Motorisch leren zonder hersenen

Hebben we hersenen nodig om motorisch te leren? Nee, dat weten we al sinds het begin van de 20e eeuw. Het ruggenmerg integreert sensorimotorische informatie en past bewegingen daar flexibel op aan. Het is dus in staat om te leren en heeft een geheugen - onafhankelijk van de hersenen. Tot nu toe was het echter onduidelijk hoe dit mogelijk is. Wetenschappers uit Japan en België hebben nu de exacte neuronale circuits gedecodeerd die hersenonafhankelijk motorisch leren mogelijk maken. Ze publiceerden hun bevindingen in "Science".

Het team onder leiding van Aya Takeoka van het RIKEN Centre for Brain Science in Hirosawa ontwierp een experiment met muizen waarvan het ruggenmerg was doorgesneden, zodat het geen input kreeg van de hersenen. Elk dier werd in een harnas opgehangen zodat zijn achterpoten vrij bungelden. De onderzoekers stimuleerden de poten van de knaagdieren herhaaldelijk elektrisch, waardoor ze reflexmatig terugtrokken. De helft van de dieren kreeg een milde elektrische schok als ze hun poten te ver naar beneden lieten hangen. In de controlegroep daarentegen was de stimulatie willekeurig en niet gerelateerd aan de pootpositie.

Na tien minuten zagen de experts alleen bij de experimentele muizen een leereffect: hun poten bleven omhoog staan en vermeden elke elektrische stimulatie. Het ruggenmerg is dus in staat om een externe stimulus te associëren met de positie van de poot en de motorische output daaraan aan te passen. De volgende dag herhaalden Takeoka en haar collega's de test, maar verwisselden de experimentele en controlemuizen. De oorspronkelijke proefdieren hielden nog steeds hun poten omhoog: Het ruggenmerg had dus een geheugenspoor aangemaakt dat het opnieuw leren belemmerde.

Het ruggenmerg bestaat uit verschillende populaties neuronen die functioneel zijn onderverdeeld in twee categorieën: dorsale (naar achteren gerichte) neuronen, die sensorische informatie ontvangen en doorgeven, en ventrale (naar de buik gerichte) neuronen, die de motorische output moduleren. Om erachter te komen hoe ze elk betrokken zijn bij leren en geheugen, schakelde de groep verschillende genen uit in de experimentele muizen.

Hoop voor ruggenmergletsels

Na het uitschakelen van ruggenmergcellen pasten de poten van de muizen zich niet meer aan de elektrische schokken aan. Dit gold vooral voor de neuronen die het Ptf1a-gen tot expressie brengen. De ventrale cellen van het ruggenmerg bleken daarentegen doorslaggevend te zijn voor het opnieuw leren de volgende dag. Volgens de onderzoekers bewijzen de resultaten dat de spinale circuits ook het principe van sensorimotorisch leren volgen. De bevindingen zouden kunnen helpen bij het ontwikkelen van therapieën die de motorische functie na een dwarslaesie bevorderen.

Spectrum van de wetenschap

Wij zijn partner van Spektrum der Wissenschaft en willen goed onderbouwde informatie toegankelijker maken voor jou. Volg Spektrum der Wissenschaft als je de artikelen leuk vindt.