IN DE VERDEDIGING? DAAR KOMT JE HELE BREIN BIJ KIJKEN!

30 april 2021 - Onderzoek

Als je in gevaar bent, kan je maar beter snel reageren! Karl Farrow en Alan Urban van het onderzoekscentrum Neuro-Electronics Research Flanders (NERF) onderzoeken hoe de hersenen visuele informatie verwerken om ons gedrag te sturen. Door middel van opto-fUSI, een combinatie van twee geavanceerde technologieën, konden ze de netwerken in de hersenen blootleggen die actief zijn wanneer dieren gevaar proberen te ontwijken. De resultaten staan deze week in het vakblad Neuron.

Visuele input verwerken

Neurowetenschapper Karl Farrow van Neuro-Electronics Research Flanders (NERF) in Leuven, wil begrijpen hoe miljoenen hersencellen samenwerken om ons gedrag te sturen. In zijn labo proberen onderzoekers de communicatielijnen tussen onze ogen en ons gedrag te ontrafelen. Een belangrijke schakel in deze communicatie is een hersenstructuur die de superieure colliculus genoemd wordt.

Deze naam is Latijn voor "bovenste heuvel" en verwijst naar een anatomische locatie: aan de bovenkant van de middenhersenen van zoogdieren. Zenuwcellen in dit hersengebied ontvangen signalen rechtstreeks van het netvlies en verspreiden die informatie over de visuele wereld verder door de hersenen om zo onze aandacht en ons gedrag aan te passen aan wat we zien.

Fight or flight

“Alle informatieverwerking in ons brein komt eigenlijk neer op hoe te reageren op de uitdagingen waarmee wij - of wat voor dier dan ook - worden geconfronteerd,” legt Farrow uit. “Wat wij willen begrijpen is hoe de netwerken in onze hersenen visuele informatie omzetten naar aangepast gedrag.”

Met aangepast gedrag bedoelt Farrow bijvoorbeeld kleine knaagdieren die stokstijf stilstaan of juist wegvluchten wanneer ze een roofvogel hebben opgemerkt. Wetenschappers hebben ontdekt dat verschillende soorten zenuwcellen in de superieure colliculus bij dat soort verdedigingsreacties betrokken zijn, maar hoe de informatie verder wordt verwerkt was nog onduidelijk.

Twee technieken

Karl Farrow sloeg de handen in elkaar met zijn collega Alan Urban, een van de pioniers van opto-fUSI, een geavanceerde techniek. “Opto-fUSI is eigenlijk een combinatie van optogenetica – waarbij genetisch aangepaste zenuwcellen aangestuurd kunnen worden door licht – en functional ultrasound imaging of functionele echografie,” legt Urban uit, “De combinatie van de twee vormt een belangrijke stap vooruit voor wetenschappers om het brein-in-actie beter te begrijpen. Voor het eerst kunnen we hersenactiviteit op grote schaal en met hoge resolutie in beeld brengen, en tegelijkertijd gerichte hersencircuits gaan activeren bij knaagdieren.”

Met behulp van opto-fUSI brachten de onderzoekers in kaart welke hersengebieden worden geactiveerd door vier verschillende celtypen van de superieure colliculus. “We hebben de activiteit van 264 hersengebieden bij muizen geanalyseerd", zegt Anna Chrzanowska, doctoraatstudent in het lab van Farrow. “Onze resultaten geven aan dat de informatieverwerking voor defensief gedrag niet bestaat uit een beperkt aantal welomlijnde zenuwnetwerken, maar dat er juist veel meer hersengebieden bij betrokken zijn dan aanvankelijk gedacht.”


Anna And Arnau
Anna Chrzanowska & Arnau Sans-Dublanc


Hersennetwerken bloot leggen

“We ontdekten dat elk van de vier types zenuwcellen daadwerkelijk verschillend gedrag teweegbracht en tot tientallen hersengebieden in de hersenen kon activeren. Hoewel deze zenuwnetwerken verschilden van elkaar, was er ook gedeeltelijk overlap,” voegt Arnau Sans-Dublanc toe, doctoraatstudent in de laboratoria van Farrow en Urban.

“Onze resultaten tonen het potentieel van de aanpak om de signalisatienetwerken van specifieke celtypes in kaart te gaan brengen. We zijn ervan overtuigd dat dit ons in staat zal stellen te begrijpen hoe verschillende hersenregio's samenwerken om gedrag onder verschillende omstandigheden te sturen, en ook waar het misloopt bij hersenaandoeningen.”

_

Optogenetic fUSI for brain-wide mapping of neural activity mediating collicular-dependent behaviors
Sans-Dublanc, Chrzanowska et al. 2021 Neuron
Opto Fusi Singleimage