De afgelopen decennia heeft de neurowetenschap een aantal verbluffende vorderingen gemaakt, en toch blijft een cruciaal deel van de hersenen een mysterie. Ik heb het over het cerebellum, zo genoemd naar het Latijn voor ‘kleine hersenen’, dat zich als een knotje aan de achterkant van de hersenen bevindt. Dit is geen kleine vergissing: het cerebellum bevat driekwart van alle neuronen van de hersenen, die in een bijna kristallijne opstelling zijn georganiseerd, in tegenstelling tot het wirwar van neuronen dat je elders aantreft.

Encyclopedie artikelen en studieboeken onderstrepen het feit dat het de functie van het cerebellum is om de lichaamsbeweging te controleren. Er bestaat geen twijfel over dat het cerebellum deze functie heeft. Maar wetenschappers vermoeden nu dat deze al lang bestaande visie kortzichtig is.

Dat leerde ik tenminste in november in Washington, DC, tijdens het bijwonen van de Society for Neuroscience annual meeting, de grootste bijeenkomst van neurowetenschappers ter wereld. Daar organiseerden een paar neurowetenschappers een symposium over nieuw ontdekte functies van het cerebellum die geen verband houden met motorische controle. Nieuwe experimentele technieken laten zien dat het cerebellum niet alleen beweging controleert, maar ook complex gedrag, sociale interacties, agressie, werkgeheugen, leren, emoties en meer reguleert.

Een barst in dominante wijsheid

Het verband tussen het cerebellum en beweging is al sinds de 19e eeuw bekend. Patiënten met trauma aan het hersengebied hadden duidelijke problemen met evenwicht en beweging, waardoor er geen twijfel over bestond dat dit van cruciaal belang was voor de coördinatie van beweging. In de loop van de decennia hebben neurowetenschappers een gedetailleerd inzicht ontwikkeld in de manier waarop de unieke neurale circuits van het cerebellum de motorische functie controleren. De verklaring van hoe het cerebellum werkte leek waterdicht.

Vervolgens, in 1998, in het tijdschrift Hersenen, melden neurologen uiteenlopende emotionele en cognitieve beperkingen bij patiënten met schade aan het cerebellum. In 1991 was bijvoorbeeld een 22-jarige studente gevallen tijdens het schaatsen; een CT-scan onthulde een tumor in haar kleine hersenen. Nadat het operatief was verwijderd, was ze een heel ander persoon. De slimme studente was haar vermogen kwijtgeraakt om vaardig te schrijven, hoofdrekenen te doen, gewone voorwerpen te benoemen of een eenvoudig diagram te kopiëren. Haar humeur werd vlakker. Ze verstopte zich onder dekens en gedroeg zich ongepast: ze kleedde zich uit in de gangen en sprak in babypraat. Haar sociale interacties, waaronder het herkennen van bekende gezichten, waren ook verstoord.

Deze en soortgelijke gevallen brachten de auteurs in verwarring. Er werd aangenomen dat deze cognitieve en emotionele functies op hoog niveau zich in de hersenschors en het limbisch systeem bevinden. "Wat die rol van het cerebellum precies is, en hoe het cerebellum deze vervult, moet nog worden vastgesteld", concludeerden ze.

Ondanks deze aanwijzingen uit klinische onderzoeken dat de conventionele wijsheid op het verkeerde spoor zat, bleven vooraanstaande autoriteiten volhouden dat de functie van het cerebellum het controleren van bewegingen was en niets anders. “Het is een beetje triest omdat het twintig jaar geleden is dat deze gevallen werden gemeld”, zei hij Diasynou Fioravante, een neurofysioloog aan de Universiteit van Californië, Davis, die het conferentiesymposium mede-organiseerde.

Andere neurologen hebben de hele tijd neuropsychiatrische tekorten bij hun patiënten opgemerkt, zei de neurowetenschapper Stephanie Rudolf van het Albert Einstein College of Medicine, dat het symposium samen met Fioravante organiseerde. Er was echter geen hard anatomisch bewijs voor hoe het unieke neurale circuit van het cerebellum mogelijk de gerapporteerde psychologische en emotionele functies zou kunnen reguleren, dus werden de klinische rapporten over het hoofd gezien.

Nu bewijst een beter begrip van de circuits van het cerebellum dat deze casestudies juist zijn en dat de dominante wijsheid ongelijk heeft.

Precisie bedrading

De bedradingspatroon in het cerebellum is nauwkeurig georganiseerd en gecomprimeerd om driekwart van de neuronen in de hersenen te concentreren in een lob van 4 cm. Het belangrijkste type neuron in het cerebellum, de Purkinjecel genaamd, is breed vertakt als een waaierkoraal, maar toch afgeplat en bijna tweedimensionaal. De bladen van de ventilator zijn de dendrieten van het neuron, die binnenkomende signalen ontvangen. Deze platte neuronen zijn parallel gerangschikt, alsof miljoenen waaierkoralen in een strakke bundel op elkaar zijn gestapeld. Duizenden kleine neuronen sturen axonen – de transmissiekabels van de hersenen voor elektrische impulsen – loodrecht door de stapel dendrieten, als draden in een weefgetouw. Elke axon is verbonden met de dendrieten van tienduizenden Purkinjecellen.

Dit niveau van interconnectiviteit geeft de 50 miljard neuronen van het cerebellum een ​​verbazingwekkend vermogen tot integratie. Dit circuit, uniek voor het cerebellum, kan enorme hoeveelheden binnenkomende gegevens van de zintuigen verwerken om de lichaamsbeweging te reguleren. De vloeiende beweging van een ballerina die over het podium springt, vereist dat het cerebellum snel informatie van alle zintuigen verwerkt, terwijl het de veranderende posities van de ledematen volgt, het evenwicht handhaaft en de ruimte in kaart brengt waar het lichaam doorheen beweegt. Het cerebellum gebruikt die dynamische informatie om de spieren met een precieze timing aan te sturen, en wel in de juiste sociale context, gedreven door emotie en motivatie.

Fioravante en Rudolph vertelden me dat neurowetenschappers nu beseffen dat de krachtige neurale circuits in het cerebellum, die informatie voor lichaamsbeweging integreren, het ook in staat stellen om complexe mentale processen en gedragingen aan te kunnen.

‘Op dit moment bijvoorbeeld,’ legde Rudolph uit toen we spraken voordat het symposium begon, ‘stel jij vragen en geven wij antwoorden. Dat is complex gedrag.” Ze moest mijn toespraak begrijpen, een antwoord formuleren en vervolgens spieren gebruiken om woorden te produceren. Ze moest ook mijn lichaamstaal en andere subtiele signalen opnemen. “Je knikt nu bijvoorbeeld, dus ik kan hieruit concluderen dat je luistert en geïnteresseerd bent”, zei ze.

Ik had de complexiteit van de motorische controle die nodig is voor spraak voorheen niet volledig onderkend. De lichamelijkheid omvat niet alleen de ingewikkelde gymnastiek van tong en lippen – om geluid te produceren en de toonhoogte en het volume aan te passen – maar ook gebaren. Onze woorden zijn zo getimed dat we niet over de ander heen praten, en ze zijn afgestemd op de sociale context: doordrenkt met de juiste emotie en gedreven door motivatie, gedachten, anticipatie en stemming.

Voor het coördineren van deze diverse functies is het nodig om gebruik te maken van bijna alles wat de hersenen doen: van de regulering van de hartslag en bloeddruk, uitgevoerd in diepe hersengebieden, tot de verwerking van sensorische en emotionele informatie, uitgevoerd door het limbisch systeem. Het vereist ook dat je je bezighoudt met cognitieve functies op het hoogste niveau, zoals begrip, remming en besluitvorming in de prefrontale hersenschors.

Om dat te kunnen doen, zou het cerebellum verbindingen moeten hebben die de hele hersenen omspannen. Tot nu toe ontbrak het bewijs daarvoor, maar nieuwe technieken leggen deze routes bloot.

Een hub van sensorische input

Nog maar tientallen jaren geleden, toen neuroanatomen de hersenen in kaart brachten, konden ze geen directe verbindingen vinden tussen het cerebellum en hersengebieden die emoties en cognitie controleren, zoals het limbisch systeem en de prefrontale cortex. Dat bracht hen ertoe te geloven dat het cerebellum enigszins geïsoleerd was en niet betrokken was bij deze hogere cognitieve functies. Maar net zoals bandieten een tracker kunnen ontwijken door van voertuig te wisselen, kunnen neurale signalen van het ene neuron naar het andere springen. Deze undercoveractie bracht neuroanatomen van het spoor van het cerebellum.

Nieuwe methoden hebben neuroanatomen in staat gesteld om die routes vanuit het cerebellum over relaispunten te volgen en ze door het hele brein te volgen. Onderzoekers kunnen bijvoorbeeld rabiësvirussen in neuronen planten om precies te zien met welke andere neuronen ze in contact komen. Ze hebben fluorescerende eiwitten genetisch gemanipuleerd om te flitsen wanneer een neurale impuls wordt afgevuurd, zodat ze de verkeersstroom in neurale circuits kunnen zien. Ze kunnen ook voetafdrukken volgen die zijn achtergelaten door neuronaal verkeer: het verschijnen van eiwitten die worden geproduceerd wanneer een neuron vuurt, kan helpen bij het identificeren van alle cellen die communiceren in een neuraal netwerk wanneer een specifiek gedrag wordt uitgevoerd.

Op het symposium deelden onderzoekers een reeks fascinerende nieuwe bevindingen, onthuld door deze nieuwe methoden, die hun evoluerende begrip van het cerebellum aantonen.

Jessica Verpeut van de Arizona State University rapporteerden gegevens die het ingewikkelde en uitgebreide netwerk van cerebellaire verbindingen beschrijven die in de hersenen van muizen worden geactiveerd wanneer ze socialiseren of leren omgaan met een doolhof.

Rudolph deelde experimenten die aantoonden dat moederlijk gedrag, bestudeerd bij vrouwelijke muizen die voor hun pups zorgden, werd beïnvloed door hormonen die inwerken op het cerebellum, vooral het hormoon oxytocine, dat de binding van de moeder bevordert. Toen dit mechanisme experimenteel werd verstoord, zorgde de moeder niet langer voor haar pups.

Yi Mei Yang van de Universiteit van Minnesota toonde aan dat wanneer ze bepaalde cerebellaire neuronen verstoorde, muizen hun interesse verloren in het omgaan met onbekende muizen die in hun kooi werden geïntroduceerd. Ze hadden echter geen problemen met de interactie met en het onthouden van nieuwe, levenloze objecten. Dit duidde op een tekort in het complexe geheugen voor sociale herkenning, vergelijkbaar met wat autistische mensen ervaren.

In feite is het cerebellum vaak kleiner bij autistische mensen Alexander Badura van het Erasmus Universitair Medisch Centrum in Rotterdam presenteerde nieuwe gegevens die suggereren dat het cerebellum betrokken is bij autisme omdat het een knooppunt is van sensorische input, vooral voor signalen die verband houden met sociale contexten.

Dit nieuwe onderzoek gaat verder dan muisstudies. Andreas Thieme van het Universitair Ziekenhuis Essen in Duitsland presenteerde een nieuwe klinische test die wordt gebruikt om de emotionele en cognitieve stoornissen veroorzaakt door cerebellaire schade nauwkeurig te diagnosticeren.

Deze nieuwe, baanbrekende onderzoeken tonen aan dat het cerebellum niet alleen beweging controleert, maar ook complex sociaal en emotioneel gedrag reguleert. Om deze mondiale invloed te kunnen bewerkstelligen, moet het cerebellum een ​​datacrunch-hub zijn met verbindingen door de hele hersenen. Geen wonder dat het zoveel neuronen heeft. Om dit commando en controle op hoog niveau op zichzelf te kunnen verwezenlijken, moet het in feite een klein brein zijn.