Overzicht: Een nieuwe muisstudie geeft aanwijzingen over hoe de hersenen sensorische informatie van interne organen verwerken, waardoor feedback van organen verschillende clusters van neuronen in de hersenstam activeert.
Bron: Harvard
De meesten van ons denken weinig na over waarom we ons aangenaam vol voelen na het eten van een grote vakantiemaaltijd, waarom we beginnen te hoesten nadat we per ongeluk kampvuurrook hebben ingeademd, of waarom we plotseling misselijk worden nadat we iets giftigs hebben ingenomen. Dergelijke sensaties zijn echter cruciaal om te overleven: ze vertellen ons wat ons lichaam op een bepaald moment nodig heeft, zodat we ons gedrag snel kunnen aanpassen.
Maar historisch gezien is er heel weinig onderzoek gedaan naar het begrijpen van deze fundamentele lichamelijke sensaties – ook bekend als interne zintuigen – die worden gegenereerd wanneer de hersenen input van interne organen ontvangen en interpreteren.
Nu heeft een team onder leiding van onderzoekers van de Harvard Medical School nieuwe stappen gezet in het begrijpen van de basisbiologie van interne orgaandetectie, wat een gecompliceerde cascade van communicatie tussen cellen in het lichaam met zich meebrengt.
In een studie uitgevoerd bij muizen en gepubliceerd in aug. 31in Natuurgebruikte het team beeldvorming met hoge resolutie om ruimtelijke kaarten te onthullen van hoe neuronen in de hersenstam reageren op feedback van interne organen.
Ze ontdekten dat feedback van verschillende organen afzonderlijke clusters van neuronen activeert, ongeacht of deze informatie mechanisch of chemisch van aard is – en deze groepen neuronen die verschillende organen vertegenwoordigen, zijn topografisch georganiseerd in de hersenstam. Bovendien ontdekten ze dat remming in de hersenen een sleutelrol speelt bij het helpen van neuronen om selectief te reageren op organen.
“Onze studie onthult de fundamentele principes van hoe verschillende interne organen worden weergegeven in de hersenstam”, zegt hoofdauteur Chen Ran, onderzoeksmedewerker celbiologie bij HMS.
Het onderzoek is slechts een eerste stap in het ophelderen van hoe interne organen communiceren met de hersenen. Als de bevindingen echter worden bevestigd bij andere soorten, waaronder mensen, kunnen ze wetenschappers helpen betere therapeutische strategieën te ontwikkelen voor ziekten zoals eetstoornissen, overactieve blaas, diabetes, longaandoeningen en hypertensie die optreden wanneer interne waarneming misgaat.
“Ik denk dat het begrijpen van hoe sensorische inputs worden gecodeerd door de hersenen een van de grote mysteries is van hoe de hersenen werken”, zegt senior auteur Stephen Liberles, hoogleraar celbiologie aan het Blavatnik Institute bij HMS en een onderzoeker bij Howard Hughes Medical Institute. “Het geeft inzicht in hoe de hersenen functioneren om percepties te genereren en gedrag op te roepen.”
Weinig bestudeerd en slecht begrepen
Al bijna een eeuw bestuderen wetenschappers hoe de hersenen externe informatie verwerken om de basiszintuigen van zien, ruiken, horen, proeven en voelen te vormen die we gebruiken om door de wereld te navigeren. In de loop van de tijd hebben ze hun bevindingen verzameld om te laten zien hoe de verschillende sensorische gebieden in de hersenen zijn georganiseerd om verschillende stimuli weer te geven.
In het midden van de jaren 1900, bijvoorbeeld, leidde onderzoek naar aanraking wetenschappers ertoe om de corticale homunculus voor het somatosensorische systeem te ontwikkelen – een illustratie die cartoonachtige lichaamsdelen afbeeldt die over het oppervlak van de hersenen zijn gedrapeerd, elk deel gepositioneerd om uit te lijnen met de locatie waar het is verwerkt en op schaal getekend op basis van gevoeligheid.
In 1981 wonnen de Harvard-professoren David Hubel en Torsten Wiesel een Nobelprijs voor hun onderzoek naar het gezichtsvermogen, waarin ze methodisch de visuele cortex van de hersenen in kaart brachten door de elektrische activiteit van individuele neuronen die op visuele prikkels reageren vast te leggen.
In 2004 won een ander paar wetenschappers een Nobelprijs voor hun onderzoek naar het reuksysteem, waarin ze honderden reukreceptoren identificeerden en precies onthulden hoe geurinputs in de neus en hersenen zijn gerangschikt.
Tot nu toe is het proces waarmee de hersenen feedback van interne organen waarnemen en organiseren om basale fysiologische functies zoals honger, verzadiging, dorst, misselijkheid, pijn, ademhaling, hartslag en bloeddruk te reguleren, mysterieus gebleven.
“Hoe de hersenen input van binnenuit het lichaam ontvangen en hoe het die inputs verwerkt, is enorm onderbelicht en slecht begrepen,” zei Liberles.
Dit komt misschien omdat interne detectie ingewikkelder is dan externe detectie, voegde Ran eraan toe. Externe zintuigen, legde hij uit, hebben de neiging om informatie in één enkel formaat te ontvangen. Zo is zicht volledig gebaseerd op de detectie van licht.
Daarentegen brengen interne organen informatie over via mechanische krachten, hormonen, voedingsstoffen, toxines, temperatuur en meer – die elk op meerdere organen kunnen inwerken en zich kunnen vertalen in meerdere fysiologische reacties. Mechanische rek, bijvoorbeeld, signaleert de noodzaak om te urineren wanneer het in de blaas voorkomt, maar vertaalt zich in verzadiging wanneer het in de maag gebeurt en veroorzaakt een reflex om de inademing in de longen te stoppen.
Een constellatie van neuronen
In hun nieuwe studie concentreerden Liberles, Ran en collega’s zich op een hersenstamgebied dat de kern van het eenzame kanaal of NTS wordt genoemd.
Het is bekend dat de NTS sensorische informatie ontvangt van interne organen via de nervus vagus. Het geeft deze informatie door aan hersengebieden van hogere orde die fysiologische reacties reguleren en gedrag genereren. Op deze manier dient de NTS als een interne sensorische poort voor de hersenen.
De onderzoekers gebruikten een krachtige techniek genaamd two-photon calcium imaging die calciumniveaus in individuele neuronen in de hersenen meet als een proxy voor neuronale activiteit.
Het team paste deze techniek toe op muizen die waren blootgesteld aan verschillende soorten interne orgaanstimuli en gebruikte een microscoop om gelijktijdig de reacties van duizenden neuronen in de NTS in de loop van de tijd vast te leggen. De resulterende video’s laten neuronen zien die door de hele NTS oplichten, net als sterren die aan de nachtelijke hemel aan en uit knipogen.
Traditionele beeldvormingstechnieken, waarbij een elektrode wordt ingebracht om een kleine groep neuronen op een enkel tijdstip vast te leggen, “zijn als het zien van slechts een paar pixels van een afbeelding tegelijk”, zei Ran. “Onze techniek is alsof je alle pixels tegelijk ziet om het hele beeld in hoge resolutie weer te geven.”
Het team ontdekte dat stimuli in verschillende inwendige organen – bijvoorbeeld de maag versus het strottenhoofd – over het algemeen verschillende clusters van neuronen in de NTS activeerden. Daarentegen identificeerden de onderzoekers verschillende gevallen waarin mechanische en chemische stimuli in hetzelfde orgaan die vaak dezelfde fysiologische reactie oproepen (zoals hoesten of verzadiging) overlappende neuronen in de hersenstam activeerden. Deze bevindingen suggereren dat specifieke groepen neuronen toegewijd kunnen zijn aan het vertegenwoordigen van bepaalde organen.
Bovendien ontdekten de onderzoekers dat de reacties in de NTS waren georganiseerd als een ruimtelijke kaart, die ze de “viscerale homunculus” noemden in een knipoog naar de analoge corticale homunculus die decennia geleden werd ontwikkeld.
Ten slotte stelden de wetenschappers vast dat signalering van interne organen naar de hersenstam de remming van neuronen vereist. Toen ze medicijnen gebruikten om remming te blokkeren, begonnen neuronen in de hersenstam te reageren op meerdere organen, waardoor ze hun eerdere selectiviteit verloren.
Het werk legt de basis voor “het systematisch bestuderen van de codering van interne zintuigen in de hersenen”, zei Ran.
Een fundament voor de toekomst
De bevindingen roepen veel nieuwe vragen op, waarvan sommige het HMS-team graag wil beantwoorden.
Ran is geïnteresseerd in het onderzoeken hoe de hersenstam interne sensorische informatie doorgeeft aan hogere-orde hersengebieden die de resulterende sensaties produceren, zoals honger, pijn of dorst.
Liberles wil onderzoeken hoe het interne waarnemingssysteem op moleculair niveau werkt. In het bijzonder wil hij de primaire sensorische receptoren identificeren die mechanische en chemische stimuli in organen detecteren.
Een ander gebied voor toekomstig onderzoek is hoe het systeem is opgezet tijdens de embryonale ontwikkeling. De nieuwe bevindingen, zei Liberles, suggereren dat alleen kijken naar het type neuron niet genoeg is; onderzoekers moeten ook overwegen waar neuronen zich in de hersenen bevinden.
Zie ook
“We moeten het samenspel tussen neurontypen en hun posities bestuderen om te begrijpen hoe de circuits zijn bedraad en wat de verschillende celtypen doen in de context van verschillende circuits,” zei hij.
Liberles is ook geïnteresseerd in hoe generaliseerbaar de bevindingen zijn voor andere dieren, inclusief mensen. Hoewel veel sensorische paden tussen soorten behouden blijven, merkte hij op, zijn er ook belangrijke evolutionaire verschillen. Sommige dieren vertonen bijvoorbeeld geen basisgedrag zoals hoesten of braken.
Indien bevestigd bij mensen, kunnen de onderzoeksresultaten uiteindelijk leiden tot de ontwikkeling van betere behandelingen voor ziekten die optreden wanneer het interne sensorische systeem niet goed functioneert.
“Vaak treden deze ziekten op omdat de hersenen abnormale feedback krijgen van interne organen,” zei Ran. “Als we een goed idee hebben van hoe deze signalen differentieel worden gecodeerd in de hersenen, kunnen we er misschien ooit achter komen hoe we dit systeem kunnen kapen en de normale functie kunnen herstellen.”
Andere auteurs zijn Jack Boettcher, Judith Kaye en Catherine Gallori van HMS.
Financiering: Het werk werd ondersteund door de National Institutes of Health (subsidies DP1AT009497; R01DK122976; R01DK103703), het Food Allergy Science Initiative, een Leonard en Isabelle Goldenson Postdoctoral Fellowship, het Harvard Brain Science Initiative en de American Diabetes Association.
Over dit neurowetenschappelijk onderzoeksnieuws
Auteur: Dennis Nealon
Bron: Harvard
Contact: Dennis Nealon–Harvard
Afbeelding: De afbeelding is in het publieke domein
Originele onderzoek: Vrije toegang.
“Een hersenstamkaart voor viscerale sensaties” door Chen Ran et al. Natuur
Abstract
Een hersenkaart voor viscerale sensaties
Het zenuwstelsel gebruikt verschillende codeerstrategieën om sensorische input te verwerken. Het olfactorische systeem maakt bijvoorbeeld gebruik van grote receptorrepertoires en is bedraad om verschillende geuren te herkennen, terwijl het visuele systeem een hoge scherpte van objectpositie, vorm en beweging biedt.
Vergeleken met externe sensorische systemen, blijven principes die ten grondslag liggen aan sensorische verwerking door het interoceptieve zenuwstelsel slecht gedefinieerd.
Hier hebben we een calciumbeeldvormingspreparaat met twee fotonen ontwikkeld om de representaties van interne organen in de kern van het solitaire kanaal (NTS) te begrijpen, een sensorische poort in de hersenstam die vagale en andere inputs van het lichaam ontvangt.
Door ons te concentreren op prikkels van de darmen en de bovenste luchtwegen, zagen we dat individuele NTS-neuronen zijn afgestemd om signalen van bepaalde organen te detecteren en topografisch zijn georganiseerd op basis van lichaamspositie. Bovendien komen sommige mechanosensorische en chemosensorische inputs van hetzelfde orgaan centraal samen.
Sensorische inputs betrekken specifieke NTS-domeinen met gedefinieerde locaties, die elk heterogene celtypen bevatten. Ruimtelijke representaties van verschillende organen worden verder aangescherpt in de NTS dan wat wordt bereikt door alleen vagale axonsortering, omdat blokkade van remming van de hersenstam de neurale afstemming verbreedt en viscerale representaties desorganiseert.
Deze bevindingen onthullen fundamentele organisatorische kenmerken die door de hersenen worden gebruikt om interoceptieve inputs te verwerken.
0 Comments