Zo houdt je brein belangrijke en onbelangrijke sensaties uit elkaar

Stel je voor dat je gitaar speelt. Je zit en draagt het gewicht van het instrument op je schoot. Eén hand bespeelt de snaren, de andere drukt de snaren tegen de hals van de gitaar om akkoorden te spelen. Je zicht volgt de noten op een bladzijde, en je gehoor laat je naar het geluid luisteren. Daarnaast zijn er nog twee andere zintuigen die het bespelen van dit instrument mogelijk maken. Een daarvan, de tastzin, vertelt je over je interactie met de gitaar. Het andere, proprioceptie, vertelt je over de posities en bewegingen van je armen en handen terwijl je speelt. Samen vormen deze twee vermogens wat wetenschappers somatosensatie noemen, of lichaamsperceptie.

Onze huid en spieren hebben miljoenen sensoren die bijdragen aan somatosensatie. Toch worden onze hersenen niet overweldigd door het spervuur van deze inputs, of van een van onze andere zintuigen. Je wordt niet afgeleid door het knellen van je schoenen of het rukken aan de gitaarband als je speelt; je concentreert je alleen op de zintuiglijke inputs die ertoe doen. De hersenen versterken vakkundig sommige signalen en filteren andere weg, zodat we afleidingen kunnen negeren en ons kunnen concentreren op de belangrijkste details.

Hoe bereiken de hersenen deze prestaties van concentratie? In recent onderzoek aan de Northwestern University, de University of Chicago en het Salk Institute for Biological Studies in La Jolla, Californië, hebben we een nieuw antwoord op deze vraag gevonden. Door verschillende studies hebben we ontdekt dat een kleine, grotendeels genegeerde structuur helemaal onderaan de hersenstam een kritieke rol speelt in de selectie van zintuiglijke signalen door de hersenen. Het gebied heet de cuneate nucleus of CN. Ons onderzoek naar de CN verandert niet alleen het wetenschappelijk begrip van zintuiglijke verwerking, maar het kan ook de basis leggen voor medische interventies om het gevoel te herstellen bij patiënten met letsel of ziekte.

Om te begrijpen wat er nieuw is, moeten we een paar basisprincipes van hoe somatosensatie werkt doornemen. Wanneer we iets bewegen of aanraken, reageren gespecialiseerde cellen in onze huid en spieren. Hun elektrochemische signalen gaan via zenuwvezels naar het ruggenmerg en de hersenen. De hersenen gebruiken deze boodschappen om lichaamshouding en -beweging te volgen, evenals de plaats, timing en kracht waarmee we met voorwerpen in aanraking komen. Experimenten hebben duidelijk gemaakt dat de bewuste ervaring van ons lichaam en de interactie ervan met voorwerpen afhangt van deze signalen die de hersenschors, de buitenste laag van de hersenen, bereiken. Wetenschappers hebben lang aangenomen dat dit hersengebied een van de hoofdrolspelers was bij het selectief versterken of filteren van zintuiglijke signalen. Zij geloofden dat de CN daarentegen gewoon een passief relaisstation was, dat signalen van het lichaam naar de cortex transporteerde.

Maar wij waren sceptisch. Waarom zou het CN bestaan als het de signalen niet op een of andere manier verandert? We besloten cuneate neuronen in actie te zien om dat uit te zoeken. Onderzoek naar de CN was historisch gezien altijd een uitdaging, omdat hij klein en moeilijk toegankelijk is. Hij bevindt zich op de zeer flexibele overgang van kop en nek, wat betekent dat hij door de bewegingen van een dier moeilijk te bereiken is. Tot overmaat van ramp ligt de cuneate nucleus genesteld in de hersenstam, omgeven door vitale hersengebieden die, indien beschadigd, de dood tot gevolg kunnen hebben.

Gelukkig kunnen we met moderne neurowetenschappelijke instrumenten de CN stabiel observeren in wakkere dieren zonder de nabijgelegen gebieden te beschadigen. Bij apen implanteerden we kleine series van elektroden die we gebruikten om individuele neuronen van de nucleus cuneate te monitoren. Voor de eerste keer konden we bestuderen hoe afzonderlijke hersencellen in dit gebied reageren wanneer een aap dingen beweegt en aanraakt. Deze methode stelde ons in staat verschillende vragen te beantwoorden over wat de CN doet.

Ten eerste bestudeerden we hoe deze neuronen reageren op aanrakingssignalen door de huid van apen bloot te stellen aan vele soorten stimuli, waaronder trillingen en braille-achtige stippenpatronen in reliëf. Vervolgens vergeleken we de reacties in de CN met activiteit in zenuwvezels die naar deze hersenstructuur voeren. Als het gebied alleen informatie doorgaf die door de zintuigcellen van de huid was verzameld, zou de neurale activiteit in de CN in wezen een echo zijn van de activiteit in de zenuwvezels. In plaats daarvan vonden we dat CN neuronen niet simpelweg hun input doorgeven maar ze omvormen. In feite vertoonden de cuneate neuronen activiteitspatronen die meer leken op die in de hersenschorsneuronen dan op de patronen in de zenuwvezels.

Maar de verbinding tussen CN en cortex is geen eenrichtingsverkeer. Naast de sensorische zenuwen die omhoog gaan, zijn er paden van sensorische en motorische gebieden van de hersenschors die omlaag gaan naar de nucleus cuneateus. We vroegen ons af of de CN bijdraagt aan een vorm van sensorische filtering gebaseerd op de geplande vrijwillige bewegingen van een dier. Daartoe observeerden we CN-activiteit wanneer apen naar een doel reikten en vergeleken die signalen met de CN-signalen die werden opgewekt wanneer een robot de arm van de apen op een vergelijkbare manier bewoog. We ontdekten dat de activiteit in cuneate neuronen inderdaad veranderde, afhankelijk van wat de dieren aan het doen waren en of de bewegingen vrijwillig of onvrijwillig waren. Zo weten we bijvoorbeeld dat signalen van armspieren een dier kunnen helpen bepalen of een beweging verloopt zoals gepland. In lijn met dit idee vonden we dat veel signalen van de armspieren versterkt werden in de CN wanneer een aap zijn arm vrijwillig bewoog, vergeleken met wanneer de robot de arm bewoog.

Deze studies stelden vast dat de verwerking van signalen afkomstig van ons lichaam al begonnen is wanneer de signalen de nucleus cuneate bereiken. Maar wat zijn de hersencellen en -banen die de selectieve versterking van signalen die er toe doen en de onderdrukking van signalen die er niet toe doen, door de CN mogelijk maken? In een derde studie hebben we gebruik gemaakt van genetische en virale technieken om het zenuwstelsel van muizen te onderzoeken. Met deze instrumenten konden we specifieke celtypes manipuleren door ze aan of uit te zetten door er met een laser op te schijnen. We koppelden deze technieken aan gedragstaken: door muizen te trainen aan een touwtje te trekken of op verschillende texturen te reageren voor een beloning, testten we hoe de activering of inactivering van specifieke neuronen het vermogen van een muis om behendige taken uit te voeren, zou kunnen beïnvloeden. Deze aanpak stelde ons in staat om eerst de functies van cellen binnen de CN te onderzoeken, waarbij we een specifieke set neuronen rondom de CN ontdekten die de doorgang van tastsignalen kunnen onderdrukken of versterken wanneer deze de hersenen binnenkomen. Daarna hebben we soortgelijke technieken toegepast om te onderzoeken hoe andere hogere hersengebieden de activiteit van de CN kunnen beïnvloeden. We ontdekten twee verschillende paden vanuit de cortex helemaal naar beneden naar de CN die bepalen hoeveel informatie de cuneate nucleus doorlaat. Met andere woorden, de CN ontvangt niet alleen informatie van het lichaam, maar ook begeleiding van de cortex om te helpen bepalen welke signalen het meest relevant of belangrijk zijn voor een individu op een bepaald moment.

Het is duidelijk dat de cuneate nucleus een veel interessanter hersengebied is dan tot nu toe werd aangenomen. Ons werk helpt zijn functie te verduidelijken: bepaalde signalen benadrukken en andere onderdrukken alvorens ze door te geven aan hersengebieden die verantwoordelijk zijn voor perceptie, motorische controle en hogere cognitieve functies. Die belangrijke rol kan helpen verklaren waarom de CN voorkomt bij een grote verscheidenheid van zoogdieren, waaronder muizen en primaten.

Hoewel ons werk nog lang niet af is, hebben onze resultaten nu al belangrijke implicaties voor revalidatie. Naast de actieve tactiele en spiersignalen die we hebben kunnen bestuderen, zijn er aanwijzingen dat de CN nog veel meer ‘slapende’ inputs ontvangt die belangrijk kunnen zijn bij het herstel na neurologisch letsel. Miljoenen mensen wereldwijd lijden aan een vorm van disfunctie van ledematen, zoals verlamming of verlies van gevoel. Met een beter begrip van hoe sensorische en motorische signalen de beweging ondersteunen, kunnen artsen uiteindelijk de diagnose en behandeling van deze aandoeningen verbeteren. Zo zouden geïmplanteerde elektroden op een dag de nucleus cuneateus elektrisch kunnen activeren bij mensen die het gevoel in hun ledematen hebben verloren, waardoor ze mogelijk weer in staat zijn hun lichaam waar te nemen.