samenvatting: De onderzoekers ontdekten dat de neurotransmitter Orexin, en niet het stresshormoon noradrenaline, de pupilgrootte reguleert, wat het eerdere begrip in twijfel trekt. Orexine-neuronen beïnvloeden de pupilgrootte als reactie op emotionele toestanden en mentale stress, niet alleen blootstelling aan licht.
De bevindingen koppelen orexine-activiteit aan verschillende neurologische aandoeningen, waaronder narcolepsie en de ziekte van Alzheimer, en bieden nieuwe diagnostische mogelijkheden. Dit onderzoek kan ook licht werpen op ons begrip van de regulatie van bewustzijn en aandacht.
Belangrijkste feiten:
- Orexine-neuronen, en niet noradrenaline, zijn in de eerste plaats verantwoordelijk voor het reguleren van de pupilgrootte, wat in strijd is met lang gekoesterde wetenschappelijke overtuigingen.
- De onderzoekers vonden een dosisafhankelijke relatie tussen orexine-neuronactiviteit en pupildiameter, wat een directe manier bood om orexine-activiteit te meten.
- Deze bevindingen koppelen orexine aan verschillende neurologische aandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer, narcolepsie, beroerte en het Prader-Willi-syndroom, waardoor diagnostische methoden mogelijk worden vereenvoudigd en verbeterd.
bron: ETH Zürich
De manier waarop de hersenen de pupilgrootte regelen, is anders dan eerder werd gedacht: de neurotransmitter Orexin is primair verantwoordelijk, zoals onderzoekers van ETH Zürich nu hebben aangetoond.
Deze ontdekking zou ons begrip van bewustzijn en ziekten zoals narcolepsie en de ziekte van Alzheimer kunnen veranderen.
“Het effect was zo krachtig dat we meteen wisten dat we iets belangrijks van plan waren”, herinnert Nicola Groetsch zich, een postdoctoraal onderzoeker in het Laboratory of Neurobehavioral Dynamics aan de ETH Zürich.
Door middel van een reeks voorbereidende experimenten met muizen bestudeerde hij wat bekend staat als orexine-neuronen, een van de belangrijkste onderzoeksgebieden van het laboratorium. Hij merkte op dat het stimuleren van de neuronen ervoor zorgde dat de pupillen van de muizen aanzienlijk verwijdden.
“Vaak gaan de effecten van neurostimulatie verloren in de ruis van meetgegevens, die we vervolgens nauwgezet moeten filteren om ze te vinden. Deze keer was het anders. Het effect was duidelijk zichtbaar”, zegt hij.
Voor het eerst beschreven in 1998, strekken orexine-neuronen zich uit van de hypothalamus tot alle andere hersengebieden, inclusief die welke het bewustzijn en de autonome functies beheersen. Deze neuronen zijn onder meer betrokken bij het reguleren van de omschakeling tussen slapen en waken, de aandachtsspanne, het beloningssysteem, de eetlust en het energieverbruik.
Noodzakelijk voor de normale conditie van de leerling
Zoals de metingen van Grujic hebben aangetoond, beïnvloeden orexine-neuronen rechtstreeks een centrale eigenschap van de emotionele toestand van een individu: niet alleen lichtprikkels zorgen ervoor dat pupillen in grootte veranderen, maar ook mentale stress en emotionele indrukken.
In de omgangstaal toepasselijk aangeduid als vensters op de ziel, worden pupillen routinematig gebruikt bij zowel medische als psychologische onderzoeken: pupilgrootte kan een maatstaf zijn voor aandacht en andere onbewust gecontroleerde functies van een organisme.
Tot nu toe was noradrenaline – beter bekend als het stresshormoon – en zijn receptorsysteem de belangrijkste bepalende factor voor de pupilgrootte, samen met licht.
Maar nu hebben ETH-onderzoekers aangetoond dat deze rol in plaats daarvan moet worden toegeschreven aan de neurotransmitter Orexin en zijn receptorsysteem.
In feite kunnen noradrenaline-neuronen geen normale pupiltoestand behouden zonder orexine-neuronen. Als het orexinesysteem wordt uitgeschakeld, blijven de pupillen erg vernauwd.
“In wezen zijn noradrenaline-neuronen slaven van orexine-neuronen”, zegt ETH-professor Denis Burdakov in een prachtige beschrijving van deze afhankelijkheidsrelatie.
Narcolepsie vereniging
In hun experimenten legden de onderzoekers ook een dosisafhankelijk verband vast tussen neuronale activiteit en pupildiameter. “De leerlingen laten ons specifiek zien hoe actief de orexine-neuronen in de hypothalamus zijn”, zegt Burdakov.
Dit biedt niet alleen hersenonderzoekers een nieuwe manier om orexine-activiteit te meten, maar opent ook nieuwe wegen voor medische behandeling. Er is een al lang bestaand verband tussen orexine-regulatiestoornis en narcolepsie.
Onlangs is echter vastgesteld dat het geassocieerd is met andere neurologische aandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer, beroerte en de genetische aandoening Prader-Willi-syndroom.
Bij deze laatste aandoening leidt een storing van het diencephalon, of het binnenste brein, waar de hypothalamus zich bevindt, tot ernstige fysieke, cognitieve en metabolische symptomen.
Alle vier deze aandoeningen hebben een slaapstoorniscomponent. In de toekomst, zegt Burdakov, zou het onderzoeken van de pupilgrootte kunnen helpen om nauwkeuriger te zoeken naar het effect van orexine op deze aandoeningen – en misschien zelfs de diagnose vereenvoudigen en verbeteren. Momenteel vereist de diagnose van narcolepsie nog steeds een lumbaalpunctie, wat een invasieve procedure is.
Open bewustwordingsregeling
Als neurowetenschapper ziet Grotsch zijn ontdekking als de sleutel tot een beter begrip van hoe de basisfuncties van ons bewustzijn worden gereguleerd.
“De focus balanceren op vertrouwde dingen, onze gedachten laten afdwalen en de wereld om ons heen verkennen, is een belangrijk onderdeel van ons vermogen om ons aan te passen aan nieuwe situaties”, zegt hij.
De prevalentie en het bereik van aandachtstekortstoornissen die tegenwoordig worden gediagnosticeerd, laat zien hoe moeilijk het kan zijn om dat evenwicht te bewaren, zegt Grotich.
Orexin is een van de vele neuroregulerende systemen (andere omvatten noradrenaline en serotonine) die deze balans reguleren. Deze systemen doen de balans op de een of andere manier doorslaan, afhankelijk van de behoeften van het organisme.
In de vroege dagen van de menselijke evolutie moesten hongerige jagers-verzamelaars bijvoorbeeld rondzwerven op zoek naar een voedselbron. Als ze worden beloond door iets te zien dat ze aan het eten zijn, moeten ze hun aandacht verleggen naar hun omgeving, zodat ze meer voedsel kunnen bespioneren.
En toen de eerste mensen eindelijk tevreden waren, konden ze hun aandacht richten op het voorzien in hun andere behoeften.
Meerdere subsets van neuronen voor specifieke functies
In hun studie van orexine-neuronen kon de onderzoeksgroep van Burdakov subgroepen identificeren die betrokken zijn bij een verscheidenheid aan neuronale functies en dus bij verschillende componenten van deze homeostase.
Met behulp van een speciaal type fluorescentiemicroscopie observeerden de wetenschappers de reactie van individuele neuronen op orexine bij muizen en vergeleken dit met fluctuaties in pupilgrootte. Ze gebruikten een twee-fotonenmicroscoop, die het mogelijk maakt om de activiteiten van individuele cellen in de hersenen te volgen.
De onderzoekers ontdekten neuronen waarvan de activiteit positief correleerde met de grootte van de pupillen van het oog – en dus het niveau van opwinding van de muis – en waarvan de activiteit negatief correleerde.
Ze kwamen ook enkele cellen tegen die de pupilgrootte beïnvloedden en reageerden op beloningen, evenals andere die verband hielden met slechts een van de twee factoren.
Kandidaat voor een hoger organisatieniveau
Identificatie van deze gespecialiseerde subsets binnen orexine-neuronen geeft een eerste inzicht in de manieren waarop ze zijn bedraad om de centrale functies van ons bewustzijn te ondersteunen.
Bovendien zegt Grujic dat het effect van orexin op een reeks verschillende gedragstoestanden – van aandacht, slaap, schakelen, waken en beloning zoeken tot eetlust en energieverbruik – het een uitstekende kandidaat maakt voor regulering op een hoger niveau.
De bevindingen van de ETH-onderzoekers openen de deur naar vele wegen van wetenschappelijk onderzoek met betrekking tot het identificeren van extra subsets van neuronen en hoe ze interageren – met elkaar en met de serotonine- en noradrenalinesystemen.
De onderzoekers veronderstellen dat het beantwoorden van dergelijke vragen niet alleen zal leiden tot een beter begrip van hoe onze vitale functies worden gereguleerd.
Ze anticiperen ook op voordelen bij de diagnose en behandeling van aandachts- en slaapstoornissen en aanverwante aandoeningen. En zoals de voorbeelden van de ziekte van Alzheimer en beroerte suggereren, kunnen deze voordelen groter zijn dan ze op het eerste gezicht lijken.
Over dit onderzoek in Neuroscience News
auteur: Daniël Merhans
bron: ETH Zürich
communicatie: Daniel Meierhans – ETH Zürich
afbeelding: Afbeelding gecrediteerd aan Neuroscience News
Oorspronkelijke zoekopdracht: vrije toegang.
“De controle van de pupilgrootte en de codering ervan door hypothalamische orexine-neuronenGeschreven door Grujic N et al. Natuurlijke neurowetenschap
een samenvatting
De controle van de pupilgrootte en de codering ervan door hypothalamische orexine-neuronen
Hersen-orexine (hypocretine) neuronen zijn betrokken bij het schakelen tussen slapen en waken en het zoeken naar beloningen, maar hun rol in de dynamiek van snel ontwaken en beloningsperceptie is onduidelijk.
Hier onthulden celspecifieke stimulatie, deletie en in vivo opnames sterke correlatieve en causale verbanden tussen pupilverwijding – een marker van kwantumexcitatie – en orexine-celactiviteit.
Codering voor opwinding en beloning was verdeeld over orexinecellen, wat suggereert dat ze gespecialiseerd zijn in snelle, meervoudige verbindingen met tijdelijke toestanden van opwinding en beloning.
“Reisliefhebber. Onruststoker. Popcultuurfanaat. Kan niet typen met bokshandschoenen aan.”