Voor het eerst hebben Amerikaanse onderzoekers kunnen aantonen hoe ons evenwichtssysteem (aan beide kanten gelokaliseerd in ons binnenoor) een rol speelt bij navigatie en ruimtelijke oriëntatie (1). Hun bevindingen werden recent gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Journal of Neuroscience.
Figuur 1: ‘Innervatie’ (=bezenuwing) en de verschillende delen van het evenwichtssysteem. (Bron: Angelique Van Ombergen, getekend door Pieter Rombaut)
Het ‘vestibulair systeem’ of evenwichtssysteem is aan beide zijden van ons lichaam gelokaliseerd in ons binnenoor, samen met ons gehoororgaan. Het bestaat uit 2 delen: de drie semicirculaire kanalen (eentje in elk bewegingsvlak en zo genoemd naar hun vorm, namelijk halve cirkels) en de otolietorganen (sacculus en utriculus) (figuur 1). De semicirculaire kanalen zijn betrokken bij het detecteren van hoofdbewegingen, terwijl de otolietorganen lineaire versnellingen (bijvoorbeeld voor-achter) en zwaartekracht detecteren. Bovendien drijft het vestibulair systeem onze hersenen aan, wat het mogelijk maakt dat we blikstabilisatie hebben en dat we kunnen navigeren en ons oriënteren, beiden cruciaal om te kunnen overleven. Denk bijvoorbeeld aan het jagen op dieren: stel dat je geen blikstabilisatie zou hebben, dan zou je niet kunnen focussen op je prooi, bijgevolg geen prooi kunnen vangen en mogelijks zelfs gevaar lopen om zelf prooi te worden. Of nog, in een vroeger leven was er ook nog geen sprake van GPS, dus was navigatie cruciaal om uiteindelijk die prooi terug mee naar huis te kunnen brengen. Het vestibulair systeem is hierin onmisbaar en kan dus een beetje terecht gezien worden als ons zesde zintuig, zoals vaak ook gezegd wordt.
Ons brein speelt natuurlijk de hoofdrol in het verhaal van navigatie en ruimtelijke oriëntatie: als de informatie die toekomt van onder andere het evenwichtssysteem niet goed verwerkt wordt in de hersenen, zullen er dus problemen ontstaan op deze vlakken. Meer specifiek, het zijn de ‘place en grid cells’ die hierin belangrijk zijn, waar ik het in een eerdere blogpost al uitgebreider over had (ga gerust terug een kijkje nemen). In een notendop: ‘place cells’ sturen informatie naar de hersenen over onze positie (2), terwijl ‘grid cells’ ons als het ware voorzien van een soort intern coördinaten systeem (3). Dan zijn er nog de ‘border cells’, die aangeven waar de “perimeter” van een bepaalde ruimte is (letterlijk een beetje dus de grens). Bovendien is er nog een vierde soort cellen, namelijk de ‘head direction cells’, letterlijk vertaald naar “hoofdrichting cellen”. Deze cellen reageren namelijk wanneer een dier gericht staat naar een specifieke richting en worden gezien als een onderliggende meetstaaf voor de ruimtelijke oriëntatie van het dier op dat moment. Figuur 2 vat dit alles samen.
Figuur 2: ‘De verschillende cellen die ervoor zorgen dat we kunnen navigeren en ons oriënteren. Een beetje de verschillende onderdelen van onze interne GPS. (Bron: http://www.bioradiations.com/the-brains-gps-unraveling-the-functioning-of-our-navigation-system/)
Eerdere onderzoeken hadden reeds aangetoond dat het vestibulair systeem betrokken is bij het aansturen van informatie naar deze ‘head direction cells’ (4), maar het was nog niet duidelijk of alle drie de kanalen van het evenwichtssysteem hierbij tussen komen of slechts één of twee kanalen. De huidige studie heeft dit vraagstuk opgelost door genetisch gemanipuleerde muizen te onderzoeken waarbij specifiek het horizontaal kanaaltje van het evenwichtssysteem “uitgeschakeld” werd (‘epstatic circler’ muizen genoemd) en men dus kon onderzoeken wat specifiek de rol was van dit kanaal. Men is hierbij gaan kijken naar de cel activiteit in een specifiek deeltje van de thalamus (namelijk het anterodorsale deel) (figuur 3). De thalamus is een ware ‘hub’ in de hersenen, met andere woorden, de thalamus ontvangt dus van overal informatie en is bijgevolg betrokken bij vele functies zoals emoties, bewustzijn en slaap om er slechts enkele te noemen. Dit is tevens ook een deel in de hersenen waarvan men weet dat daar ‘head direction cells’ zitten (5).
Figuur 3: Links: De thalamus in de hersenen. / Rechts: Foto die de elektrode toont in het anterodorsale deeltje van de thalamus, waar de celactiviteit opgemeten wordt. (Bron: cnsvp.stanford.edu / Valerio & Taube, 2016)
De onderzoekers vonden dat deze muizen geen normale activiteit in hun ‘head direction cells’ vertoonden (deze cellen vuurden niet af op dezelfde manier als bij gezonde dieren) en bijgevolg ook problemen hadden met navigatie en oriëntatie. Aangezien de neurale structuur (structuur in de hersenen) bij deze muizen niet aangetast was, maar er puur sprake was van een probleem met het horizontaal kanaaltje in het evenwichtssysteem, konden de onderzoekers besluiten dat het net dit kanaal is dat zorgt voor de coördinatie van de ‘head direction cells’ (o.a. op de juiste manier en moment afvuren en dus zinvolle informatie doorsturen) en een stabiel signaal. Met andere woorden, als de horizontale kanaaltjes niet goed functioneren, krijgen de hersenen een verstoord signaal van de ‘head direction cells’ en zullen navigatie en oriëntatie ook verstoord zijn.
Die kleine kanaaltjes in onze oren doen dus veel meer dan we denken …
Referenties
- Valerio S & Taube JS (2016): Head direction cell activity is absent in mice without the horizontal semicircular canals. Journal of Neuroscience, 36(3):741-54.
- O’Keefe, J. (1976). Place units in the hippocampus of the freely moving rat. Exp Neurol 51, 78-109.
- Fyhn, M., Hafting, T., Treves, A., Moser, M.B., and Moser, E.I. (2007): Hippocampal remapping and grid realignment in entorhinal cortex. Nature 446, 190-194.
- Brown JE, Yates BJ & Taube JS (2002): Does the vestibular system contribute to head direction cell activity in the rat? Physiol Behav. 77(4-5):743-8.
- Yoder RM & Taube JS (2011): Projections to the anterodorsal thalamus and lateral mammillary nuclei arise from different cell populations within the postsubiculum: implications for the control of head direction cells. Hippocampus. 21(10):1062-73.
