Het stimuleren van hersengolven tijdens de slaap verbetert het geheugen bij ratten

Volgens Amerikaans onderzoek presteren ratten beter op geheugentests nadat ze tijdens hun slaap hun hersengolven hebben gestimuleerd. Als we deze hersengolven ook bij mensen kunnen stimuleren, kan dit leiden tot nieuwe behandelingen voor dementie en andere geheugenstoornissen.

Herinneringen worden gecodeerd in unieke activiteitspatronen tussen neuronen. Elke keer dat we iets nieuws leren of ervaren, vormen sommige van deze neuronen verbindingen. Deze verbindingen worden sterker terwijl we slapen. Dit versterkt het geheugen. Dit proces staat bekend als geheugenconsolidatie.

Eerder onderzoek heeft aangetoond dat twee hersengebieden actief zijn tijdens geheugenconsolidatie. Dit zijn de hippocampus, die kortetermijnherinneringen opslaat, en de cortex, die langetermijnherinneringen opslaat. Het lijkt erop dat de hippocampus tijdens de slaap kortetermijnherinneringen naar de cortex overbrengt met behulp van hoogfrequente hersengolven, bekend als scherpe golfgolven.

Om dit aan te tonen verstoorden neurobioloog Antonio Fernández-Ruiz en zijn collega’s van de Cornell Universiteit in New York de communicatie tussen de hippocampus en de cortex van tien ratten terwijl ze sliepen. Hij presenteerde de bevindingen op 8 oktober tijdens een bijeenkomst van de Society for Neuroscience in Chicago.

Dialoog

Eerst trainden de onderzoekers de knaagdieren om suikerwater in een doolhof te vinden. Toen de ratten sliepen, gebruikten ze een techniek die specifieke cellen aan en uit zet met licht, de zogenaamde optogenetica. Daarbij deactiveerden ze neuronen in de cortex van de dieren telkens wanneer de hippocampus scherpe golven produceerde.

De volgende dag vonden de ratten hun weg door het doolhof niet beter dan de dag ervoor. Dat suggereert dat ze er weinig of geen herinnering aan hadden. ‘Als we voorkomen dat de cortex tijdens de slaap naar berichten van de hippocampus luistert, wordt de geheugenconsolidatie verstoord’, zegt Fernández-Ruiz, ‘maar het is geen eenrichtingsproces, zoals we altijd hebben aangenomen.’

De hippocampus is niet het enige deel van de hersenen dat tijdens de slaap hersengolven produceert, de cortex doet dat ook. De onderzoekers toonden aan dat het uitschakelen van hippocampale cellen om hersengolven door de hersenschors te sturen, de prestaties van de ratten bij geheugentests de volgende dag verminderde. “We ontdekten dat er een dialoog bestaat tussen deze twee structuren”, zegt Fernández-Ruiz. “Als we voorkomen dat de hippocampus naar de cortex luistert, zullen de ratten zich niet meer herinneren wat ze net hebben gedaan.”

Versterk herinneringen

Bovendien ontdekten onderzoekers dat het mogelijk is om het proces van het versterken van herinneringen te bevorderen. De onderzoekers plaatsten tien verschillende ratten alleen in een kooi met twee nieuwe voorwerpen. Na ongeveer vijf minuten brachten ze de ratten terug naar hun eigen kooi. De wetenschappers gebruikten vervolgens optogenetica om de hippocampale neuronen van de dieren te stimuleren terwijl ze sliepen. Dat versterkte de scherpe golfgolven.

De volgende dag brachten de onderzoekers de ratten terug naar de kooi met de twee objecten, maar deze keer bevond een van de twee objecten zich op een andere locatie. Als de ratten zich de oorspronkelijke positie konden herinneren, zouden ze beseffen dat het object zich nu op een andere locatie bevond. Volgens Fernández Ruiz verwachtten de onderzoekers dat de ratten in dit geval uit nieuwsgierigheid meer tijd zouden besteden aan het verkennen van het object.

Vergeleken met een controlegroep van tien ratten brachten de ratten met verbeterde hersengolven gemiddeld 40 procent meer tijd door in de buurt van het bewegende object. Dit duidt op een verbetering in de geheugenconsolidatie.

Alzheimer

Door beter te begrijpen hoe de hersenen herinneringen tijdens de slaap versterken, kunnen we het proces van geheugenvorming verbeteren, zegt neurowetenschapper Ksenia Kastanenka van de Harvard Universiteit. Zij heeft niet deelgenomen aan het onderzoek. Dit zou kunnen leiden tot nieuwe behandelingen voor de ziekte van Alzheimer. Mensen met deze aandoening brengen minder tijd door in de slaapfasen die belangrijk zijn voor geheugenconsolidatie, zei Kastanenka.

Het is niet haalbaar om optogenetica te gebruiken om hersengolven bij mensen te stimuleren, zegt Fernández-Ruiz. De techniek is invasief en vereist genetische bewerking. Fernández-Ruiz en zijn collega’s hebben soortgelijke effecten bij knaagdieren aangetoond door elektroden op hun hoofdhuid te plaatsen, maar het is onduidelijk of dit effectief zou zijn bij mensen, zegt hij.