Om de informatie die wij horen, zien, ruiken en proeven te verwerken en dat alles te bundelen tot een samenhangend geheel moeten de verschillende onderdelen van het brein goed met elkaar communiceren. Hiervoor zijn verbindingen nodig. De verbindingen tussen cellen, tussen gebieden en uiteindelijk het complete hersennetwerk in zijn geheel vormen het informatie verwerkingssysteem van het brein.
Verbindingen in de verschillende delen van de hersenen onderzoeken we met verschillende methoden en op verschillende niveaus, van het kleinste molecuul tot aan het complete brein. Elke methode heeft zijn voor- en nadelen en laat een bepaald aspect zien. Om een zo compleet mogelijk beeld te krijgen heeft biomedisch wetenschapper Rory Pijnenburg geprobeerd meerdere manieren van kijken dichter bij elkaar te brengen.
De vraag die het onderzoek helpt te beantwoorden is als volgt: hoe liggen microbiologische eigenschappen van bijvoorbeeld genen en neuronen, ten grondslag aan het macroschaal structurele hersennetwerk en functionele connectiviteit?
In het onderzoek hebben Pijnenburg en zijn collega's data vanuit verschillende methoden gebruikt en deze naast elkaar gelegd of dichter bij elkaar gebracht. Een voorbeeld is het onderzoek naar de overlap tussen microschaal biologische eigenschappen van neuronen en macroschaal structurele connectiviteit tussen gebieden. Hiervoor hebben de wetenschappers gekeken naar gedoneerd menselijk hersenweefsel vanuit verschillende locaties van de hersenen, en uit verschillende modules of sub-netwerken van het brein. Dit weefsel hebben ze gekleurd en ze hebben gemeten hoe groot de cellen zijn, hoe lang de uitlopers en verbindingen van deze cellen zijn en hoeveel synapsen, verbindingspuntjes er zijn. Deze microschaal-data hebben ze naast macroschaal-MRI-connectiveitsdata gelegd, ze hebben gekeken naar de verschillen tussen gebieden in verschillende plaatsen in het brein en gekeken naar de overlap in de patronen van vergelijkbare micro- en macro eigenschappen van connectiviteit, zoals de lengte van grote witte stofbanen die gebieden verbinden en de uitlopers van cellen.
Pijnenburg en zijn collega's hebben duidelijke overlap gevonden tussen microschaal biologische eigenschappen van neuronen, zoals het aantal uitlopers en de reikwijdte hiervan, en vergelijkbare maten van macroschaal structurele connectiviteit tussen gebieden. Ook hebben ze overlap gevonden tussen functionele connectiviteit gemeten met functionele MRI, en een oude methode voor het meten van fysiologische connecties tussen gebieden, waardoor het biologische fundament van functionele MRI-connecties wordt verstevigd. Daarnaast hebben ze zes klassieke hersenatlassen gebaseerd op microschaal biologische informatie, gedigitaliseerd en bruikbaar gemaakt voor macroschaal MRI-onderzoek.
Wat zegt de overlap tussen patronen die we zien in eigenschappen van de hersenen op zowel de microschaal als de macroschaal? Minstens twee fundamentele principes van hersenorganisatie lijken te gelden op zowel de microschaal van genen, neuronen en synapsen, als op de macroschaal voor verbindingen tussen gebieden en complete hersennetwerken:
1) Gelijkenis trekt aan – Het is waarschijnlijker dat bepaalde cellen en gebieden met elkaar verbonden zijn als deze meer op elkaar lijken, zowel in structureel als functioneel opzicht.
2) Economische bedrading – Verbindingen zullen alleen ontstaan en standhouden als de efficiëntie die een verbinding toevoegt aan het grotere systeem, opweegt tegen de kosten van onderhoud en energie die de verbinding nodig heeft.
Zijn onderzoek draagt bij aan het dichter bij elkaar brengen van microschaal biologisch onderzoek en macroschaal MRI-onderzoek naar verbindingen en hersennetwerken. Het integreren van data over verschillende schalen en methoden helpt ons naar een meer inclusieve theorie van connectiviteit in het brein en kan leiden tot een verbeterd inzicht in neurologische en psychiatrische ziekten gekenmerkt door dysconnectiviteit.
Pijnenburg: "Hoe meer we weten van welke onderliggende principes ten grondslag liggen aan het macroschaal hersennetwerk in een gezond brein, hoe meer we hopelijk ook beter begrijpen wat er mis gaat in een brein met een neurologische of psychiatrische ziekte."
Meer informatie over het