Hoe een bijzonder hersennetwerk ons gepast doet reageren bij gevaar

Bijzonder hersennetwerk verantwoordelijk voor "fight-or-flight" instinct

31 augustus 2023

Als er gevaar loert zullen wij net als alle andere dieren ofwel weg vluchten, ofwel alles in de strijd gooien om onszelf te verdedigen. Deze “fight-or-flight” reactie is instinctief en dus biologisch ingebakken, maar wordt niet alleen ingegeven door de dreiging die voor onze ogen opduikt. Heel wat andere informatie—over onszelf en onze omgeving—zal meebepalen hoe we instinctmatig reageren op gevaar. Die flexibiliteit hebben we te danken aan een bijzonder hersennetwerk, ontdekten Leuvense onderzoekers.

Instinctief maar toch op maat

Alle dieren vertonen instinctief gedrag. Wanneer er gevaar dreigt, verstijven we van angst of proberen te ontsnappen. Maar het is niet omdat dit gedrag instinctief is, dat het niet flexibel kan zijn, zegt prof. Karl Farrow (verbonden aan VIB, imec en KU Leuven).

"We weten dat de reactie van een dier op een externe bedreiging beïnvloed wordt door hoe het zich voelt—heeft het dier honger of pijn? Is de kroost in gevaar?—maar ook van omgevingsfactoren—is er bijvoorbeeld een schuilplaats in de buurt? Maar hoe al deze informatie in de hersenen wordt verwerkt om tot een aangepaste instinctieve reactie te komen, is nog onduidelijk."

Aan het Leuvense onderzoeksinstituut Neuro-Electronics Research Flanders (NERF) leidt Farrow een team van wetenschappers die de communicatielijnen in de hersenen in kaart brengen die onze waarnemingen verbinden met hoe we reageren. Ze richten zich daarbij vooral op de ‘superieure colliculus’, een klein maar belangrijk gebied in ons brein.

Een centraal schakelstation

De superieure colliculus speelt een centrale rol bij de verwerking van visuele informatie en het aansturen van instinctief gedrag, legt postdoctoraal onderzoeker Norma Kühn uit: “Naast input van het netvlies ontvangt de superieure colliculus ook signalen van een groot aantal andere hersengebieden, die informatie bieden over onder andere de omgeving, maar ook de eigen toestand.”

Al deze informatie is nodig om de reactie van een dier aan te passen wanneer eenzelfde gevaar opnieuw zou opduiken. Het lijkt erop dat deze communicatielijnen doorheen de evolutie bewaard zijn gebleven.

Kühn: "Bepaalde visuele signalen, zoals snel uitdijende vlekken, roepen steeds opnieuw defensieve reacties op bij heel wat verschillende diersoorten, van vliegen tot vissen, knaagdieren en primaten."

Het team wilde weten hoe hersennetwerken toch in staat zijn om flexibele reacties uit te lokken. Om het antwoord te vinden richtten ze zich op een specifieke groep zenuwcellen in de superieure colliculus van de muis.

Karl Farrow, Chen Li, Norma Kühn, en Katja Reinhard

Verschillende informatiebronnen

Het eerste wat het team deed was onderzoeken welke zenuwcellen welke connecties maakten. Die experimenten onthulden een eerste duidelijke specialisatie, aldus Chen Li, die onlangs haar doctoraatsonderzoek in het labo van Farrow afrondde:

"We wisten al dat deze specifieke groep zenuwcellen signalen stuurt naar twee andere hersengebieden, maar we ontdekten dat afhankelijk van het doelwit, de zenuwcellen ook effectief twee anatomisch en functioneel gescheiden populaties vormen in de superieure colliculus."

Hoewel beide groepen zenuwcellen vergelijkbare visuele informatie doorgeven, ontvangen ze verschillende input van andere regio’s in het brein.

"We ontdekten dat meer dan 50 hersengebieden die allemaal informatie doorgeven aan de superieure colliculus dit doen met een duidelijke voorkeur voor één van deze twee populaties zenuwellen," zegt Li. "Terwijl de ene groep signalen ontvangt van motor-gerelateerde hersengebieden, ontvangen de zenuwcellen in de andere groep meer signalen van hersengebieden die geassocieerd zijn met cognitieve functies."

Een bijzonder netwerk

De resultaten suggereren dat informatie over de eigen positie en beweging sterker doorweegt bij vluchtreacties, terwijl kennis over de omgeving en onze herinneringen een grotere invloed zouden kunnen hebben op reacties van verstijving.

Beide groepen zenuwcellen ontvangen dus wel dezelfde input van het netvlies. Dat wijst erop dat de visuele waarneming van een bepaalde bedreiging geen van beide signalisatie routes bevoordeelt ten opzichte van de andere, maar dat de balans tussen beide wordt bepaald door informatie uit andere hersengebieden, die context geeft over onze activiteit, interne toestand of omgeving.

In een experiment waren de onderzoekers in staat om de balans tussen verstijvings- en vluchtgedrag bij muizen om te keren door de activiteit van de juiste groep van zenuwcellen te gaan afremmen of juist stimuleren.

"Die voorkeursbehandeling van informatie vanuit verschillende hersengebieden door bepaalde groepen van zenuwcellen zorgt voor een bijzonder informatiecircuit in de superieure colliculus," zegt Katja Reinhard, een voormalig postdoctoraal onderzoeker in het labo van Farrow.

Nadat ze het huidige onderzoeksproject mee aanstuurde in Leuven startte Reinhard onlangs haar eigen onderzoeksgroep op aan het SISSA-instituut in Triëste, Italië. Daar zet ze haar zoektocht voort naar hoe onze hersenen informatie over de omgeving integreren om gedrag te sturen.

"De combinatie van enerzijds specifieke instroom van informatie uit verschillende hersenregio’s en anderzijds twee verschillende uitstromen van signalisatie zorgt ervoor dat onze instincten toch flexibel zijn. Zo kunnen we op de meest effectieve manier reageren op gevaar in verschillende omstandigheden."