Een eerste glimp van het ‘wifi-netwerk’ van onze hersenen

Beeld: Wikimedia

Hoe hersencellen in verbinding staan en met elkaar communiceren via speciale contactpunten, de synapsen, wordt al decennia lang intensief bestudeerd. Door de locatie van die synapsen in kaart te brengen, begrijpen we beter hoe informatie in het brein wordt verwerkt. Een simpele vergelijking is de kaart van een vast telefoonnetwerk, waarin de bedrading van het netwerk toont wie met wie kan bellen. Een kaart van alle synapsen geeft eveneens een overzicht van welke hersencellen elkaar kunnen informeren. Dit type breinonderzoek zit in de lift. Verschillende grootschalige internationale projecten brengen alle synapsen in het brein van dieren, zoals de fruitvlieg en de muis, in kaart.

Maar hersencellen kunnen elkaar ook informeren langs andere wegen. Ze maken ook kleine eiwitten, zogeheten neuropeptiden, die los van de synapsen signalen naar andere hersencellen overbrengen. Neuropeptiden gaan daardoor ‘draadloze’ contacten aan. Ze laten dus hersencellen communiceren in ‘wifi-modus’. Deze boodschappers zijn in onze hersenen onder meer belangrijk voor ons gevoel, gedrag en geheugen. Een bekend voorbeeld is oxytocine – ook wel het knuffelhormoon genoemd – dat in je hersenen mee verantwoordelijk is voor een gevoel van intimiteit en verbondenheid. Naast oxytocine produceert ons brein een heleboel gelijkaardige stofjes waar we eigenlijk niet zoveel over weten. Onze onderzoeksgroep aan de KU Leuven heeft samen met Britse collega’s voor het eerst het ‘draadloos’ netwerk van deze neuropeptiden in het brein van een dier in kaart gebracht. We deden dit in het mini-brein van de rondworm C. elegans, een populair modelorganisme in de neurobiologie.

Grote lessen uit een klein brein

Het netwerk van neuropeptiden is moeilijk te ontrafelen bij mensen en andere zoogdieren omdat de anatomie van hun hersenen uitermate complex is. Een gangbare schatting is dat het menselijk brein 86 miljard hersencellen telt. Het brein van de kleine rondworm C. elegans bevat daarentegen slechts 302 zenuwcellen. Daarvan werden alle anatomische verbindingen al in kaart gebracht in de jaren 80. Het brein van C. elegans is dus vele malen kleiner dan dat van ons, maar toch in essentie vergelijkbaar op vlak van type zenuwcellen en hun anatomische verbindingen. Bovendien produceert de worm boodschappermoleculen die sterk lijken op die in het menselijk brein. Hersenonderzoek op C. elegans kan ons daarom veel leren over hoe ons brein werkt.

In een eerste stap van het onderzoek bepaalden we hoe hersencellen de neuropeptide boodschappers kunnen opvangen in het brein van de rondworm. Daarvoor gingen we in het DNA van het diertje op zoek naar alle genen die belangrijk zijn voor de aanmaak van neuropeptiden en hun receptoren. Neuropeptiden brengen hun boodschap namelijk over door zich te binden aan receptormoleculen op het oppervlak van een andere zenuwcel. Hier geldt een sleutel-slot-principe: hersencellen zullen enkel reageren op een boodschapper als ze een receptor hebben waarin een specifiek neuropeptide als een sleutel inpast. Met behulp van biochemische technieken hebben we achterhaald welk neuropeptide (sleutel) bij welke receptor (slot) hoort. Dit toont een opmerkelijke overeenkomst tussen C. elegans en de mens: heel wat neuropeptiden en receptoren zijn universeel in het dierenrijk en komen bij zowel wormen als mensen voor.

In een tweede stap gebruikten we computationele technieken om een overzichtskaart te maken van alle hersencellen die via neuropeptiden en receptoren kunnen communiceren. Dit is een belangrijke mijlpaal, want we kunnen hiermee  voor het eerst achterhalen hoe de architectuur van het ‘draadloze’ hersennetwerk verschilt van het netwerk opgebouwd door synapsen. Beide netwerken bleken inderdaad structureel van elkaar te verschillen, wat er op wijst dat informatie mogelijk ook op andere manieren verwerkt wordt. Daarnaast vinden we dat sommige hersencellen een belangrijke rol spelen in zowel het netwerk van synapsen als dat van neuropeptiden. Andere hersencellen blijken dan weer een prominente rol te spelen enkel in het neuropeptide-netwerk.

Wat kan het ‘draadloos’ hersennetwerk van de worm ons leren over ons brein?

Neuropeptiden zijn belangrijke boodschappers die betrokken zijn bij nagenoeg alle hersenprocessen. Door hun centrale rol in bijvoorbeeld eetlust of pijngevoeligheid heeft kennis over neuropeptiden ook therapeutisch potentieel. Ons onderzoek in de rondworm toont dat neuropeptiden een uitgebreid maar goed georganiseerd communicatienetwerk in de hersenen vormen. Door parallel werk bij andere dieren, waaronder de fruitvlieg en de muis, sijpelt stilaan het besef binnen dat ook daar neuropeptiden soortgelijke hersennetwerken vormen. De hamvraag blijft hoe dit ‘draadloos’ netwerk daadwerkelijk onze hersenfuncties beïnvloedt. Modelsystemen waarin de werking van neuropeptiden makkelijk bestudeerd kunnen worden, zoals C. elegans, zijn daarbij van cruciaal belang.  Wat nu al duidelijk is, is dat ‘bedrade’ en ‘draadloze’ communicatienetwerken in het brein niet los van elkaar kunnen worden gezien. Zonder het neuropeptide netwerk ontbreken belangrijke stukken in de breinpuzzel.

Het onderzoek werd mede gefinancierd door de European Research Council, de National Institutes of Health (VS) en de Medical Research Council (VK)