Dendrieten: een neurowetenschappelijke revolutie

augustus 27, 2019
Nieuw onderzoek heeft aangetoond dat dendrieten veel meer zijn dan alleen passieve geleiders. Dendrieten genereren hun eigen elektrische signalen. Deze informatie kan het beginpunt zijn van een hele neurowetenschappelijke revolutie.

De neurowetenschap gebruikt al jaren verschillende instrumenten om te proberen te ‘luisteren’ naar de gesprekken tussen neuronen. Net zoals taalkundigen vreemde talen proberen te ontcijferen, proberen wetenschappers neuronale patronen te ontcijferen. In dit opzicht lijkt het erop dat dendrieten zeer belangrijk zijn geworden in de neurowetenschap.

Een recent onderzoek heeft aangetoond dat de neurowetenschap alleen nog maar het topje van de ijsberg heeft ontdekt als het gaat om de hersencapaciteit.

De University of Californa Los Angeles (UCLA) ontdekte een verborgen laag van neuronale communicatie via dendrieten. Dit betekent dat de capaciteit van de hersenen tot 100 keer groter kan zijn dan we eerder dachten.

Deze ontdekking kan de basis van de conventionele neurowetenschap veranderen. Tot enkele maanden geleden was de neurowetenschap namelijk gebaseerd op de overtuiging dat dendrieten voornamelijk passief waren.

Wetenschappers geloofden dat deze neuronen alleen elektrische signalen naar de celkern brachten, ook wel het soma genoemd. Dit onderzoek toonde echter aan dat dendrieten veel meer zijn dan alleen passieve geleiders. Ze genereren elektrische signalen in pieken die vijf keer groter en frequenter zijn dan die van neuronen.

Neuronen in de hersenen

Wat betekent deze ontdekking?

Het is onder andere mogelijk dat leren gebeurt op dendrietniveau in plaats van in het soma. De conventionele neurowetenschap stelde dat de elektrische signalen die de cellichamen uitzenden de basis vormen van onze cognitieve vermogens. Nu weten we echter dat dendrieten geen passieve functie hebben. Ze zenden ook hun eigen elektrische signalen uit.

Onderzoekers ontdekten ook dat dendrieten intelligent zijn. Met andere woorden, ze zijn in staat om hun elektrische signalen in de loop van de tijd aan te passen. Tot nu toe hebben wetenschappers dit soort plasticiteit alleen in neuronale lichamen waargenomen. Dit suggereert dat dendrieten zelf kunnen leren.

Omdat dendrieten veel actiever zijn dan cellichamen, kunnen we gaan vermoeden dat veel van de informatie die in een neuron wordt gegenereerd zich op het niveau van dendrieten bevindt. Dat wil zeggen, dendrieten kunnen dienst doen als een rekeneenheid en hun informatie verwerken. Het is een onafhankelijkheid die we niet vermoedden.

“Het is alsof je plotseling ontdekt dat kabels die naar de CPU van je computer leiden, ook informatie kunnen verwerken – heel bizar en enigszins controversieel.” 

-Dr. Mayank R. Mehta-

De hersencapaciteit

Het onderzoeksteam van dr. Mayank R. Mehta bedacht een systeem om elektroden in de buurt van de dendrieten van ratten aan te brengen. Dit systeem stelt hen in staat om elektrische signalen van de dieren op te vangen gedurende de tijd dat ze wakker zijn en hun dagelijkse activiteiten uitvoeren, maar ook wanneer ze slapen.

Ze hebben vier opeenvolgende dagen kunnen luisteren naar de elektrische activiteit van dendrieten. De wetenschappers implanteerden de elektroden in de achterste pariëtale cortex. Ze concludeerden dat wanneer de dieren sliepen, de elektrische signalen op onregelmatige golven leken. Ze ontdekten pieken in elk van de golven.

Met andere woorden, terwijl de ratten sliepen, communiceerden de dendrieten. Ze deden dit met elektrische pulsen die tot vijf keer sneller waren dan die van de cellichamen. Toen de ratten wakker waren, waren de patronen tien keer zo snel.

Afbeelding van de hersenen

Dendrieten en het hier en nu

Een ander schokkend feit dat de onderzoekers tijdens dit onderzoek ontdekten, was het soort signaal dat de dendrieten uitzonden. De elektrische signalen van dendrieten kunnen digitaal zijn, maar ze vertonen ook grote schommelingen, bijna twee keer zo groot als die van het ruggenmerg zelf.

Dit betekent dat dendrieten een analoge computeractiviteit vertonen. Dit is iets wat wetenschappers nog niet eerder hadden gezien in een neuronaal activiteitspatroon.

Deze vorm van signalen lijken berekeningen te zijn die gerelateerd zijn aan tijd en ruimte. Door de ratten in een doolhof te observeren, konden de onderzoekers twee soorten signalen onderscheiden.

Een daarvan kwam uit het cellichaam, in de vorm van een piek, als een anticipatie op een soort gedrag. In dit geval was het net voordat de rat een hoek omging. De dendrieten zonden hun signalen op het moment dat het dier de hoek om aan het gaan was.

Het lijkt erop dat de neurowetenschap de rekenkracht van de hersenen onderschat heeft. Omdat dendrieten honderd keer groter zijn dan een soma, kunnen we er dan van uitgaan dat de hersenen honderd keer meer verwerkingscapaciteit hebben. Het lijkt erop dat neuronen niet langer de basiseenheid van de hersenen zijn.

Moore, J. J., Ravassard, P., Ho, D., Acharya, L., Kees, A., Vuong, C., & Mehta, M. R. (2016). Dynamics of Cortical Dendritic Membrane Potential and Spikes in Freely Behaving Rats. bioRxiv. https://doi.org/10.1101/096941