In een vorig artikel hebben we al eens verteld over twee concepten die ten grondslag liggen aan vrijwel alle processen binnen de neurowetenschap: synaptische plasticiteit en langetermijnpotentiëring (ook wel “long-term potentiation” of LTP genoemd) die beiden belangrijk zijn voor leren en geheugen. Volgens de synaptische plasticiteitstheorie is LTP betrokken bij het maken en ophalen van herinneringen. Echter is het brein een ontzettend complex orgaan waar we (nog) relatief weinig van weten. In dit artikel delen we inzicht in de verschillende theorieën, hun kritische evaluatie, en alternatieve verklaringen betreffende het vastleggen van herinneringen in ons brein.
Neuronen kunnen op verschillende manieren veranderen, zoals in vorm, in hun verbindingen met andere neuronen of hersencellen, hun functie, en meer. Dit wordt ook wel synaptische plasticiteit genoemd. Om LTP te bereiken worden bestaande verbindingen herhaaldelijk geactiveerd, waardoor deze verbindingen sterker worden. Hoe sterker de verbindingen worden, hoe makkelijker het is om dit netwerk van verbindingen later te activeren, zoals je een herinnering makkelijker kunt ophalen als je er vaker aan terug denkt. Als de verbinding zwakker wordt doordat deze minder wordt geactiveerd, vindt het omgekeerd plaats: de verbindingen worden minder actief, en het wordt moeilijker om de herinnering op te halen. Dit wordt ook wel lange-termijn depressie (“Long-term depression” of LTD) genoemd. Je kunt dit vergelijken met krachttraining: als het gewicht zwaarder is (een herinnering met veel rijke informatie) of we trainen er vaak mee (de herinnering vaak ophalen en activeren) worden onze spieren sterker. Integendeel, als we niet zo zwaar of vaak trainen (we gebruiken de herinnering niet vaak), verliezen we onze spierkracht.
De synaptische plasticiteitstheorie (SPT) lijkt valide en er is ook onderzoek dat deze theorie bevestigt met betrekking tot leren en geheugen. In een studie konden de wetenschappers bepaalde connectiepunten tussen twee neuronen (ook wel een synaps genoemd) activeren in een rattenbrein. Met “conditionering” konden de wetenschappers de activatie van de synaps associëren met een elektrische schok. Met een vastgelegde associatie konden ze voor LTP en LTD zorgen in dezelfde synaps, en kijken wat hiervan de effecten waren op het vormen en ophalen van de herinnering van de shock. Bij het creëren van LTD ‘vergat’ de rat deze associatie met de schok, terwijl de LTP ervoor zorgde dat de associatie sterk was en de rat juist de schok zag aankomen. Zelfs na het meermaals herhalen van het experiment zagen de onderzoekers dezelfde resultaten.
De synaptische plasticiteitstheorie geeft ons veelbelovende verklaringen over hoe ons geheugen werkt, maar toch blijven er een aantal problemen. Allereerst zijn we in een experimentele setting niet in staat om artificieel een herinnering te creëren in het brein. Hiervoor zouden we een ellenlange lijst nodig hebben van alle verbindingen van vóór en na het maken van een associatie (het leren dus). Daarnaast zouden we ook het juiste netwerk moeten kunnen vinden voor de herinneringen die we willen creëren. En dan hebben we het nog niet eens over het lokaliseren en activeren van de exacte neuronen die we zouden moeten tackelen om een herinnering te maken. In ons brein zitten meer dan 80 miljard neuronen, dus moet je nagaan hoe complex dit is en hoeveel data hiervoor nodig zou zijn! Vrijwel onmogelijk dus.
Een ander discussiepunt is dat de associatie tussen LTP en het vormen van herinneringen niet consistent is. Andere studies lieten LTP helemaal buiten beschouwing als het om het vormen van bepaalde herinneringen gaat; LTP was hier niet eens voor nodig. Ook is men sceptisch over de rol van LTP in ons langetermijngeheugen. Sommige onderzoekers zijn er niet van overtuigd dat LTP lang genoeg aanhoudt om een herinnering in ons langetermijngeheugen te plaatsen. Andere onderzoekers geloven zelfs dat de verbindingen van neuronen helemaal niet stabiel genoeg zijn om informatie op te slaan. De vele twijfels hierover tonen aan dat onderzoekers niet volledig overtuigd zijn dat LTP de basis vormt van ons geheugen.
In de jaren die volgden kwamen onderzoekers met nieuwe ideeën over de synaptische plasticiteitstheorie en hebben een nieuwe versie gemaakt. De oude versie gaat uit van een verandering in het netwerk en haar synapsen als gevolg van een herinnering of ervaring. De nieuwe versie beschrijft dat deze verandering niet per se permanent is in het netwerk; het netwerk kan veranderen door andere herinneringen, maar de originele herinnering blijft in dit flexibele netwerk bestaan. De intensiteit van de verbindingen, dus hoe sterk de verbindingen worden geactiveerd, blijft hetzelfde. Dus zolang de intensiteit, of sterkte, van het hele netwerk hetzelfde blijft, kunnen individuele verbindingen blijven bestaan en nieuwe verbindingen worden gemaakt. Deze aanpassing van de originele theorie gaat in tegen het argument dat neuronen niet stabiel genoeg zouden zijn.
In een andere versie van de synaptische plasticiteitstheorie wordt LTP niet neergezet als hoofdrolspeler in het vormen van herinneringen. Hier worden de verbindingen zelf, en niet de neuronen, bekroond tot hoofdverantwoordelijken in het vormen van herinneringen. Hier is de sterkte van activatie niet van belang voor het vormen van herinneringen, maar wel bij hoe makkelijk de herinnering op te halen is. Dit ophalen van herinneringen wordt makkelijker door LTP, en moeizamer gemaakt door LTD. Dit betekent ook dat LTP niet heel lang in stand gehouden hoeft te worden, zolang het netwerk maar blijft bestaan maakt de stabiliteit van de neuronen niet uit.
Tot nu toe hebben we vooral gepraat over synaptische plasticiteit, maar er zijn andere theorieën die ook iets te zeggen hebben, zoals de cel intrinsic memory storage theory (cel-intrinsieke geheugenopslag theorie, of CIMST). Volgens deze theorie zijn herinneringen opgeslagen in het DNA van cellen, door middel van het aan- en uitzetten van verschillende stukjes DNA als een soort binaire (0 en 1) code. Bij de non-synaptic plasticity theory (niet-SPT) gaat het niet om de verbindingen, maar juist om hoe sterk de activatie van de neuronen zelf is. Wanneer de activatie boven een bepaalde drempelwaarde komt, wordt daar een stukje van een herinnering geplaatst. Afhankelijk van hoe hoog of laag deze grens ligt, is het moeilijker of makkelijker om een neuron te activeren en hier informatie op te slaan. Dit sluit de SPT overigens niet helemaal uit; bij activatie van individuele neuronen wordt er hier vooralsnog een netwerk geactiveerd, we weten dus niet of niet-SPT op zichzelf herinneringen kan opslaan.
Over hoe ons brein herinneringen opslaat (“memory consolidation”, wat in het proces wel degelijk verschilt van geheugenvorming (“learning”)) en ophaalt (“memory retrieval”) bestaan er ook weer een aantal theorieën naast de SPT. Ondanks dat de SPT voor nu het meest wordt bevestigd door onderzoek, en daarmee het meest is geaccepteerd in de wetenschap, zijn er andere theorieën met ook interessante en valide punten. Immers, het geldt natuurlijk niet dat wanneer er andere ideeën zijn, het originele idee compleet fout is; ze sluiten elkaar niet per se uit. Geheugen is een breed begrip dat varieert van het onthouden van woorden tot fietsen en onze dagelijkse gewoonten. Binnen het onderzoeksgebied van leren & geheugen zijn er verschillende ‘soorten’ geheugen, waarbij de ene theorie misschien beter van toepassing is op een bepaalde soort geheugen dan een andere theorie. Dit laat vooral zien hoe complex ons brein is, en hoeveel we nog kunnen leren (pun intended). Voor nu blijf ik me erover verbazen hoe onze hersenen al onze herinneringen, ervaringen, beelden en geluiden in ons hoofd kunnen vasthouden.
Auteur: Kenzo Le Vaillant
Referenties:
Abraham, W. C., Jones, O. D., & Glanzman, D. L. (2019). Is plasticity of synapses the mechanism of long-term memory storage?. NPJ science of learning, 4(1), 9.
Nabavi, S., Fox, R., Proulx, C. D., Lin, J. Y., Tsien, R. Y., & Malinow, R. (2014). Engineering a memory with LTD and LTP. Nature, 511(7509), 348-352.
Mozzachiodi, R., & Byrne, J. H. (2010). More than synaptic plasticity: role of nonsynaptic plasticity in learning and memory. Trends in neurosciences, 33(1), 17-26.
Abraham, W. C., & Robins, A. (2005). Memory retention–the synaptic stability versus plasticity dilemma. Trends in neurosciences, 28(2), 73-78.
Tonegawa, S., Pignatelli, M., Roy, D. S. & Ryan, T. J. Memory engram storage and retrieval. Curr. Opin. Neurobiol. 35, 101-109 (2015).
Hölscher, C. (1999). Synaptic plasticity and learning and memory: LTP and beyond. Journal of neuroscience research, 58(1), 62-75.
Gallistel, C. R., & Matzel, L. D. (2013). The neuroscience of learning: beyond the Hebbian synapse. Annual review of psychology, 64, 169-200.
Rao-Ruiz, P., Yu, J., Kushner, S. A., & Josselyn, S. A. (2019). Neuronal competition: microcircuit mechanisms define the sparsity of the engram. Current opinion in neurobiology, 54, 163-170.
