Het menselijk brein is geen rigide structuur, maar een dynamisch systeem dat zich voortdurend aanpast aan nieuwe situaties, ervaringen en noden. Deze eigenschap, bekend als neuroplasticiteit, maakt het mogelijk om levenslang te leren en zelfs te herstellen van hersenschade. Toch is neuroplasticiteit niet louter positief; in sommige gevallen leidt het tot ongewenste effecten zoals tinnitus of fantoompijn. Hoe werken deze processen en wat leert onderzoek op proefdieren ons over herstel, veroudering en hersenschade bij de mens?

Neuroplasticiteit: de kracht van ons brein

Valerie Mariën, Sara Gilissen en Lutgarde Arckens

Neuroplasticiteit, of hersenplasticiteit, is een fenomeen dat je hele leven een rol zal spelen in hoe je de realiteit rondom jou ervaart. Het speelt een significante rol in de progressie alsook in het herstel van verschillende ziektebeelden. Wist je bijvoorbeeld dat je minder risico loopt op het ontwikkelen van dementie wanneer je oren het goed doen? Of dat het verkrijgen van een sensorisch implantaat, voor gehoors- of gezichtsverlies, moet plaatsvinden in een cruciale tijdsperiode om optimaal herstel te realiseren? Hoe dit dan juist komt, vraag je je af? Wel, onderzoek naar hersenplasticiteit vindt reeds plaats gedurende vele decennia, en we kunnen al best veel verklaren, maar toch blijven vele intrigerende vragen nog onbeantwoord. Recent verscheen het boek Het buigzame brein van Emilie Cardon, waarin zij via verschillende voorbeelden van hersenplasticiteit zowel de positieve kanten als de keerzijde van de medaille belicht. We willen met dit artikel graag mee een licht schijnen op wat we reeds weten over hersenplasticiteit, alsook een blik werpen op de toekomst van dit onderzoeksdomein.

Een sprekend voorbeeld van plasticiteit op volwassen leeftijd is het leren lezen van braille bij blinden en slechtzienden

De Poolse neurowetenschapper Jerzey Konorski beschreef plasticiteit voor het eerst in 1948 als het fenomeen waarbij de hersenen zich structureel en functioneel aanpassen aan nieuwe ervaringen, nieuwe omgevingen, maar ook als reactie op letsels. Je zou dus kunnen zeggen dat onze hersenen over een aanpassingsvermogen beschikken, maar hoe kan dit eigenlijk? Wel, onze hersenen bestaan uit miljarden hersencellen, zoals neuronen en gliacellen, die met elkaar kunnen communiceren. Dit overleg is nodig om bijvoorbeeld prikkels uit onze omgeving te kunnen verwerken, en gebeurt doordat hersencellen in contact staan met elkaar door middel van synapsen. Wanneer onze hersenen zich aanpassen kan dit structureel zijn, door bijvoorbeeld meer synapsen aan te maken tussen cellen, door een nieuwe verbinding te maken tussen twee cellen die nog niet eerder communiceerden, of zelfs door nieuwe cellen aan te maken. De aanpassing kan evengoed puur functioneel zijn, waarbij er niets verandert aan de componenten van het celnetwerk maar wel aan de sterkte van de boodschap die ze aan elkaar doorgeven. Deze kneedbaarheid, of hersenplasticiteit, stelt je in staat om levenslang te leren en jezelf aan te passen aan jouw omgeving. Een tot de verbeelding sprekend voorbeeld is de vergrote hippocampus in de hersenen van Londense taxichauffeurs, zoals aangetoond door Eleonor Maguire en collega’s. De hippocampus is betrokken bij ruimtelijk geheugen en navigatie en is specifiek vergroot bij taxichauffeurs, maar niet bij buschauffeurs. Dit is een rechtstreekse weerspiegeling van de betere spatiale kennis van alle straten in Londen bij taxichauffeurs dan bij buschauffeurs, die telkens dezelfde vaste route afleggen en dus met een kleinere, veel minder gedetailleerde spatiale map in hun hippocampus kunnen functioneren.

De dag dat je geboren wordt start de aanpassing van je hersenen aan je omgeving en individuele noden voor de ontwikkeling van primaire functies, zoals horen, gezichtsherkenning, taalvaardigheid, het leggen van sociale contacten, en impulscontrole tijdens de adolescentie. Deze vaardigheden worden afgestemd tijdens meerdere kritische tijdsvensters waarin je hersenen meer plastisch zijn. Het is dan ook belangrijk dat tijdens elke kritische periode een juiste set van stimuli wordt aangeboden om de hersenen op de juiste manier te kneden. Denk bijvoorbeeld aan wolfskinderen die amper taal ontwikkelen, maar evengoed aan hoe jonge kinderen meerdere talen tegelijk en zonder accent kunnen aanleren, wat een veel grotere uitdaging is voor een volwassene. Een ander duidelijk voorbeeld is de timing van een cochleair implantaat als therapie voor een doof geboren kind. Het succes blijkt het grootst tot de leeftijd van drie jaar. Na die leeftijd blijkt het veel moeilijker de hersenen nog accuraat te trainen om de auditieve input even efficiënt te verwerken. Het kind zal niet even goed kunnen horen als zijn leeftijdsgenoten. Het kritische tijdsvenster voor de goede ontwikkeling van het auditieve deel van het brein werd gemist.

Tot 1970 werd aangenomen dat de hersenen eens volwassen niet meer veranderden qua structuur en functie. Intussen is duidelijk dat een bepaalde hoeveelheid plasticiteit ook nog mogelijk is in het volwassen brein, al neemt de capaciteit wel duidelijk af met een toenemende leeftijd, hoogstwaarschijnlijk opdat complexe aangeleerde vaardigheden zorgvuldig kunnen bewaard blijven. Een sprekend voorbeeld van plasticiteit op volwassen leeftijd is het leren lezen van braille bij blinden en slechtzienden. Bij deze groep mensen is er beperkte tot geen input meer naar de gebieden van de hersenen waar visuele informatie verwerkt wordt. Wanneer de hersenactiviteit van deze patiënten wordt gevolgd in een functionele MRI-scanner, dan zien we dat tijdens het lezen van braille, en dus bij puur tactiele stimulatie, er toch activiteit is in die visuele regio. Dit zou het effect kunnen zijn van visuele inbeelding, zoals tijdens het lezen van een boek, maar wanneer magnetische stimulatie langs de schedel wordt gebruikt om de hersencellen van de visuele regio te stimuleren, dan voelen deze patiënten tintelingen in hun vingers. De plasticiteit van de hersenen zorgt er dus voor dat de ooit visuele gebieden actief betrokken worden bij het verwerken en interpreteren van de tastinformatie afkomstig van het braille lezen.

De aangehaalde voorbeelden illustreren duidelijk dat hersenplasticiteit zowel positieve als negatieve effecten kan hebben. Positieve neuroplasticiteit draagt bij tot herstel na een hersenletsel, waarbij andere hersengebieden de functies van het aangetaste gedeelte overnemen of compenseren met dus een positieve uitkomst qua functionele mogelijkheden en levenskwaliteit. Dit komt niet alleen voor na het verlies van een zintuig, zoals in ons voorbeeld van braille lezen, maar ook na een traumatisch hersenletsel of beroerte. Hier zorgt plasticiteit ervoor dat de patiënt terug kan leren spreken of wandelen tijdens zijn revalidatie. Een andere vorm van positieve plasticiteit draagt bij tot het aanleren van nieuwe vaardigheden, en hierdoor kunnen we dus levenslang leren. Denk bijvoorbeeld terug aan de afdruk van het stratenplan in de hippocampus bij de Londense taxichauffeurs, of het aanleren van een nieuwe taal of muziekinstrument. Negatieve plasticiteit leidt daarentegen tot ongewenste effecten. Een welbekend voorbeeld hiervan is tinnitus, waarbij mensen prikkels waarnemen die er in realiteit niet zijn, zoals een pieptoon, ruis of gezoem. De haarcellen in het oor raken typisch beschadigd door geluidsoverlast en bijgevolg bereiken minder prikkels het brein. Het brein zal hierop reageren en de situatie proberen te herstellen maar creëert daardoor valse sensaties. Een ander voorbeeld is fantoompijn waarbij na de amputatie van een arm, oog, of zelfs een tand er een brandende, stekende of prikkende pijn ontstaat gelinkt aan het verloren lichaamsdeel. De exacte oorzaak-gevolg relatie in het brein is nog altijd een mysterie. De hersenen reorganiseren zich, waarbij de ruimte van het geamputeerde lichaamsdeel wordt overgenomen door een ander lichaamsdeel. Deze reorganisatie kan echter leiden tot verwarrende communicatie en zodoende leiden tot een fantoomgevoel wanneer het nieuwe lichaamsdeel moet worden aangestuurd. Anderzijds kunnen de hersenen trachten te compenseren voor dit verlies aan input, door valse sensaties te creëren, net zoals bij tinnitus. Verder onderzoek zal moeten uitwijzen wat er precies gebeurt en op welke manier we deze patiënten kunnen helpen. De spiegeltherapie, ontwikkeld door Vilayanur Ramachandran, waarbij de patiënt de visuele illusie van twee intacte ledematen heeft, is een intrigerende bevinding die pijnverzachtend werkt bij patiënten die hun fantoomledemaat in een verkrampte positie voelen.

Training kan een onnoemelijk belangrijke rol spelen om bestaande hersenverbindingen sterker te maken

Ondanks het belang en de ongelooflijke impact van plasticiteit op hersenontwikkeling en herstel, is dit proces moeilijk te bestuderen bij mensen. We zijn veelal beperkt tot het documenteren van wat er gebeurt in geval van zintuigverlies of hersenschade, maar deze observaties kunnen geen antwoord geven op vragen zoals waarom sommige mensen beter herstellen van een beroerte, welke therapieën we kunnen ontwikkelen en hoe we periodes van hoge hersenplasticiteit kunnen openhouden of herstarten. Zelfs de meest recente vooruitgangen met artificiële intelligentie en computergestuurde simulaties kunnen de complexiteit van onze hersenen niet nabootsen. Om deze vragen te beantwoorden moeten we niet alleen op hersenniveau kijken naar wat er gebeurt, maar ook op cellulair en moleculair niveau. Welke proteïnen zijn er betrokken tijdens deze processen, welke signalen worden er gecommuniceerd tussen de hersencellen, welke celtypes nemen hierin de leiding? Deze meer gedetailleerde informatie is noodzakelijk om gericht plasticiteit te kunnen aansturen, bijvoorbeeld met behulp van een medicijn dat inwerkt op slechts één signaalweg van één type hersencel, zodat we minimaal invasieve therapieën kunnen ontwikkelen, zonder ook andere hersendelen of functies negatief te beïnvloeden en zo de bijwerkingen van deze therapieën te limiteren. Om dit doel te bereiken onderzoeken we plasticiteit vooral met proefdieren. Zo werd de impact van training bijvoorbeeld in kaart gebracht in doodshoofdaapjes in 1990. Na een intensieve fysieke training waarbij de aapjes complexe bewegingen met de handen en vingers werden aangeleerd, werd schade toegebracht in het hersengebied verantwoordelijk voor arm- en vingerbewegingen door er lokaal de bloedtoevoer te verstoren. Vijf dagen later startte de training opnieuw en na drie tot vier weken deden de aapjes het weer even goed als voorheen. Hierna observeerden de wetenschappers dat er een verschuiving had plaatsgevonden in de hersenen: de pols en de vingers werden nu aangestuurd door een naastliggend hersengebied, dat voordien enkel de elleboog en de schouder bestuurde. Vervolgonderzoek kon echter aantonen dat wanneer de revalidatieperiode geen fysieke training omvatte, de aapjes nog steeds volledig herstelden maar wel in een langere herstelperiode van acht weken, en met een andere reorganisatie in de hersenen. Dit wijst op een complexe interactie tussen wat de hersenen spontaan kunnen qua compensatie en hersenplasticiteit in de context van training. Training kan wel degelijk een onnoemelijk belangrijke rol spelen om bestaande hersenverbindingen sterker te maken en zo functioneel herstel te bevorderen en te versnellen. Denk hierbij bijvoorbeeld aan de behandeling van amblyopie of een lui oog bij jonge kinderen, waarbij het dominante, sterke oog dagelijks kort wordt afgedekt met een ooglapje om het gebruik van het luie oog met behulp van een bril te stimuleren en het zo terug een stem te geven in de visuele hersenregio via versterking van zijn connecties. Training kan ook de resterende zintuigen sterker maken. Denk maar aan het leren lezen van braille of het gebruiken van gebarentaal. Deze therapieën zijn mogelijks dan wel weer nadelig wanneer we een implantaat willen integreren dat voor het verloren zintuig compenseert en dus moet communiceren met de reeds veranderde hersenen. Dit verklaart waarom bij doven een cochleair implantaat op latere leeftijd dikwijls niet zo succesvol is, of ook wanneer er te veel tijd verloopt tussen de opgelopen schade en de plaatsing van het implantaat of zelfs een gehoorapparaat. Eens de auditieve hersendelen niet meer luisteren naar auditieve stimuli, maar naar andere prikkels, wordt het moeilijk om gehoor alsnog te herintroduceren.

Zoals we eerder aanhaalden, is het gebruiken van proefdieren ook essentieel om de complexe moleculaire en cellulaire mechanismen te ontrafelen die onderliggend zijn aan de verschillende types hersenplasticiteit. Nobelprijswinnaar Eric Kandel demonstreerde met verve dat eenvoudigere organismen soms cruciale informatie kunnen aanleveren over de communicatie tussen hersencellen ter hoogte van een synaps. Voor zijn baanbrekend onderzoek in de jaren 70 gebruikte hij de zeeslak als proefdiermodel, om het mysterie van synapscommunicatie en de nodige signaalmoleculen omtrent leren en geheugen te ontrafelen. Dit bleek later volgens analoge principes te werken in zoogdieren, maar was veel eenvoudiger te bestuderen in de zeeslak door zijn minder complexe brein dat bestaat uit ongewoon grote neuronen en dikke uitlopers.

In het huidige onderzoeksveld kunnen we hiervoor ook kijken naar proefdieren zoals C. elegans of het glasaaltje, omwille van de beschikbaarheid van een volledige atlas van alle 302 cellen en hun connecties van zijn zenuwstelsel, de octopus met zijn indrukwekkende, haast buitenaardse brein dat zich deels in zijn tentakels bevindt, of de Afrikaanse turquoise killivis omwille van zijn snelle veroudering. De killivis heeft de opmerkelijke capaciteit om te regenereren op jonge leeftijd, maar heeft tegelijkertijd een erg korte levenscyclus met vertoon van zowat alle typische verouderingskenmerken zoals we die zien bij de mens. Denk maar aan een gekromde rug, algemene spierverzwakking, kleurverlies, maar ook neurodegeneratie en cognitief verlies. In slechts vier tot zes maand zijn ze op oudere leeftijd, wat ons toelaat om het effect van leeftijd op neuroplasticiteit, maar ook ouderdomsgerelateerde hersenaandoeningen te bestuderen. Onderzoek op basis van traumatisch hersenletsel toont inderdaad aan dat in de killivis plasticiteit en het daarbij horende vermogen tot herstel van hersenschade afneemt met toenemende leeftijd. Waarom hersenplasticiteit afneemt bij veroudering blijft een van de belangrijke vragen in het domein van neurowetenschappelijk onderzoek. Het antwoord op deze vraag zal zeker ook helpen om neurodegeneratieve aandoeningen zoals de ziektes van Alzheimer, Parkinson en zelfs ALS te behandelen of minstens af te remmen. Wat gaat er precies mis? Welke moleculaire en/of cellulaire processen brengen dit teweeg? En hoe kunnen we deze gericht beïnvloeden als efficiënte therapie? Hopelijk vinden we snel antwoorden op deze vragen, om de kans op herstel te verhogen bij patiënten met een hersenletsel van alle leeftijden. Onderzoek naar hersenplasticiteit vormt de sleutel om onnoemelijk veel mensen te helpen, niet om langer te leven, maar om langer gezond te leven en een betere levenskwaliteit te garanderen.

Emilie Cardon, Het buigzame brein: De wetenschap achter neuroplasticiteit. (Gent: Academia Press, 2024).

Lutgarde Arckens is gewoon hoogleraar aan KU Leuven en hoofd van het labo voor neuroplasticiteit en neuroproteomics. Ze heeft meer dan 20 jaar ervaring in het veld van neuroplasticiteit.

Sara Gilissen is postdoctoraal onderzoeker in haar labo en onderzoekt de impact van adolescentie en sociale isolatie op hersenplasticiteit in de muis.

Valerie Mariën zit in de laatste fase van haar doctoraatswerk onder begeleiding van prof. dr. Arckens, waarbij ze onderzoekt hoe nieuwe neuronen worden geboren en verbindingen leggen om zo relevant gedrag aan te sturen in de Afrikaans turquoise killivis.