Dankzij deze ‘stille synapsen’ kunnen we voortdurend nieuwe herinneringen vormen en nieuwe dingen leren, zonder bestaande synapsen daarvoor te overschrijven.
Misschien heb je ooit van synapsen gehoord. Een synaps verbindt in feite zenuwcellen en zorgt ervoor dat informatie wordt overgedragen. Maar er bestaan ook zogenoemde ‘stille synapsen’: onafgemaakte verbindingen tussen neuronen die inactief zijn. Tot voor kort werd gedacht dat alleen de hersenen van baby’s stille synapsen herbergden. Maar nu blijkt dat ook het volwassen brein over miljoenen onafgemaakte verbindingen beschikt. En daar is niets verontrustends aan.
Stille synapsen
Het is alweer tientallen jaren geleden dat wetenschappers voor het eerst op stille synapsen stuitten. Ze troffen ze voornamelijk aan in de hersenen van jonge muizen en andere babydieren. Hierdoor werd aangenomen dat deze synapsen tijdens de vroege ontwikkeling de hersenen helpen enorme hoeveelheden informatie te verzamelen die baby’s nodig hebben om meer over hun omgeving te leren. Gedacht werd dat stille synapsen bij muizen rond een leeftijd van 12 dagen zouden zijn verdwenen – equivalent aan de eerste maanden van het menselijk leven. Sommige neurowetenschappers hebben echter geopperd dat ook volwassenen nog over stille synapsen beschikken. Maar sluitend bewijs bleef tot nu toe onontdekt.
Dendrieten
In de nieuwe studie ging een onderzoeksteam niet specifiek op zoek naar stille synapsen. In plaats daarvan volgden ze een intrigerende bevinding op uit een eerdere studie. In dat onderzoek toonden wetenschappers aan dat binnen een enkel neuron, dendrieten (zie kader) synaptische input op verschillende manieren kunnen verwerken, afhankelijk van hun locatie. Als onderdeel van die studie probeerden de onderzoekers neurotransmitters in verschillende dendritische takken te meten, om te zien of dat zou helpen de verschillen in het waargenomen gedrag te verklaren.
Neuronen in het menselijk brein ontvangen elektrische signalen van duizenden andere cellen. Lange uitlopers van zenuwcellen – de dendrieten – geleiden de elektrische impulsen van de zenuwcel en stellen deze cellen in staat om met elkaar te communiceren. Dendrieten spelen dus een cruciale rol bij het opnemen van informatie.
De onderzoekers komen tot op een verrassende ontdekking. “Het eerste wat we zagen was heel bizar en hadden we helemaal niet verwacht,” herinnert onderzoeker Mark Harnett zich. “We zagen overal filopodia.”
Filopodia
Filopodia zijn dunne, puntige uitlopers van dendrieten. Neurowetenschappers hebben ze eerder gezien, maar wisten niet precies waar ze voor dienden. Dat komt omdat filopodia echt piepklein zijn. Hierdoor kunnen ze moeilijk met traditionele beeldvormingstechnieken in beeld worden gebracht, maar konden ze nu wel met een andere geavanceerde techniek (eMAP) worden ontmaskerd. Na de verrassende observatie speurde het team verder naar filopodia in het volwassen brein van muizen. Tot hun verbazing troffen ze zowel in de visuele cortex van de muis, als in andere delen van de hersenen, filopodia aan. Daarnaast ontdekten ze dat filopodia wel NMDA-receptoren herbergen, maar geen AMPA-receptoren.
Actieve synapsen
Dat laatste is met name opvallend. Een typische actieve synaps heeft namelijk beide soorten receptoren nodig om de neurotransmitter glutamaat (onmisbaar voor onze informatieverwerking) te binden. NMDA-receptoren werken normaal gesproken samen met AMPA-receptoren om signalen door te geven. Wanneer AMPA-receptoren dus ontbreken, kunnen synapsen die alleen NMDA-receptoren hebben geen elektrische stroom doorgeven en worden daarom ‘stil’ genoemd.
Stille synapsen
Zou dit betekenen dat deze filopodia in feite stille synapsen zijn? Om dat te onderzoeken maakte het team gebruik van een geavanceerde techniek, die hen in staat stelde de elektrische activiteit, gegenereerd door één enkele filopodium, te meten. Dit stimuleerden ze door de afgifte van de neurotransmitter glutamaat uit een naburig neuron na te bootsen. Met behulp van deze techniek ontdekten de onderzoekers dat glutamaat geen elektrisch signaal zou genereren in het filopodium, tenzij de NMDA-receptoren experimenteel werden gedeblokkeerd. En dat is interessant. Want dit zet de theorie dat filopodia stille synapsen zijn, sterker in de schoenen.
Herinneringen
De onderzoekers ontdekten dat bij volwassen muizen ongeveer 30 procent van alle synapsen in de herenschors stille synapsen zijn. Het betekent dat het volwassen brein dus over miljoenen onafgemaakte verbindingen beschikt. Waar ze voor dienen? Vermoedelijk kunnen muizen – en misschien ook mensen – dankzij deze stille synapsen voortdurend nieuwe herinneringen vormen en nieuwe dingen leren, zonder bestaande synapsen daarvoor te overschrijven.
Nieuwe informatie
Het betekent dat stille synapsen eigenlijk constant op zoek zijn naar nieuwe verbindingen. Wanneer vervolgens belangrijke nieuwe informatie wordt gepresenteerd, worden verbindingen tussen de relevante neuronen versterkt. Hierdoor kunnen de hersenen nieuwe herinneringen creëren zonder de belangrijke herinneringen te overschrijven die zijn opgeslagen in volwassen synapsen, die overigens ook nog eens moeilijker te veranderen zijn. De onderzoekers ontdekten namelijk dat het veel makkelijker is om stille synapsen om te zetten in actieve synapsen dan om volwassen synapsen te veranderen. “De synapsen in het volwassen brein hebben een veel hogere drempel,” legt Harnett uit. “Waarschijnlijk omdat je niet wilt dat al gevormde herinneringen constant worden overschreven. Filopodia daarentegen kunnen worden gebruikt om nieuwe herinneringen te vormen.”
Eerste bewijs
Al met al laten de onderzoekers zien dat het volwassen brein zeer plastische synapsen bevat die kunnen worden aangesproken om nieuwe herinneringen te vormen. “Onze studie is, voor zover ik weet, hier het eerste echte bewijs van,” zegt Harnett. “Filopodia maken het geheugensysteem zowel flexibel als robuust. Je hebt flexibiliteit nodig om nieuwe informatie te verwerven, maar je hebt ook stabiliteit nodig om de belangrijke informatie vast te houden.”
De volgende stap is om aan te tonen dat ook menselijk hersenweefsel over dergelijke stille synapsen beschikt. Ze hopen ook te bestuderen of het aantal of de functie van deze synapsen wordt beïnvloed door factoren zoals veroudering of neurodegeneratieve ziektes. “Het is goed mogelijk dat als de flexibiliteit verandert, het moeilijker wordt om nieuwe informatie op te nemen,” speculeert Harnett. Vervolgonderzoek zal dat verder moeten uitwijzen.
