De psychobiologie van het geheugen

De psychobiologie van het geheugen: over plastische hersencellen en
wat er mee kan mislopen
Prof Dr. Rudi D’Hooge
Laboratorium voor Biologische Psychologie, K.U.Leuven
Leren wordt vaak gedefinieerd als het proces waarbij gedrag verandert als gevolg van
ervaring. Hoewel deze definitie van leren inderdaad tamelijk elementair is, maakt ze
het wel mogelijk het aldus gedefinieerde proces te onderzoeken bij een grote
verscheidenheid aan organismen. Onder geheugen verstaan we daarentegen het proces
dat de opslag en reproductie van geleerde informatie toelaat. Geheugen wordt aldus
gezien als een van de voorwaarden om te kunnen leren. Het onvermogen om te leren,
bij een verder normaal functionerend organisme, wordt vervolgens geïnterpreteerd als
een stoornis van het geheugen. De biologische en biochemische processen van het
geheugen worden recent ook bestudeert met onderzoeksmethoden uit de moleculaire
biologie en de neurowetenschappen. Onderzoekers hopen op deze manier een uniek
en diep inzicht te krijgen in de psychobiologie van het geheugen.
We zullen in deze lezing de recente inzichten in de psychobiologie van het geheugen
kort overlopen. Daarbij zullen we benadrukken dat deze inzichten niet alleen
bijdragen tot een begrip van de mechanismen van geheugen en geheugenstoornissen,
maar dat we vooral verwachten dat zij de basis zullen vormen voor nieuwe therapieën.
We mogen hopen dat de kennis van de psychobiologie van het geheugen verder zal
bijdragen tot de uiteindelijke behandeling van stoornissen die onze menselijke
integriteit op de meest dramatische en ingrijpende wijze aantasten.
De Canadese psycholoog Donald Hebb suggereerde meer dan 50 jaar geleden dat
veranderingen in de efficiëntie van de contacten tussen de hersencellen ervoor zorgen
dat we informatie kunnen opslagen in onze hersenen. Synapsen die actief worden
door het gebruik ervan en aldus aan de basis liggen van leren en geheugen, worden
plastische of hebbiaanse synapsen genoemd. Onderzoek zoals dat van Karl Lashley
maakte duidelijk dat het geheugenspoor als een diffuus netwerk over de hersenen
verspreid ligt. Het hebbiaanse model doet vermoeden dat een dergelijk netwerk tot
stand komt tijdens het leerproces ten gevolge van veranderingen in plastische
synapsen. Het geheugenspoor is een plastisch informatienetwerk.
1
Tim Bliss en medewerkers ontdekten meer dan 20 jaar na de hypothese van Hebb dat
synaptische contacten in de hippocampus (een hersenstructuur die een rol speelt bij de
geheugenconsolidatie) kunnen versterken of potentiëren door intens gebruik. Er werd
al snel vermoed dat dergelijke potentiëring van synaptische contacten (LTP, longterm potentiation) in de hippocampus aan de basis zou kunnen liggen van het
cellulaire proces van geheugen. De Britse psycholoog Richard Morris toonde
vervolgens aan dat ratten met beschadiging van de hippocampus niet meer in staat
zijn om een ruimtelijke taak te leren. Bij andere ratten merkte hij op dat blokkeren van
glutamaatreceptoren van het NMDA-type, niet alleen hippocampaal LTP, maar ook
ruimtelijk leren onmogelijk maakt. De techniek van Morris wordt nu onder meer
gebruikt om nieuwe therapieën te ontwikkelen voor de ziekte van Alzheimer.
De Morris water maze wordt gebruikt bij de studie van de ruimtelijke leren bij ratten, muizen of andere
laboratoriumknaagdieren. Het toestel bestaat uit een rond waterbad, gevuld met troebel water, waarin
een ontsnappingsplatform verborgen zit. Gedurende een reeks van zwembeurten leren de dieren de
positie van het platform kennen en ontsnappen zo uit het water. Voorbeelden van zwemroutes van een
muis tijdens drie zwembeurten (trial 1, 8 en 16) illustreren het leerproces bij een muis. Tijdens de
eerste beurt (trial 1) zwemt het dier wat doelloos langs de randen van het bad. De zwemroutes tijdens
beurt 8 (trial 8) en 16 (trial 16) tonen dat het dier tijdens de training alsmaar beter het verborgen
platform leert vinden.
Gedurende de laatste 20 jaar werd het verband tussen LTP en geheugen verder
onderzocht en werd getracht de neurofysiologische en moleculaire mechanismen die
aan de basis liggen van het LTP-proces verder te ontsluieren. De Amerikaanse
psychiater Eric Kandel en zijn medewerkers hebben de relatieve eenvoud van het
zenuwstelsel van de zeeslak Aplysia benut om de geheugenprocessen bij dit dier in
detail te bestuderen, in de hoop zo ook iets te leren over de neurofysiologie van het
2
geheugen bij complexere organismen. Het werk van Kandel, waarvoor hij in 2000 de
Nobelprijs mocht ontvangen, toonde aan dat het leervermogen bij verschillende
organismen uiteindelijk gebaseerd is op plastische veranderingen ter hoogte van de
synaptische contacten. Kandel en zijn medewerkers waren de eerste onderzoekers die
overtuigend konden aantonen dat de combinatie van moleculaire, electrofysiologische
en
gedragsmatige
technieken
een
diepgaand
begrip
van
de
cellulaire
geheugenmechanismen mogelijk maakt.
Recent onderzoek toont aan dat sommige pathologische veranderingen, hoewel ze
zich over de ganse hersenen afspelen, toch voornamelijk schade aanrichten ter hoogte
van de hippocampale formatie. Zulke veranderingen zullen dan ook het geheugen
verstoren net omwille van hun invloed op geheugenprocessen, die afhankelijk zijn van
de hippocampus. Andere pathologische processen zullen de structuur en/of de
werking van de hersenen dan weer eerder op een algemene manier beïnvloeden.
Uitgebreid verlies van neuronale cellen en andere neuropathologische veranderingen
leiden ook tot geheugendeficits bij patiënten met de ziekte van Alzheimer.
Verschillende studies op laboratoriummuizen toonden aan dat vooral de afzetting van
neurotoxisch A-eiwit doorheen de hersenen, een centrale rol zou kunnen spelen bij
de neurodegeneratie en de daaruit voortkomende geheugendeficits bij de ziekte van
Alzheimer. Tijdens de lezing worden nog andere voorbeelden gegeven van
hersenaandoeningen waarbij de functie van plastische zenuwcellen gestoord is. We
mogen hopen dat een beter begrip van de psychobiologie van het geheugen en van
geheugenstoornissen zal bijdragen tot de ontwikkeling van therapieën voor
aandoeningen waarbij dergelijke functies aangetast worden.
3