Het geheim van het lerend brein: het nekje van de paddenstoel

Hoe het menselijk brein leert, is nog altijd een raadsel. Promovendus Rémy Kusters onderzocht daarom wat zich op nanoschaal afspeelt op één van de biljard (een miljoen maal miljard) verbindingen in onze hersenen. Via modellering van de biofysische processen ontdekte hij dat de vorm van die verbindingen een cruciale rol speelt voor de sterkte ervan. Kusters promoveerde cum laude op zijn onderzoek.

In de hersenen zitten miljarden zenuwcellen die allemaal met elkaar verbonden zijn. Op de ‘tentakels’ van die cellen groeien microsprieten die contact zoeken met de tentakels van andere zenuwcellen. De plaats waar ze bijna contact maken – ze raken elkaar nooit echt aan – heet een synaps. Daar zet de zenuwcel elektrische signalen om in chemische signalen, en aan de overkant zet de ontvangende zenuwcel dit weer om in een elektrisch signaal dat verder kan reizen. Het regelen van de doorgang van signalen op de synapsen is bepalend voor ons vermogen om dingen te onthouden. Maar hoe gebeurt dat precies?

Met modellen en computersimulaties bekeek Kusters de natuurkundige processen op zo’n microspriet, een ‘spine’, of in goed Nederlands: een ‘dendritische stekel’. In volgroeide toestand heeft die de vorm van een paddenstoel. En die vorm blijkt mee bepalend – en uitermate effectief – in het regelen van de sterkte van de verbinding. Cruciaal voor de sterkte is de hoeveelheid receptoren op de paddenstoel. Die receptoren komen daar niet vanzelf, ze worden in een soort microbusjes aangevoerd. Die moeten echter allemaal door het nekje van de paddenstoel. Is dat te smal, dan stokt de aanvoer, en verzwakt de sterkte van de hersenverbinding.

De breedte van het nekje is op nog een andere manier bepalend voor het de sterkte. Want de receptoren zijn eiwitten die uit zichzelf wegdrijven over het oppervlak van de paddenstoel. Ze drijven dus ook van de paddenstoel af. Door het nekje dun te maken, kunnen ze moeilijker van de paddenstoel af. Of andersom: door de nek breder te maken, kunnen de receptoren makkelijker weglekken, en wordt de verbinding dus zwakker.

Een van de grote vragen is nu hoe dit proces wordt aangestuurd – wat bepaalt hoe de vorm van een spine verandert? Die vraag heeft Kusters niet onderzocht, maar wel een aspect ervan: het ontstaan van spines. Die ontstaan continu op allerlei plaatsen, en maken lang niet altijd een succesvolle verbinding, maar hoe? Uit de modellen van de theoretisch biofysicus blijkt dat het eiwit actine, in het skelet van de cel, als vanzelf de spine laat ontstaan en uitgroeien tot een paddenstoel. Het is een klein stukje in de grote puzzel van hoe het brein werkt, weet Kusters. "De echte ontrafeling hoe alles werkt zal denk ik nog tientallen jaren duren".

Kusters werd begeleid door Kees Storm (TU/e, Technische Natuurkunde). Het onderzoek maakt deel uit van het FOM-programma ‘Barriers in the brain: the molecular physics of learning and memory’, een samenwerkingsverband tussen de VU, de Universiteit van Leiden, de Universiteit Utrecht en de Technische Universiteit Eindhoven.

Woensdag 5 oktober verdedigde Kusters zijn proefschrift getiteld ‘From shape to function: growth and physical regulation of dendritic spines‘. Hij slaagde cum laude, wat een vrij zeldzaam predicaat is. Circa vijf procent van alle promoties zijn cum laude. Kusters gaat nu als post-doc onderzoeker aan de slag bij het prestigieuze Institut Curie in Parijs.

De armen van zenuwcellen met de paddenstoelvormige spines. (afb.: N. Kasthuri e.a. in ‘Saturated reconstruction of a volume of neocortex’, Cell, 162(3), 648-661, 2015)