Eh... dinges

Kun je het geheugen verklaren uit moleculaire processen? Ja, zeggen veel neurobiologen. Er zijn al 121 moleculen bekend die ons laten leren. Nu het onderliggende mechanisme nog.

HOE SLAAN onze hersenen de geur van een roos op? Of de pincode van de bankpas? En waar ergens in het brein schuilt de traumatische herinnering aan die dolgedraaide, bijtende herdershond? ``We weten nog niet in detail hoe de hersenen informatie vastleggen, maar willen we het geheugen beter begrijpen, dan helpt het om in te zoomen op twee zenuwcellen en de biochemische reacties die zich tussen hen afspelen'', zegt prof.dr. Wytse J. Wadman, verbonden aan de afdeling cellulaire en moleculaire neurobiologie van de Universiteit van Amsterdam. Wadman gelooft in een reductionistische benadering van het geheugen. Herinneringen zijn van moleculen gemaakt.

En dus is hij het volstrekt oneens met iemand als Steven Rose, de Engelse neurobioloog die fel gekant is tegen de reductionistische kijk die veel van zijn collega's erop na houden. Drie weken geleden spuide Rose daarover nog zijn gal, tijdens de viering van het negentigjarig bestaan van het Nederlands Instituut voor Hersenonderzoek. Volgens de Brit is het geheugen juist niet te reduceren tot individuele moleculaire reacties. Het zijn de eigenschappen van het netwerk als geheel die ons laten onthouden wanneer Sinterklaas zijn verjaardag viert of hoe de tafel van veertien gaat. ``Natuurlijk. Dat is ook zo'', erkent Wadman. ``Maar Rose drijft een tegenstelling op de spits die er eigenlijk niet is. Want om te begrijpen hoe het enorm complexe netwerk van die honderd miljard zenuwcellen functioneert, moet je eerst weten wat er zich tussen twee zenuwcellen afspeelt. Veranderen er biochemische reacties als je je eerste rijlessen neemt of Franse woorden repeteert? En wat verandert er dan precies? De reductionistische aanpak is erg succesvol geweest bij het oplossen van dergelijke vragen.''

Hoe succesvol, blijkt uit een overzichtsartikel dat verschijnt in de juli-editie van Nature Neuroscience. Daarin sommen de neurobiologen Joshua Sanes en Jeff Lichtman van de Washington University School of Medicine in St. Louis 121 moleculen op. Allemaal zijn ze betrokken bij de twee processen die volgens veel neurobiologen aan de basis liggen van leren en geheugen: long-term-potentiation (LTP) en long-term-depression (LTD). Via LTP kunnen zenuwcellen het onderling contact langdurig – dagen, maanden of zelfs jaren – met elkaar versterken en dat blijkt een manier om informatie op te slaan. Het tegenovergestelde gebeurt tijdens LTD. Zenuwcellen verminderen hun onderling contact, waardoor informatie weer vervaagt. Wadman: ``LTP en LTD zijn op dit moment de meest aannemelijke theorieën voor leren en geheugen bij zoogdieren. Via deze processen veranderen zenuwcellen hun onderlinge contact voortdurend. Er ontstaan nieuwe verbindingen, bestaande contacten worden constant versterkt of verzwakt. Die plasticiteit heb je nodig om te kunnen leren. Als er niks zou veranderen, dan is het einde verhaal. Dan kun je geen nieuwe informatie verwerken.''

De 121 moleculen die Sanes en Lichtman opsommen zijn de laatste tien jaar ontdekt. ``De moleculaire neurobiologie heeft flinke sprongen gemaakt de laatste jaren. Als je dat vergelijkt met de vorderingen die Freud en zijn makkers hebben geboekt, dan moge het duidelijk zijn waar de vooruitgang zich heeft afgespeeld'', zegt Wadman, die enigszins verbaasd is over het grote aantal. ``Ik wist niet dat het er al 121 waren. Maar aan de andere kant vind ik het ook weer niet zo gek. We vergeten wel eens hoe complex ons brein is. Aan mijn studenten leg ik dat altijd uit aan de hand van `het dorp'. Stel ik woon in een dorp met 30.000 inwoners. Vanuit mijn huis loopt een telefoonlijn naar alle andere dorpelingen. En voor ieder van hen geldt hetzelfde, vanuit elk huis vertrekken er 29.999 telefoonlijnen. Dan heb je al een behoorlijk complex netwerk. Iets dergelijks kun je natuurlijk ook aanleggen over de hele aardbol, en met alle aardbewoners. Als je dan vijftig aardbollen neemt ben je ongeveer in de buurt van de complexiteit van de hersenen.''

SPICE GIRLS

Om LTP te bereiken moet de prikkel – een geur, een beeld, een geluid, een beweging – een drempelwaarde overschrijden. De indruk moet sterk genoeg zijn. Herhaling helpt daarbij. Gezichten van toevallige passanten in de trein beklijven niet, maar dagelijks terugkerende hoofden van slaperige forensen komen na een aantal keren bekend voor. En om de laatste hit van de Spice Girls helemaal mee te kunnen blèren, zul je de songtekst een aantal keren moeten repeteren. Zo slijpt de tekst langzaam in.

Informatie kan ook meteen voor maanden of jaren worden vastgelegd als de prikkel extreem heftig is. Bijvoorbeeld: een aanval door een pitbull, een auto-ongeluk dat zich voor je ogen afspeelt of een verhuizing naar een nieuwe stad op driejarige leeftijd. Dat kan jaren later nog heldere beelden oproepen. Bijvoorbeeld dat je verborgen zat onder een bruine tafel, dat vader je oppakte en in de lichtblauwe wagen zette, dat mensen in een halve cirkel stonden en zwaaiden ter afscheid.

Herinneringen liggen vast als diffuus verspreide netwerken van onderling nauw verbonden zenuwcellen. En die netwerken kunnen elkaar overlappen. Een zenuwcel kan onderdeel uitmaken van een netwerk dat betrokken is bij de herinnering aan een mooie vakantie in een zonovergoten Zuid-Spanje. Dezelfde zenuwcel kan ook onderdeel zijn van een netwerk dat actief is tijdens het parkeren van de auto. ``Geheugen is geassocieerd met overlappende circuits van zenuwcellen'', schrijft hersendeskundige prof.dr. Susan Greenfield in haar twee jaar geleden verschenen boek The Human Brain. Elk circuit draagt voor een deel bij aan een herinnering. Geen enkele herinnering is volledig terug te leiden op een cel of een groep van cellen.

Dat was eigenlijk al bekend van de experimenten die psycholoog Karl Lashley in de jaren veertig uitvoerde. Hij leerde ratten iets aan en verwijderde vervolgens kleine stukken van hun hersenschors. Lashley hoopte zo de opslagplaats van de aangeleerde taak te lokaliseren. Maar verwijdering van een bepaald stuk hersenschors hing niet samen met het verdwijnen van een bepaald stuk geheugen. Lashley ontdekte iets anders. Hoe meer schors hij verwijderde, hoe slechter de ratten de geleerde taak uitvoerden. De hele schors speelt waarschijnlijk een rol bij de vorming van het geheugen, concludeerde de psycholoog.

Het onderzoek aan LTP heeft zich sterk gericht op de hippocampus (Grieks voor zeepaardje), een gebied dat belangrijk is voor het lange termijn geheugen. Dat bleek onder andere na de operatie van patiënt H.M. die aan ernstige epilepsie leed. Om de ziekte te bestrijden verwijderden chirurgen in 1953, toen H.M. 27 was, een deel van zijn hersenen waaronder de hippocampus. Sindsdien is deze ingreep nooit meer uitgevoerd. Want de operatie had ingrijpende gevolgen. H.M. verloor zijn expliciete lange-termijngeheugen, dat nieuwe informatie over feiten en gebeurtenissen opslaat. Zijn impliciete lange-termijngeheugen bleef intact. Dit soort geheugen legt vaardigheden en gewoonten, zoals het besturen van een auto, vast en is vooral terug te vinden in de kleine hersenen. Dat gebied bleef bij H.M. intact na de ingreep. Door de forse beschadiging aan de hippocampus kon de patiënt zich nog wel dingen van voor de ingreep herinneren, maar wat zich na de operatie voordeed bleef hem niet langer dan een paar uur bij. ``Iedere dag staat op zich'', klaagde hij ooit. ``Wat voor plezier ik ook heb, wat voor ellende ik ook meemaak.''

TUSSENSTATION

Inmiddels is bekend dat de hippocampus als een soort tussenstation fungeert voor de langdurige opslag van informatie. Nieuwe feiten en gebeurtenissen komen via de hersenschors in de hippocampus terecht. Als de informatie belangrijk genoeg is, blijft die zo'n twee jaar in de hippocampus hangen en `verhuist' daarna weer naar de hersenschors waar de nieuwe data in de bestaande netwerken worden verwerkt en vele jaren worden opgeslagen.

LTP werd voor het eerst in de hippocampus aangetoond. In de zomer van 1966 kwam L⊘mo, toen nog student aan de Universiteit van Oslo, op het spoor van het proces. Hij werkte destijds in het laboratorium van Per Andersen, die bekend stond om zijn onderzoek aan de hippocampus. Andersen stelde L⊘mo voor om zijn onderzoek te richten op het proces van potentiatie, waarover toen nog weinig bekend was. Men wist dat zenuwcellen steeds heftiger `vuren' naarmate ze vaker een elektrische prikkel toegediend krijgen, maar hoe het een met het ander verband hield was niet duidelijk. L⊘mo stemde in met Andersens voorstel en begon zijn proeven. Hij bracht konijnen onder narcose en plaatste vervolgens een aantal elektroden in hun hersenen zodat hij de elektrische activiteit van een aantal zenuwcellen nauwkeurig kon volgen. De communicatie tussen zenuwcellen is gebaseerd op een combinatie van elektrische en chemische activiteit. Zenuwcellen geleiden elektrische prikkels en geven het signaal aan een volgende zenuwcel door via een chemische boodschapper. Bij de geleiding van een elektrische prikkel verandert de verdeling van natrium-ionen aan de binnen- en buitenkant van een zenuwcel en dat is met een elektrode te meten.

L⊘mo prikkelde de geselecteerde zenuwcellen eerst met lichte elektrische pulsen van 10 tot 15 hertz. Was die prikkel eenmalig, dan reageerde de cel amper. Diende L⊘mo de stimulus gedurende 100 milliseconden toe, en dat enkele keren kort achter elkaar, dan werd de respons van de zenuwcel sterker. Als de prikkel maar lang genoeg aanhield dan sloeg de reactie op een gegeven moment ook over op omliggende cellen. Maar steeds zag L⊘mo hetzelfde: stopte hij met het toedienen van de prikkel, dan doofde de reactie van de zenuwcel weer snel uit.

sterke prikkel

Daarna paste de Noor zijn proef enigszins aan. Hij stimuleerde de zenuwcel niet alleen met een repeterende, lichte prikkel, maar joeg vervolgens een puls van 50 hertz door de zenuwcel. Na zo'n sterke prikkel hield de reactie van de zenuwcel heel lang aan, ontdekte L⊘mo. Vele uren. De Noor concludeerde dat er iets fundamenteel veranderd moest zijn in de zenuwcel. De puls liet een blijvende verandering achter. Zou een cel op die manier informatie kunnen opslaan? In september 1966 presenteerde L⊘mo zijn gegevens tijdens een meeting van fysiologen in het Finse Turku. Maar er werd amper op gereageerd. De zaak kwam op een laag pitje te staan, voorlopig.

Twee jaar later begon Tim Bliss soortgelijke experimenten, ook in het lab van Per Andersen. Bliss was zeer geïnteresseerd in de hippocampus. Hij had daaraan in Londen al onderzoek gedaan, maar hij wilde graag naar Andersens lab. Bliss werkte voornamelijk met Andersen, maar een dag in de week reserveerde hij voor L⊘mo. Samen probeerden ze de resultaten die L⊘mo een jaar daarvoor had behaald te herhalen. Na maanden werk slaagden ze daarin. Ze wisten het bestaan van LTP te bevestigen. Zenuwcellen bleken inderdaad in staat om activiteit vast te leggen in biochemische reacties. En dat biochemische `geheugen' hield soms uren aan, soms dagen.

Bliss heeft zich sindsdien beziggehouden met de moleculaire basis van LTP. Zes jaar geleden schreef hij er in Nature (7 januari, 1993) een overzichtsartikel over, samen met G.L. Collingridge van de Universiteit van Birmingham. De theorie die ze beschrijven noemen ze een `model voor geheugen'. Essentiële moleculen in dat model zijn glutamaat en de glutamaat-receptor. Glutamaat is een neurotransmitter die algemeen in de hersenen voorkomt. Hij stimuleert de signaaloverdracht tussen zenuwcellen. Glutamaat ligt in de zenuwuiteinden opgeslagen, in kleine blaasjes. Als bij zo'n uiteinde een elektrische prikkel arriveert stort de cel de inhoud van die blaasjes naar buiten. Het molecuul belandt in de zogeheten synaptische spleet, de smalle ruimte tussen de uitlopers van twee zenuwcellen. Glutamaat komt bij de membraan van de tegenover gelegen zenuwuitloper terecht. In die membraan liggen receptoren voor glutamaat verankerd. Zodra glutamaat aan deze zogeheten NMDA-receptor bindt, verandert die receptor in een kanaal. Door dat kanaal stromen calcium-ionen massaal de cel in. Dat heeft weer een effect op allerlei biochemische processen in de cel. Wadman: ``De ontdekking van de NMDA-receptor was erg belangrijk. Hij blijkt een eigenschap te hebben die verklaart waarom LTP pas optreedt bij een sterke prikkel. Op de receptor liggen namelijk magnesium-ionen. Die voorkomen dat glutamaat aan de receptor kan binden. Pas als er een flinke lading glutamaat verschijnt, worden de magnesium-ionen weggeschopt en kan glutamaat binden. Pas dan opent de receptor zich en kunnen calcium-ionen via die receptor de cel in.''

Bij LTP prikkelt de instroom van calcium bepaalde enzymen, de zogenaamde ewiwitkinases. Deze zetten fosfaat-moleculen aan andere eiwitten en activeren daarmee allerlei biochemische processen in de cel. Volgens de huidige opvattingen leidt dit uiteindelijk tot een langdurige verandering in het aflezen van bepaalde genen, bijvoorbeeld het gen dat codeert voor de NMDA-receptor.

Bij long-term-depression (LTD) worden er ook prikkels doorgegeven, maar die zijn veel zwakker dan bij LTP. Tijdens LTD stromen er veel minder calcium-ionen de cel in. En dat heeft weer tot gevolg dat er andere enzymen worden getriggered: de zogeheten eiwitfosforylases. Die plukken fosfaatmoleculen van eiwitten af waardoor deze hun activiteit verliezen. De genen die nodig zijn voor langdurige opslag worden niet aangeschakeld.

Behalve glutamaat en zijn receptor, zijn er volgens de opsomming van Sanes en Lichtman nog 119 andere moleculen betrokken bij LTP. Behalve de NMDA-receptor blijken er bijvoorbeeld diverse andere glutamaat-receptoren te bestaan. Soms verschijnen er meerdere typen receptoren in de membraan van een zenuwcel, soms maar een. Verschillende zenuwcellen voeren LTP op een andere manier uit. In de hippocampus komen vijf manieren van LTP voor, aldus Sanes en Lichtman. Bovendien maakt de huidige theorie voor LTP geen onderscheid tussen de verschillende fasen van het proces. Er is een begin-, vroege, midden- en late fase, elk met zijn eigen moleculaire kenmerken. In totaal, schrijven Sanes en Lichtman zijn er misschien wel twaalf vormen van LTP.

uitlopers

Bovendien is het nog steeds niet duidelijk hoe zenuwcellen hun onderling contact nou precies versterken. Stort de zendende zenuwcel (de presynaps) meer glutamaat uit, verschijnen er in de ontvangende zenuwcel (de postsynaps) meer glutamaat-receptoren, worden die receptoren gevoeliger of komen er meer uitlopers tussen de twee zenuwcellen? ``Die discussie woedt al jaren en gaat voorlopig nog door'', zegt Wadman. ``Waarschijnlijk gaat het om een combinatie. Daar zijn wel aanwijzingen voor.'' Kortom, je mag dan 121 moleculen hebben, maar daarmee ken je het onderliggende moleculaire mechanisme van geheugen nog lang niet.

Het zal ook nog wel even duren voordat de interactie van al die moleculen duidelijk is. De uitkomsten van veel experimenten zijn volgens Sanes en Lichtman ``gekmakend verschillend''. Bijvoorbeeld bij elektrofysiologische metingen aan rattenhersenen. Het tijdstip van de dag beïnvloedt die uitkomsten. Net als de temperatuur, de tijd van de maand, de leeftijd en het geslacht van het proefdier, en het feit of de rat al dan niet geïsoleerd is opgegroeid. Daarnaast leveren in vivo (proeven met het levende dier) en in vitro (proeven in de reageerbuis) ook nog al eens verschillende resultaten op, aldus Sanes en Lichtman. In het levende dier zie je soms LTP optreden, terwijl in een hersenplak – onder vergelijkbare omstandigheden – zich juist LTD afspeelt. Het snijden van hersenplakken kan van grote invloed zijn. Het blijkt namelijk dat zich aan het snijvlak massaal extra zenuwuiteinden gaan vormen. Wadman: ``Een optimist zegt dat we al een heel eind zijn bij het in kaart brengen van LTP. Maar ik denk dat LTP zo ingewikkeld is dat we het voorlopig niet zullen begrijpen, zeker niet op moleculair niveau. Vergeet niet, we hebben te maken met het meest complexe orgaan dat we kennen.''