Spontane activiteit vormt de vroege hersenen

Eiwit proBDNF onderdrukt activiteit van synapsen

16 juli 2015

Amsterdamse onderzoekers zijn een stap verder gekomen in het ontrafelen van het mechanisme waarmee hersencellen contact met elkaar leggen in het vroege brein. Spontane activiteit in het ontwikkelende brein schakelt synapsen uit die niet tegelijkertijd actief zijn met naastliggende synapsen. Zo ontstaan clusters van synapsen die verbindingen maken tussen hersencellen en vaak samen tegelijkertijd actief zijn. Dit is belangrijk voor het begrijpen van ontwikkelingsstoornissen in de hersenen zoals autisme en schizofrenie. Aio Johan Winnubst, dr. Christian Lohmann en collega’s van het Nederlands Herseninstituut beschrijven dit onderzoeksresultaat uit het NWO Open Programma in het tijdschrift Neuron.

Tijdens de hersenontwikkeling vormen hersencellen verbindingen met elkaar door middel van contactplaatsen, genaamd synapsen. De verbindingen leiden tot de vorming van functionele neurale netwerken die essentieel zijn voor een goede ontwikkeling van de hersenen. Tijdens de vroege hersenontwikkeling genereren veel hersengebieden hun eigen interne activiteit, waarbij grote groepen cellen tegelijkertijd actief worden. Deze activiteit is belangrijk voor de formatie van de juiste synaptische verbindingen tussen gerelateerde groepen cellen.

Synapsen bij elkaar
Eerder bleek al dat synapsen die dicht bij elkaar liggen op de cel, vaker tegelijk actief zijn dan synapsen die verder uit elkaar liggen. Dit betekent dat synapsen die dezelfde informatie overdragen bij elkaar gegroepeerd zijn op de cel. Onderzoekers vermoeden dat deze ‘synaptische clustering’ belangrijk is voor de latere informatie verwerkingsmogelijkheden van een cel. Individuele cellen kunnen hierdoor beter bijdragen aan het cognitief functioneren van de hersenen. De onderzoekers gingen op zoek naar het mechanisme dat verantwoordelijk is voor de clustering van tegelijkertijd actieve synapsen.

Met geavanceerde opname technieken - calcium microscopie en elektrofysiologie - bekeken de onderzoekers het effect van spontane activiteit op de functionele rijping van individuele synapsen in levende muizen, iets wat tot voor kort technisch niet mogelijk was.


proBDNF

Schematische weergave: proBDNF onderdrukt de onderste synaps

De onderzoekers zagen dat synapsen die niet vaak samen actief zijn met hun naastliggende synapsen, worden onderdrukt in hun activiteit. Deze onderdrukking ontstaat doordat niet co-actieve synapsen minder betrouwbaar worden in het doorsturen van zenuwimpulsen. De onderzoekers stelden vast dat hiervoor het eiwit proBDNF (pro-form brain-derived neurotrophic factor) verantwoordelijk is. Eerder al is aangetoond dat proBDNF negatieve effecten op ontwikkelende synapsen kan hebben. Tijdens de voortdurende spontane activiteit leidt dit mechanisme tot de clustering van synapsen die dezelfde informatie overbrengen.

Ontwikkelingsstoornissen
Dit onderzoek (zie ook het bijbehorende filmpje) toont aan dat afwijkingen in spontane hersenactiviteit en proBDNF-signalering de aanleg van nauwkeurig verbonden netwerken in het brein kan verstoren. De vorming van de juiste verbindingen tussen hersencellen tijdens de ontwikkeling is essentieel voor het latere functioneren van de hersenen. Dit onderzoek draagt bij aan een beter begrip van ontwikkelingsstoornissen in de hersenen zoals autisme en schizofrenie.

Publicatie
Johan Winnubst, Juliette E. Cheyne, Dragos Niculescu, Christian Lohmann, Spontaneous activity drives local synaptic plasticity in vivo. Neuron http://dx.doi.org/10.1016/j.neuron.2015.06.029


Bron: NWO