Ook ons ruggenmerg kan leren en onthouden

Leuven, 11 april 2024 — Het ruggenmerg wordt vaak aanzien als een soort van doorgeefluik, dat boodschappen tussen de hersenen en het lichaam doorstuurt. Maar het ruggenmerg kan ook zélf leren en onthouden. Een team van onderzoekers aan het Leuvense Neuro-Electronics Research Flanders (NERF) beschrijft hoe twee verschillende types zenuwcellen in het ruggenmerg een rol spelen bij het aanleren, bijsturen en onthouden van bepaald gedrag, en dat volledig onafhankelijk van de hersenen. De inzichten werpen nieuw licht op de rol van het ruggenmerg bij hoe we leren bewegen, en kunnen op termijn relevant blijken voor revalidatie na een dwarslaesie.

Ieder jaar lopen er in ons land zo’n 200 mensen een dwarslaesie of ruggenmergletsel op. Door een ongeluk of ernstige val worden de zenuwbanen in het ruggenmerg geheel of gedeeltelijk doorgesneden. Omdat die zenuwbanen uitlopers hebben naar alle uithoeken van ons lichaam, zijn mensen met een dwarslaesie tijdelijk of voor altijd minder mobiel en verliezen ze ook hun gevoel en de controle over bepaalde lichaamsfuncties. Hoe ernstig de gevolgen zijn hangt af van de precieze plaats van het ruggenmergletsel.

Meer dan een doorgeefluik

Maar het ruggenmerg is meer dan enkel maar een doorgeefluik voor signalen van en naar de hersenen. Wetenschappers weten al jaren dat ook het ruggenmerg zelf behoorlijk ‘slim’ is.

“De informatie die het ruggenmerg doorgeeft wordt niet altijd eerst verwerkt in de hersenen: de zenuwbanen in het ruggenmerg kunnen ook volledig autonoom acties en bewegingen bijsturen op basis van nieuwe signalen, als er maar voldoende herhaling of oefening is,” zegt professor Aya Takeoka (imec, KU Leuven, VIB).

Takeoka onderzoekt aan het Leuvense NERF (Neuro-Electronics Research Flanders) hoe zenuwnetwerken in het ruggenmerg herstellen na een letsel. Samen met haar team bestudeert ze hoe zenuwverbindingen zich vormen of veranderen, bijvoorbeeld wanneer we nieuwe bewegingen leren.

“We weten al langer dat ook na een ruggenmergletsel er een zeker herstel kan plaatsvinden, maar hoe het ruggenmerg dit klaarspeelt bleef lange tijd een raadsel,” aldus Takeoka.

Dat komt in de eerste plaats omdat het niet eenvoudig is om de activiteit van individuele zenuwcellen in het ruggenmerg te meten bij dieren die niet onder narcose maar effectief in beweging zijn.

Door gebruik te maken van geavanceerde meettechnologie en een model waarin dieren oefeningen trainen binnen enkele minuten, slaagde het team van Takeoka er nu in om twee specifieke celtypes in het ruggenmerg te identificeren die een rol spelen bij het bijsturen en onthouden van beweging na een dwarslaesie.

Twee types zenuwcellen

Om te begrijpen hoe het ruggenmerg leert, bouwden doctoraatsstudent Simon Lavaud en zijn collega's in het lab van Takeoka een experimentele opstelling waarmee ze de beweging van de achterpoten van verschillende muizen nauwkeurig konden meten.

"We hebben daarbij de rol van zes verschillende groepen van zenuwcellen geëvalueerd en identificeerden twee types neuronen, één dorsaal en één ventraal, die bijdragen tot motorisch leren. De dorsale neuronen helpen het ruggenmerg bij het aanleren van een nieuwe beweging, terwijl de ventrale neuronen helpen om de beweging later te onthouden en uit te voeren," legt Lavaud uit.

"Je kunt het vergelijken met een soort van estafette. De dorsale neuronen fungeren als de eerste loper, die de cruciale zintuiglijke informatie voor het leren doorgeven. Vervolgens nemen de ventrale cellen het stokje over, waarbij ze ervoor zorgen dat de aangeleerde beweging soepel wordt uitgevoerd en ook blijft hangen."

Leren en geheugen buiten de hersenen

De gedetailleerde resultaten werden vandaag gepubliceerd in het prestigieuze vakblad Science. Ze tonen aan dat de activiteit in het ruggenmerg verschillende kenmerken vertoont van klassieke vormen van leren en geheugen zoals we die kennen in de hersenen.

Het is nu belangrijk om deze leermechanismen verder in kaart te brengen, zegt prof. Aya Takeoka: "De communicatiekanalen die we hebben beschreven dragen wellicht op verschillende manieren bij aan hoe we leren bewegen en onze beweging vervolgens ook automatiseren. Die mechanismen kunnen niet enkel relevant zijn voor mensen die revalideren, maar ook tijdens de normale motorische ontwikkeling.”

Het onderzoek(steam) ontving financiële ondersteuning van het Fonds Wetenschappelijk Onderzoek (FWO), via Marie Skłodowska-Curie Acties (MSCA), via een Taiwan-KU Leuven PhD-beurs (P1040), en van de Wings for Life Spinal Cord Research Foundation.