21 augustus 2015

De architectuur van zenuwbanen

Het ingewikkelde stratenplan van Victoriaans Londen, of het rechthoekige schaakbordpatroon van Manhattan, welke structuur lijkt het meest op die van de zenuwbanen in onze hersenen?

Het is een vraag die hersenonderzoekers de laatste jaren flink bezighoudt: er zijn al drie wetenschappelijke artikelen over verschenen in het beroemde tijdschrift Science. De meningen zijn echter nogal verdeeld: niet alleen over het patroon van de structuur, maar zelfs of er überhaupt wel zo’n patroon bestaat. Kan nieuwe technologie ons hier een handje bij helpen?

Roosters, oppervlakken, grids, sheets… Het idee is dat zenuwbanen in onze hersenen een soort in elkaar geweven roosterstructuur vormen, vergelijkbaar met de draden in een stukje stof. Je kunt het ook zien als kruisende paden die over een oppervlak lopen (zie Fig. 1a). Dat oppervlak met paden hoeft niet recht te zijn, maar kan ook gekromd zijn. We noemen deze structuur ook wel een sheet of grid.

Large
1. a) Paden van twee verschillende bundels (rood en blauw) vormen een roosterstructuur op een gekromd oppervlak. b) Roosterstructuur op verschillende locaties in de hersenen van een resusaap. c) Roosterstructuur in verschillende diersoorten: Galago (boven) en een nachtaap (onder). Figuren b) en c) aangepast van Wedeen et al., Science 2012, 335(6076):1628-34

Diffusie-MRI maakt het mogelijk om de architectuur van zenuwbanen in kaart te brengen. De auteurs van het eerste Science paper hebben de roosterstructuur in de hersenen ontdekt met behulp van diffusie-MRI en tractografie: ze vonden deze structuur terug op verschillende plekken in de hersenen (Fig. 1b) en in verschillende diersoorten (Fig. 1c). De roosterstructuur zou volgens de auteurs een sterk verband hebben met hoe onze hersenen zich ontwikkelen (de embryogenese).

Dissectie Maar hoe kan het dat deze structuur nog niet eerder ‘ontdekt’ is? Andere nuttige technieken die al langer gebruikt worden om zenuwbanen te onderzoeken hebben zo hun eigen beperkingen. Dissectie, bijvoorbeeld, waarbij de witte stof-banen met spatels voorzichtig vrijgemaakt worden uit post-mortem hersenen, is vooral geschikt om paden langs één bepaalde richting te volgen (Fig. 2a). De roosterstructuur kan zo mogelijk gemist worden. Polarized light imaging (PLI), waarbij de richting van zenuwvezels bepaald wordt met behulp van licht (Fig. 2b), maakt gebruik van dunne plakjes weefsel. Het is uitdagend om hieruit de 3-dimensionale structuur terug te reconstrueren, maar hier wordt nog volop aan gewerkt.

Large
2. a) Dissectie van zenuwbanen. b) Polarized light imaging in een plakje, verschillende kleuren duiden verschillende oriëntaties aan. Afbeelding van www.fz-juelich.de.

Oppassen geblazen Maar heeft diffusie MRI dan geen tekortkomingen? Zeker wel, het is daarom soms flink oppassen met wat voor conclusies je kunt trekken uit de data. Dat is precies het punt dat de auteurs van het tweede Science paper aanhalen: zij denken dat de roosterstructuur niet echt bestaat, maar een artefact is. Om paden te kunnen reconstrueren met diffusie MRI en tractografie moet je een hoop stappen doorlopen en berekeningen doen, en dus ook een hoop keuzes maken. De gereconstrueerde paden die je ziet zijn geen echte zenuwbanen, en kunnen soms sterk afhangen van de keuzes die je maakt in het reconstructie proces (Fig. 3).

Medium
3. Reconstructie van paden met diffusie-MRI tractografie kan sterk afhangen van de keuzes die je maakt, en je moet de paden voorzichtig interpreteren. Hier zie je gereconstrueerde paden van de corticospinale baan; de groene paden lijken onderweg een verkeerde afslag te hebben genomen als je het vergelijkt met wat we weten van de anatomie.

De negatieve reacties hebben de auteurs van het eerste Science paper duidelijk niet uit het veld geslagen; Zij hebben hierna nog een paper gepubliceerd met meer bewijs voor de roosterstructuur. Kortom, deze theorie heeft een hoop vragen opgeroepen die tot op de dag van vandaag niet beantwoord zijn. Wat nu? Zullen we ooit weten wie er gelijk had?

Lie… wát?! Tja, dat is een lastige vraag… Misschien moeten er zelfs nog nieuwe technieken ontwikkeld worden om de hypothese te kunnen bewijzen. Dit vraagstuk heeft ónze interesse in ieder geval gewekt: wij vroegen ons af of je ook daadwerkelijk kunt kwantificeren dat de sheet structuur bestaat in diffusie-MRI data. Er blijkt een wiskundige theorie te bestaan die formaliseert wanneer paden gezamenlijk een oppervlak vormen, het zogenaamde Frobenius theorema. Dit theorema zegt eigenlijk dat de paden een bepaald soort interactie moeten hebben, die je kunt uitrekenen met de Lie bracket. Toegegeven, in de praktijk blijkt het net zo ingewikkeld als het klinkt :S. Maar we kunnen dit dus misschien gebruiken om uit te rekenen of gereconstrueerde paden een roosterstructuur vormen.

Heel gaaf Vanuit het UMC Utrecht proberen we samen met de Technische Universiteit Eindhoven en Harvard Medical School om een techniek te ontwikkelen voor de detectie van de sheet structuur (Fig. 4). Op dit moment ben ik voor een half jaar in Boston om dit te onderzoeken. Écht heel gaaf: ik mag samenwerken met pioniers in diffusie-MRI, de ontdekkers van de roosterstructuur zitten ook in Boston, en ze hebben hier een unieke MRI scanner. Wordt vervolgd… ;)

Large
4. Het eerste ‘Lie bracket’ plaatje van een muizenbrein! (bekeken van bovenaf) a) Hoge resolutie diffusie-orientatiemap, groen is voor-achter, rood is links-rechts, en blauw is boven-onder. b) Donkere gebieden geven aan dat er daar lokaal waarschijnlijk een roosterstructuur is. Dat kun je ook zien aan de ‘glyphs’ in het blauwe vlak, als je de pieken zou volgen, kun je denkbeeldig een grid reconstrueren. Figuur aangepast van Tax et al., International BASP Frontiers Workshop 2015, p. 74.

Discussieer mee

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE