er toe doen)," zegt Moore. "Ik herinner me dat moment duidelijk, omdat het heel logisch was." Tenslotte voegt hij eraan toe dat als deze cellen als tijdwaarnemers fungeren, je wilt dat ze consistent blijven, ongeacht wat er in de omgeving gebeurt.

Ze herleidden de analyse met alleen de cellen die niet reageerden op een sensorische stimulus – en zie, de link met perceptueel succes werd sterker. Naast het feit dat de computer niet werd gestoord door de buitenwereld, had deze specifieke subset van cellen de neiging om regelmatig te spike in gamma-intervalintervallen, zoals een metronoom. Bovendien, hoe meer ritmisch deze cellen waren, hoe beter de dieren de whisker-tikken konden detecteren. Als je teruggaat naar de analogie van het brein als een concertzaal, lijkt het volgens Shin te zijn dat "hoe beter de dirigent op tijd is, des te beter het orkest zal doen."

Vikaas Sohal, een neurowetenschapper aan de Universiteit van Californië, San Francisco, die niet aan de studie deelnam, zegt dat dit artikel "de manier waarop we over hersentemmeses denken verandert." Het veld is grotendeels gebaseerd op waarnemingen die oorspronkelijk hercodering van elektrische signalen hebben gemaakt van de hoofdhuid, die een samensmelting van vele neuronen in verschillende delen van de hersenen vertegenwoordigen, maar "hier vinden we een ander type hersensritme dat niet wordt onderscheiden door te kijken naar elektrische signalen die door veel cellen worden aangestuurd maar eerder door signalen in een specifiek type van de cel, "schrijft Sohal in een e-mail.

Er zijn eerdere meldingen geweest van neuronen die piekten met gamma-intervallen. In 1996 rapporteerden wetenschappers zogenaamd, die spontaan bursts produceren met gammafrequenties, in de hersenen van verdoofde katten. "Het idee dat er cellen zijn die dit georganiseerde temporele ritme zelf genereren, is daar een tijdje geweest", zegt Jess. Cardin, een neurowetenschapper aan de Yale University en een voormalige postdoc in het laboratorium van Moore die niet betrokken was bij het onderzoek. "Dit is de eerste keer dat iemand een set zelf-genererende gamma-neuronen heeft geïdentificeerd en deze heeft gekoppeld aan gedrag."

Maar hoe deze nieuw ontdekte cellen de neurale activiteit coördineren, blijft een open vraag. Supratim Ray, een neurowetenschapper aan het Indian Institute of Science, zegt dat een raadselachtig resultaat van deze studie was dat, toen de auteurs keken naar het lokale veldpotentieel – de gesommeerde activiteit van een populatie neuronen – ze geen toename konden vinden in gamma-oscillaties gekoppeld aan de activiteit in de metronoomcellen. Een mogelijke verklaring voor deze bevinding is volgens Moore dat deze gamma-genererende cellen alleen een kleine subset van neuronen beïnvloeden die belangrijk zijn voor de berekeningen van de hersenen en dus niet verschijnen in het populatiesignaal. Maar als dat het geval is, zegt Ray dat de klok misschien niet erg nuttig is. "Als iedereen een ander horloge draagt ​​en niet gesynchroniseerd is, heeft het geen zin om een ​​gemeenschappelijke tijd te hebben."

Dus de jury is nog steeds uit. Als het erom gaat of gammastrillingen een functionele rol spelen, zijn deze bevindingen een ander bewijsstuk dat naar dat idee duwt, zegt Cardin. Maar zoals vele andere studies op dit gebied, konden de experimenten alleen een correlatie tussen gamma-ritmen en gedrag identificeren, niet een causale, voegt ze eraan toe. "Dit is een gebied waar het roken pistool experiment echt moeilijk is – en momenteel onmogelijk – om te doen."