PROVIDENCE, R.I. – Bèta-ritmes, of golven van hersenactiviteit met een frequentie van ongeveer 20 Hz, begeleiden vitale fundamentele gedragingen zoals aandacht, gevoel en beweging en worden in verband gebracht met sommige aandoeningen zoals de ziekte van Parkinson. Wetenschappers hebben gedebatteerd over de vraag hoe de spontane golven ontstaan, en ze hebben nog niet bepaald of de golven slechts een bijproduct van de activiteit zijn, of een oorzakelijke rol spelen in hersenfuncties. In een nieuw artikel onder leiding van neurowetenschappers van Brown University hebben zij nu een specifieke nieuwe mechanistische verklaring voor betagolven om te overwegen.

De nieuwe theorie, gepresenteerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences, is het product van verschillende lijnen van bewijsmateriaal: externe hersengolfmetingen van menselijke proefpersonen, verfijnde computationele simulaties en gedetailleerde elektrische opnamen van twee modelorganismen van zoogdieren.

“Een eerste stap om de causale rol van bèta in gedrag of pathologie te begrijpen, en hoe het te manipuleren voor een optimale functie, is te begrijpen waar het vandaan komt op cellulair en circuitniveau,” zei corresponderende auteur Stephanie Jones, onderzoek associate professor in de neurowetenschappen aan de Brown University. “Onze studie combineerde verschillende technieken om deze vraag te beantwoorden en stelde een nieuw mechanisme voor voor spontane neocorticale beta. Deze ontdekking suggereert verschillende mogelijke mechanismen waarmee bèta de functie kan beïnvloeden.”

Golven maken

Het team begon met het gebruik van externe magnetoencefalografie (MEG) sensoren om bèta golven waar te nemen in de menselijke somatosensorische cortex, die tastzin verwerkt, en de inferieure frontale cortex, die wordt geassocieerd met hogere cognitie.

Ze analyseerden de bètagolven nauwkeurig en ontdekten dat ze hooguit 150 milliseconden duurden en een karakteristieke golfvorm hadden, met een grote, steile vallei in het midden van de golf.

De vraag van daar was welke neurale activiteit in de cortex dergelijke golven kon produceren. Het team probeerde de golven na te bootsen met behulp van een computermodel van een corticaal circuit, dat bestond uit een meerlagige corticale kolom die meerdere celtypen over verschillende lagen bevatte. Belangrijk is dat het model was ontworpen om een celtype te omvatten dat piramidale neuronen wordt genoemd, waarvan wordt gedacht dat de activiteit de menselijke MEG-opnamen domineert.

Zij ontdekten dat zij de vorm van de betagolven in het model nauwkeurig konden nabootsen door twee soorten excitatoire synaptische stimulatie toe te dienen aan verschillende lagen in de corticale celkolommen: een die zwak en breed van duur was voor de onderste lagen, waarbij contact werd gemaakt met stekelige dendrieten op de piramidale neuronen dicht bij het cellichaam; en een andere die sterker en korter was, met een duur van 50 milliseconden (d.w.z., één beta periode), naar de bovenste lagen, die in contact komen met dendrieten verder weg van het cellichaam. De sterke distale aandrijving creëerde de vallei in de golfvorm die de bèta-frequentie bepaalde.

Terwijl probeerden zij andere hypothesen over het ontstaan van bèta-golven te modelleren, maar vonden die niet succesvol.

Met een model van waarnaar te zoeken, testte het team het vervolgens door te zoeken naar een werkelijk biologisch correlaat ervan in twee diermodellen. Het team analyseerde metingen in de cortex van muizen en resus makaken en vond directe bevestiging dat dit soort stimulatie en respons voorkwam in de corticale lagen in de diermodellen.

“De ultieme test van de modelvoorspellingen is het opnemen van de elektrische signalen in de hersenen,” zei Jones. “Deze opnamen ondersteunden onze modelvoorspellingen.”

Bèta in de hersenen

Niet de computermodellen noch de metingen traceerden de bron van de exciterende synaptische stimulaties die de piramidale neuronen aanzetten tot het produceren van de bètagolven, maar Jones en haar co-auteurs stellen dat ze waarschijnlijk afkomstig zijn van de thalamus, dieper in de hersenen. Projecties van de thalamus bevinden zich toevallig op precies de juiste plaatsen die nodig zijn om signalen af te geven aan de juiste posities op de dendrieten van piramidale neuronen in de cortex. Het is ook bekend dat de thalamus uitbarstingen van activiteit uitzendt die 50 milliseconden duren, zoals voorspeld door hun theorie.

Met een nieuwe biofysische theorie over hoe de golven ontstaan, hopen de onderzoekers dat het veld nu kan onderzoeken of bèta-ritmes gedrag en ziekte beïnvloeden of slechts weerspiegelen. Het team van Jones, in samenwerking met hoogleraar neurowetenschappen Christopher Moore op Brown, test nu voorspellingen uit de theorie dat bèta de sensorische of motorische informatieverwerkingsfuncties in de hersenen kan verminderen. Nieuwe hypothesen zijn dat de inputs die bèta creëren ook remmende neuronen in de bovenste lagen van de cortex kunnen stimuleren, of dat ze de activiteit van de piramidale neuronen kunnen verzadigen, waardoor hun vermogen om informatie te verwerken afneemt; of dat de thalamische uitbarstingen die aanleiding geven tot bèta de thalamus zodanig in beslag nemen dat deze geen informatie doorgeeft aan de cortex.

Het uitzoeken hiervan zou kunnen leiden tot nieuwe therapieën gebaseerd op het manipuleren van bèta, zei Jones.

“Een actief en groeiend gebied van neurowetenschappelijk onderzoek probeert hersenritmes te manipuleren voor een optimale functie met stimulatietechnieken,” zei ze. “We hopen dat onze nieuwe bevinding over de neurale oorsprong van bèta zal helpen bij het begeleiden van onderzoek om bèta, en mogelijk andere ritmes, te manipuleren voor een betere functie in sensorimotorische pathologieën.”

De hoofdauteur van de studie is afgestudeerd Brown-student Maxwell Sherman. Andere auteurs zijn Shane Lee, Robert Law, Saskia Haegens, Catherine Thorn, Matti Hamalainen en Moore.

De National Science Foundation (grant: CRCNS-1131850) en de National Institutes of Health (grants: MH106174, MH060358, 5T32MH019118-23) financierden het onderzoek.