De functionele karakterisatie van corticale plasticiteit in de visuele cortex van de volwassen muis

Neuroplasticiteit is de capaciteit van de hersenen van zoogdieren om zich structureel en functioneel aan te passen aan veranderingen in de omgeving. Het stelt de hersenen in staat om te ontwikkelen, te leren en te onthouden, en om zich te herstellen na een letsel aan het centrale of perifere zenuwstelsel. Dit maakt dat gedeeltelijk of volledig verlies van een zintuig kan gecompenseerd worden door de gespaarde gedeeltes van het getroffen zintuig (unimodale plasticiteit) of door andere onaangetaste zintuigen (cross-modale plasticiteit). In jonge dieren werden deze processen in de laatste decennia reeds intensief onderzocht in de context van blindheid of het verlies van zicht op jonge leeftijd. Onze onderzoeksgroep heeft daarentegen, gedurende de laatste jaren, bewijs verzameld dat muizen ook op volwassen leeftijd, na het chirurgisch induceren van onherstelbaar zichtverlies aan één oog (monoculaire enucleatie, ME), in staat zijn om hun aangetaste visuele cortex te reactiveren. Deze reactivatie vervolledigt zich in een tijdsspanne van zeven weken en wordt gedreven door uni- en cross-modale plasticiteitsmechanismen op een tijdsafhankelijke manier.

Tot op heden is de kennis over corticale plasticiteit in de visuele cortex van volwassen ME muizen voornamelijk gebaseerd op in situ hybridisatie (ISH) data voor de neuronale activiteitsmerker zif268 en specifiek gefocust op één bepaald anterior-posterior niveau in de visuele cortex. In een eerste doelstelling in deze eindverhandeling beslisten we om een software tool te ontwikkelen waarmee we de beschikbare kennis konden uitbreiden naar de gehele visuele cortex en dit met een hoge resolutie. De tool werd ontworpen om bovenaanzichten te genereren van reeksen van hersencoupes met moleculaire data. Door het specifiek bovenaanzicht voor elk dier te matchen met een globale referentie map, die we creëerden op basis van alle dieren die opgenomen waren in deze studie, konden we de bovenaanzichten van verschillende condities met elkaar kwantitatief vergelijken door gebruik te maken van een aanpaste randomiseringstest met pseudo-t statistieken. Ter validatie pasten we deze nieuwe techniek toe op ISH data voor de neuronale activiteitsmerker zif268 van zowel controle- als ME muizen met een overlevingstijd van 3 dagen, 1, 5 en 7 weken. Via deze methode waren we in staat om drie, eerder onbekende, corticale regio’s te identificeren en te beschrijven die een afwijkend herstelpatroon vertoonden. Aangezien de bovenaanzichten enkel de visuele input van het gespaarde oog representeren vroeg na ME, kon daarenboven een masker van 11 visuele gebieden afgeleid worden op basis van de retinotopie. Dit masker stelde ons in staat om een regio met hoog potentieel voor cross-modale plasticiteit te identificeren als het hogere order visueel gebied AM. Aanvullend vergeleken we onze areale map met een zeer recent gepubliceerd masker en waren we in staat om relevante aanpassingen te suggereren om zo het meest up-to-date areale masker met hoge betrouwbaarheid in ruimtelijke context te creëren, dat nu 13 corticale visuele gebieden vervat.

In een tweede objectief, dat complementair is aan lopend moleculair en cellulair onderzoek, onderzochten we de fysiologische implicaties van ME in volwassen (P120) muizen na een herstelperiode van zeven weken op de visuele en tactiele eigenschappen in het visuele gebied AM. Hiervoor maakten we gebruik van extracellulaire multi-elektrode elektrofysiologie. We toonden aan dat in de bovenste lagen I-IV van het AM gebied de visuele performantie steeg door een versnelde en transitieve visuele respons en een verhoging in spatiale gezichtsscherpte. De onderste lagen V-VI bleken minder sterk te verbeteren op visueel vlak, aangezien er wel een verhoging in spatiale gezichtsscherpte werd waargenomen, maar ook een daling in temporale resolutie en contrastgevoeligheid. De responsiviteit op snorhaarstimulatie steeg na ME daarentegen wel in deze onderste lagen van het AM gebied doordat neuronen in dit gebied sterker onderdrukt of geactiveerd werden in vergelijking met neuronen van controledieren. Door de respons of snorhaarstimulatie ruimtelijk uit te zetten in het AM gebied, werd het duidelijk dat deze responsen samen clusteren en een gradiënt van modulatie vormen doorheen het gebied. Na het topografisch projecteren van de snorhaarrespons naar het visuele veld konden we aantonen dat het bovenste en onderste deel van het perifere visueel veld deze snorhaarinformatie verschillend verwerken. Na ME veranderde dit verschil in specialisatie van een verticale oriëntatie naar een eerder nasaal-temporaal georiënteerde interpretatie van de respons.

Als derde onderzoekstopic focusten we op de fysiologische implicaties van de reeds eerder gepubliceerde ontwikkelingsgerelateerde veranderingen aan de morfologie van de dendrieten van neuronen in laag V van de primaire visuele cortex bij matrix metalloproteinase 3 (MMP3) deficiënte muizen. In het algemeen reguleren MMPs modificaties aan de extracellulaire matrix met betrekking tot axonale en dendritische uitgroei en de vorming en stabilisatie van synapsen. Door opnieuw gebruik te maken van extracellulaire multi-array electrofysiologie konden we aantonen dat MMP3 deficiënte muizen een ipsilateraal gedomineerde en contralateraal vertraagde visuele input vertoonden in de lagen II/III en IV. Anderzijds was de neuronale output contralateraal gedomineerd in lagen II-V. Dit toont een verstoorde ipsi-contralaterale input/output balans aan, die mogelijks veroorzaakt wordt door atypische overkruising van connecties door het gebrek aan MMP3. De gevolgen voor de eigenschappen van de visuele respons vervatten een verstoorde temporale frequentie specificiteit en een verhoogde binoculaire contrastgevoeligheid. Spatiale en temporale resolutie bleken onveranderd.

Concluderend stellen we dat deze eindverhandeling de beschikbare kennis omtrent de functionele implicaties van corticale plasticiteitsprocessen ten gevolge van verlies van zicht of afwijkende corticale neuronale morfologie heeft uitgebreid. Onze bevindingen openen mogelijkheden voor nieuw diepgaand onderzoek omtrent de multisensorische interacties die optreden tussen de verschillende zintuigen na het verlies van een van deze zintuigen. We zien ook opportuniteiten in het vergroten van inzicht in de gedragsmatige uitkomst van zulke plasticiteitsprocessen. Alles omvattend zal deze kennis leiden tot het verbeteren van de integratie van bionische implantaten bij patiënten tijdens de behandeling van blindheid of doofheid.