Formation and adaptation of memory Havekes, Robbert

Transcriptie

1 Formation and adaptation of memory Havekes, Robbert IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 2008 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Havekes, R. (2008). Formation and adaptation of memory: Neurobiological mechanisms underlying learning and reversal learning s.n. Copyright Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date:

2 Nederlandse Samenvatting Nederlandse Samenvatting De neurobiologische processen die ten grondslag liggen aan de vorming van geheugen In de jaren 50 stelde Donald Hebb de hypothese dat een korte, sterke stimulatie van een verbinding tussen twee hersencellen (neuronen) leidt tot een permanente versterking van deze connectie en dat versterkingen van neuronale verbindingen de essentie zijn van de vorming van geheugen. Deze hypothese werd in 1973 experimenteel bevestigd door Bliss en Lomo. Zij noemden dit proces lange-termijn potentiatie (kortweg LTP). Enkele jaren later werd aangetoond dat er ook een tegenhangend proces bestaat. Een continue milde activering van een connectie tussen neuronen resulteert in een verzwakking van deze verbinding. Dit proces wordt lange-termijn depressie (LTD) genoemd. Zowel LTP als LTD (samengevat met de term bi-directionele plasticiteit) worden sindsdien beschouwd als cruciale verschijnselen bij leer- en geheugenprocessen. De ontdekking van LTP en LTD leidde ertoe dat men stukje bij beetje de onderliggende mechanismen van leer- en geheugenprocessen kon gaan ontrafelen. Bi-directionele plasticiteit wordt gereguleerd door de balans tussen twee groepen van enzymen genaamd eiwit kinases en eiwit fosfatases. Over het algemeen leidt de activatie van eiwit kinases tot het versterken van neuronale connecties. Eiwit fosfatases daarentegen zorgen voor het verzwakken van verbindingen tussen neuronen. Eén van de hersenstructuren die een hoofdrol speelt bij de vorming van lange termijn geheugen is de hippocampus. Dit hersengebied fungeert als een soort tijdelijke buffer waarin informatie wordt bewaard alvorens het wordt opgeslagen in de grote hersenschors (cortex). De hippocampus kan worden onderverdeeld in verschillende gebieden: de Gyrus Dentatus (DG), Cornu Ammonis 3 (CA3) en Cornu Ammonis 1 (CA1). De hippocampus is niet alleen betrokken bij ruimtelijk leren, maar ook bij het vormen van associaties tussen een belangrijke gebeurtenissen en de locatie waar die gebeurtenissen hebben plaatsgevonden. Daarnaast wordt de hippocampus gezien als de hersenstructuur die veranderingen in reeds bekende omgevingen of situaties oppikt en ervoor kan zorgen dat, indien nodig, het reeds gevormde geheugen kan worden aangepast aan de actuele situatie. In de literatuur wordt gesuggereerd dat met name de CA3 regio en CA1 regio s van de hippocampus primair van belang zijn bij het updaten van bestaand geheugen. Ondanks het feit dat verscheidene studies hebben onderzocht welke hersengebieden een rol spelen bij het detecteren van veranderingen in een bekende omgeving en het updaten van verouderd geheugen, is het grotendeels onbekend welke kinases en fosfatases betrokken zijn bij deze processen. Het doel van het onderzoek beschreven in dit proefschrift was om te onderzoeken welke neurobiologische processen ten grondslag liggen aan het aanpassen van bestaand geheugen, en wat de specifieke bijdragen hieraan zijn van kinases en fosfatases. In het merendeel van de hoofdstukken in dit proefschrift is gebruik gemaakt van een relatief eenvoudige leertaak om deze processen te onderzoeken, namelijk een Y-vormig doolhof (de Y maze ). Dit doolhof bestaat uit een start arm en twee test armen. Gedurende de training hebben muizen de keus om één van de twee testarmen te 163

3 Nederlandse samenvatting bezoeken. Echter, slechts één van de twee armen is beloond met een kleine hoeveelheid voer. Na meerdere dagen van training leren de muizen welke van de twee armen beloond is (dit proces zal voortaan training genoemd worden). Nadat deze training is voltooid, wordt de beloning verplaatst naar de voorheen onbeloonde arm en moesten de dieren leren dat de voorheen onbeloonde arm nu was beloond. Dit proces wordt reversal training genoemd. Het vergelijken van de neurobiologische processen die plaatsvinden tijdens deze twee ogenschijnlijk identieke leertrajecten (zie figuur 1, pagina 39) is een hoofddoel van dit proefschrift. Samenvatting van de resultaten De hoofdvraag in hoofdstuk 2 was of calcineurine in de hippocampus een rol speelde bij de vorming van nieuw geheugen en het aanpassen van bestaand geheugen. Calcineurine is een calcium afhankelijk eiwit fosfatase, dat allerlei andere enzymen kan inactiveren, wat resulteert in een verzwakking van neuronale connecties. Hippocampale calcineurine activiteit was verlaagd tijdens training, maar herstelde zich tot een niveau vergelijkbaar aan die van ongetrainde dieren tijdens de reversal training. De calcineurine concentratie in de hippocampus was verlaagd tijdens de acquisitie fase van de training, maar herstelde tijdens de acquisitie fase van de reversal training. Calcineurine immunoreactiviteit in het CA3 en CA1 gebied was verhoogd tijdens reversal training, met name na reversal leren. Deze bevindingen laten zien dat de vorming van nieuw geheugen resulteert in gereduceerde calcineurine activiteit. Echter, wanneer het bestaande geheugen moet worden aangepast (de beloning ligt op een andere plek) in een bekende omgeving (de Y-maze), wordt de calcineurine activiteit weer hersteld, met name in het CA1 en het CA3 gebied. In hoofdstuk 3A hebben we de leersnelheid tijdens training en reversal training in de Y-maze vergeleken van wildtype muizen met die van transgene muizen waarbij we calcineurine activiteit in de voorhersenen temporeel konden onderdrukken middels de overexpressie van een dominant negatieve vorm van calcineurine. Afname van calcineurine activiteit had geen effect op de leersnelheid tijdens de training. Vermindering van calcineurine activiteit tijdens de reversal training daarentegen verhoogde de leersnelheid. Deze resultaten suggereren dat in het geval van leren in de Y-maze, reductie van calcineurine activiteit in de voorhersenen specifiek een effect heeft op reversal training. De rol van calcineurine in de voorhersenen bij het vormen van nieuw geheugen en aanpassen van bestaand geheugen werd tevens onderzocht in een tweede leertest, de contextual fear conditioning. Dit is een leertaak waarbij de hippocampus in sterke mate is betrokken (Hoofdstuk 3B). In een eerste experiment werden de dieren in een conditioneringsbox geplaatst, waar ze na 3 minuten een milde voetschok kregen. De volgende dag werden de dieren aan dezelfde box blootgesteld, echter zonder dat ze een voetschok toegediend kregen. Indien de dieren de box associëren met de negatieve ervaring (de voetschok), zullen ze een sterke mate van freezing vertonen. Freezing is een vorm van gedrag die gekarakteriseerd wordt door volledige onbeweeglijkheid behalve ademhaling en hartslag. De hoeveelheid freezing is een maat voor de sterkte van het geheugen. Afname van calcineurine activiteit in de voorhersenen zorgde voor een verhoogde freezing respons, wat duidt op een sterkere associatie van de box met de milde elektrische schok. In een tweede experiment werd een extinctie training gegeven: na een training zoals beschreven voor 164

4 Nederlandse Samenvatting experiment 1 werden de dieren dagelijks teruggeplaatst in de conditioneringsbox zonder dat de dieren een schok kregen. Een dier zal dan snel leren dat de conditioneringsbox weer veilig is en de freezing respons zal verdwijnen. Wanneer calcineurine activiteit werd gereduceerd, zorgde dit voor een onderdrukking van de uitdoving van de freezing response. Deze data laten zien dat calcineurine in het voorbrein een tegengestelde rol speelt bij het vormen van nieuw geheugen en het aanpassen van bestaand geheugen in het geval van contextual fear conditioning. Hoofdstuk 4 beschrijft een studie waarin we gekeken hebben naar de rol van de camp afhankelijke eiwit kinase (PKA) in de hippocampus bij leren en reversal leren. PKA expressie was verhoogd in de gebieden CA3 en DG tijdens de acquisitie fase van de training en tijdens reversal training. Opmerkelijk genoeg was de PKA expressie in de CA1 regio alleen verhoogd tijdens de acquisitie fase van de reversal training. Analyse van AMPA receptor fosforylering van de GluR1-S845 site (één van de substraten van PKA) toonde aan dat deze verhoogd was in de hippocampus, en wel specifiek tijdens de acquisitie fase van reversal leren (de fase waarbij tevens de grootste toenames in PKA immunoreactiviteit werden waargenomen). Samengevat suggereren deze data in het geval van PKA dat het CA1 gebied een specifieke rol speelt bij het aanpassen van bestaand geheugen met een specifieke functie voor de AMPA receptor GluR1-S845 fosforylerings-site. In hoofdstuk 5 van dit proefschrift hebben we onderzocht of eiwitconcentraties van PKA en calcineurine alsmede AMPA receptor fosforylering in het striatum ook veranderen tijdens leren en reversal leren in de Y-maze. Het striatum is een hersengebied dat sterk betrokken is bij procedurele leerprocessen: het leren van bewegingsprogramma s. In tegenstelling tot de hippocampus (hoofdstuk 2 & 4) konden we geen significante toe- of afnames voor calcineurine, PKA of AMPA receptor fosforylering waarnemen in het striatum. Deze bevindingen tonen aan dat in het geval van Y-maze leren en reversal leren, de muizen geen gebruik maken van een striatum-afhankelijke strategie. Het is algemeen bekend dat slaaptekort leer- en geheugen processen verstoort waarbij de hippocampus betrokken is. Het is echter onduidelijk welke neuronale mechanismen hieraan ten grondslag liggen. Daarom hebben we in hoofdstuk 6 onderzocht of slaap deprivatie (SD) zorgt voor veranderingen in het functioneren van de AMPA receptor. SD zorgde voor een graduele vermindering van AMPA receptor fosforylering van de S845 site. Tevens vonden we een verlaging van het eiwit AKAP150 in de membraanfractie van de hippocampus. Verlaging van AKAP150 zorgt met name voor een ondermijning van PKA activiteit. Dit zou de oorzaak zou kunnen zijn van de afname in AMPA receptor S845 fosforylering. In hoofdstuk 7 hebben we onderzocht of slaaptekort gevolgen heeft voor leren en reversal leren in de Y-maze. SD tijdens de training of tijdens de reversal training had geen effect op de leerprestaties. Echter, 5 uur SD direct na iedere training zorgde voor een verminderde leersnelheid tijdens de reversal training (ondanks dat tijdens de reversal training geen SD werd toegepast). Hersenanalyse liet zien dat SD training-geïnduceerde activatie van het MAPK eiwit in de hippocampus onderdrukte. Samengevat laten deze experimenten zien dat een tekort aan slaap niet direct een gevolg hoeft te hebben voor leerprestaties, maar verminderde flexibiliteit in leer- en geheugenprestaties tot gevolg kan hebben. In hoofdstuk 8 hebben we gekeken naar de rol van het gen Cry bij leer- en 165

5 Nederlandse samenvatting geheugenprocessen. Cry is een gen dat een cruciale rol speelt in het circadiane systeem (onze interne klok). De leerprestaties van Cry1,Cr2 knock-out muizen was gelijk aan die van wildtype muizen, zowel in de Y-maze als in de fear conditioning leertaak. Vervolgens werden de dieren in een nieuwe leertaak getest waarbij de dieren getraind werden om verschillende locaties op verschillende tijdstippen van de dag te bezoeken/ vermijden. In tegenstelling tot wildtype dieren waren de dieren zonder de Cry genen niet in staat om dit zogenaamde tijd-plaats leren onder de knie te krijgen. Deze data laten zien dat het circadiane systeem onontbeerlijk is voor leer- en geheugenprocessen waarbij een tijdscomponent een belangrijke rol speelt. In hoofdstuk 9 worden de resultaten samengevat en verder bediscussieerd aan de hand van literatuurgegevens. Tevens wordt de rol van twee andere hersengebieden (de amygdala en de prefrontale cortex) bij het aanpassen van bestaand geheugen besproken. Aan de hand van de resultaten zoals beschreven in dit proefschrift wordt tenslotte een hypothese opgesteld over de neurobiologische mechanismen die mogelijk ten grondslag liggen aan de verminderde flexibiliteit in leer- en geheugenprestaties bij veroudering. Conclusie Samenvattend beschrijft dit proefschrift verschillende neurobiologische processen die ten grondslag liggen aan de vorming van nieuw geheugen en het aanpassen van reeds gevormd geheugen en dat slaaptekort specifieke functies van de hippocampus ondermijnt. Vervolgonderzoek zal moeten uitwijzen of een niet goed functionerende hippocampus inderdaad bepalend is voor een verminderde flexibiliteit in leer- en geheugenprestaties. 166