Samenvatting: De wetenschappers presenteren een hypothese genaamd “Cytoelectric Coupling”, die suggereert dat elektrische velden in de hersenen neuronale subcellulaire componenten kunnen manipuleren, waardoor de netwerkstabiliteit en efficiëntie worden geoptimaliseerd. Ze stellen voor dat deze velden neuronen in staat stellen het informatieverwerkingsnetwerk op moleculair niveau te coördineren.
Ter vergelijking: dit proces is vergelijkbaar met huishoudens die hun televisieopstelling organiseren voor een optimale kijkervaring. De theorie, open voor testen, zou ons begrip van de innerlijke werking van de hersenen aanzienlijk kunnen verbeteren.
Basiselementen:
- De cyto-elektrische koppelingshypothese suggereert dat elektrische velden in de hersenen de netwerkstabiliteit en -efficiëntie kunnen reguleren door neuronale subcellulaire componenten te beïnvloeden.
- Het vermogen van de hersenen om zich aan te passen aan een veranderende wereld omvat eiwitten en moleculen die interageren met de elektrische velden die door neuronen worden geproduceerd.
- Deze nieuwe theorie, die een verband suggereert van het macroscopische naar het microscopische niveau in de hersenen, is een toetsbare hypothese die ons begrip van hoe de hersenen werken radicaal zou kunnen veranderen.
Bron: Picower Instituut voor leren en geheugen
Om zijn vele functies, waaronder denken, te produceren, werken de hersenen op vele schaalniveaus. Informatie zoals doelen of afbeeldingen wordt weergegeven door gecoördineerde elektrische activiteit tussen netwerken van neuronen, terwijl in en rond elk neuron een mengsel van eiwitten en andere chemicaliën op natuurlijke wijze de mechanismen van netwerkparticipatie uitvoeren.
Een nieuw artikel van onderzoekers van MIT, City – University of London en Johns Hopkins University stelt dat elektrische velden van het netwerk de fysieke configuratie van de subcellulaire componenten van neuronen beïnvloeden om de netwerkstabiliteit en -efficiëntie te optimaliseren, een hypothese die de auteurs ‘Cyto-elektrische koppeling’ noemen.
“De informatie die de hersenen verwerken, speelt een rol bij netwerkcoördinatie op moleculair niveau”, zegt Earl K. Miller, de Picower-professor aan het Picower Institute for Learning and Memory aan het MIT, die co-auteur was van het artikel in Vooruitgang in neurobiologie met universitair hoofddocent Dimitris Pinotsis van MIT en City — University of London en professor Gene Fridman van Johns Hopkins.
“De hersenen passen zich aan een veranderende wereld aan”, zei Pinotsis. “De eiwitten en moleculen veranderen ook. Ze kunnen elektrische ladingen hebben en moeten gelijke tred houden met neuronen die informatie verwerken, opslaan en doorgeven met behulp van elektrische signalen. De interactie met de elektrische velden van de neuronen lijkt noodzakelijk.”
Meedenken in de velden
De primaire focus van Miller’s lab is bestuderen hoe cognitieve functies op een hoger niveau, zoals werkgeheugen, snel, flexibel en toch betrouwbaar kunnen ontstaan uit de activiteit van miljoenen individuele neuronen.
Neuronen zijn in staat dynamische circuits te vormen door verbindingen, synapsen genaamd, te maken en te verwijderen, en door deze verbindingen te versterken of te verzwakken. Maar dat vormt gewoon een “routekaart” waar informatie omheen kan stromen, zei Miller.
De specifieke neurale circuits die collectief de ene of de andere gedachte vertegenwoordigen, ontdekte Miller, worden gecoördineerd door ritmische activiteit, beter bekend als ‘hersengolven’ met verschillende frequenties.
Snelle ‘gamma’-ritmes helpen beelden uit onze visie over te brengen (bijv. een muffin), terwijl langzamere ‘bèta’-golven onze diepere gedachten over dat beeld kunnen overbrengen (bijv. ‘te veel calorieën’).
Wanneer getimed, kunnen uitbarstingen van deze golven voorspellingen bevatten, waardoor informatie kan worden geschreven, vastgehouden en gelezen in het werkgeheugen, heeft Miller’s lab aangetoond. Ze worden vernietigd als het werkgeheugen dat ook doet.
Het lab heeft bewijs gerapporteerd dat de hersenen ritmes op specifieke fysieke locaties duidelijk kunnen manipuleren om neuronen verder te organiseren voor flexibele cognitie, een concept dat ‘Spatial Computation’ wordt genoemd.
Ander recent werk van het lab heeft aangetoond dat, hoewel de deelname van individuele neuronen aan netwerken wispelturig en onbetrouwbaar kan zijn, de informatie die wordt overgebracht door de netwerken waarvan ze deel uitmaken, consequent wordt weergegeven door de algehele elektrische velden die worden geproduceerd door hun collectieve activiteit.
Cyto-elektrische koppeling
In de nieuwe studie combineren de auteurs dit model van ritmische elektrische activiteit die neurale netwerken coördineert met andere bewijslijnen dat elektrische velden neuronen op moleculair niveau kunnen beïnvloeden.
Onderzoekers hebben bijvoorbeeld tangentiële koppeling bestudeerd, waarbij neuronen elkaars elektrische eigenschappen beïnvloeden door de nabijheid van hun membranen, in plaats van uitsluitend te vertrouwen op elektrochemische uitwisselingen tussen synapsen. Deze elektrische interactie kan zenuwfuncties beïnvloeden, inclusief wanneer en of ze vuren om elektrische signalen door te geven aan andere neuronen in een circuit.
Miller, Pinotsis en Fridman rapporteren ook onderzoek dat andere elektrische invloeden op cellen en hun componenten aantoont, waaronder hoe neurale groei wordt aangedreven door velden en dat microtubuli hierdoor kunnen worden uitgelijnd.
Als de hersenen informatie overdragen in elektrische velden en die elektrische velden neuronen en andere elementen in de hersenen kunnen vormen die een netwerk vormen, dan zullen de hersenen dit vermogen waarschijnlijk gebruiken. De hersenen kunnen velden gebruiken om ervoor te zorgen dat het netwerk doet wat het moet doen, suggereren de auteurs.
Om het (losjes) in banktermen te zeggen: het succes van een televisienetwerk gaat niet alleen over het vermogen om een duidelijk signaal af te geven aan miljoenen huishoudens. Wat ook belangrijk is, zijn details die zo subtiel zijn als hoe elk kijkend huishouden zijn tv, geluidssysteem en woonkamermeubels inricht om de ervaring te maximaliseren.
Zowel in deze metafoor als in de hersenen, zei Miller, motiveert de aanwezigheid van het netwerk individuele deelnemers om hun eigen infrastructuur zo in te richten dat ze optimaal kunnen deelnemen.
“Cyto-elektrische koppeling verbindt informatie op meso- en macroscopisch niveau met het microscopische niveau van de eiwitten die de moleculaire basis van het geheugen vormen”, schrijven de auteurs in het artikel.
Het artikel presenteert de logica achter Cytoelectric Coupling. “We bieden een hypothese die iedereen kan testen,” zei Miller.
Financiering: Ondersteuning voor het onderzoek kwam van UK Research and Innovation (UKRI), het US Office of Naval Research, de JPB Foundation en het Picower Institute for Learning and Memory.
Over dit neurowetenschappelijk onderzoeksnieuws
Auteur: David Orenstein
Bron: Picower Instituut voor leren en geheugen
Contact: David Orenstein – Picower Instituut voor leren en geheugen
Afbeelding: Afbeelding gecrediteerd aan Neuroscience News
Originele onderzoek: Vrije toegang.
“Cyto-elektrische koppeling: elektrische velden beeldhouwen neurale activiteit en ‘tune’ herseninfrastructuur” door Earl K. Miller et al. Vooruitgang in neurobiologie
Abstract
Cyto-elektrische koppeling: elektrische velden beeldhouwen neurale activiteit en ‘afstemmen’ herseninfrastructuur
We stellen en presenteren convergerend bewijs voor de cyto-elektrische koppelingshypothese: elektrische velden die door neuronen worden gegenereerd, zijn causaal tot op het niveau van het cytoskelet.
Dit zou kunnen worden bereikt door middel van elektrodiffusie en mechanotransductie en uitwisselingen tussen elektrische, kinetische en chemische energie. Tangentkoppeling organiseert neurale activiteit en vormt neurale ensembles op macroschaalniveau.
Deze informatie wordt verspreid op neuronaal niveau, waardoor spiking wordt beïnvloed, en tot op moleculair niveau om het cytoskelet te stabiliseren, waardoor het wordt “afgestemd” om informatie efficiënter te verwerken.
