Slaapstudie bij fruitvliegjes helpt hersenontwikkeling te begrijpen

Hersenen blijven zich ontwikkelen tot zeker het 20e levensjaar. Dit complexe proces is sterk afhankelijk van slaap. Foto credit: ElisaRiva/Pixabay 

De hersenen van jonge fruitvliegjes onderdrukken de ontwikkeling van het hersengebied dat belangrijk is voor het wakker worden, melden Amerikaanse wetenschappers. Die onderdrukking is belangrijk voor de ontwikkeling van de hersenen. De wetenschappers vermoeden dat menselijke hersenen soortgelijke mechanismen gebruiken om het leervermogen van jongeren te faciliteren.

Slapen als een roos

Wetenschappers gebruikten de hersenen van de fruitvlieg Drosophila melanogaster om te onderzoeken waarom jongeren langer slapen dan volwassenen. De onderzoekers ontdekten dat een gen, genaamd PMD3, verantwoordelijk is voor het slaappatroon van jongeren: adolescente fruitvliegjes slapen meestal twee keer zo lang als volwassenen, maar toen wetenschappers het PMD3-gen uitschakelden, sliepen de jonge vliegjes evenveel als volwassenen.

Onderzoekers ontdekten dat dit gen de ontwikkeling van het hersengebied onderdrukt dat verantwoordelijk is voor slaap en wakker worden (het centrale complex). Zolang PMD3 actief is in de hersenen, ontwikkelt het centrale complex zich niet verder, waardoor de vliegen langer slapen. Ondertussen ontwikkelen de rest van de hersenen zich wel verder. Pas wanneer de vliegen volwassen zijn, wordt het PMD3-gen gedeactiveerd in de hersenen. Dan ontwikkelt het brein verbindingen in het centrale complex, wat zorgt voor meer waakzaamheid.

“Begrip is het uitgangspunt voor verbetering”

Hoe nuttig is deze studie voor mensen?

Werken met fruitvliegjes lijkt misschien een vreemde keuze, maar mensen en fruitvliegjes hebben  veel genen gemeen die ontwikkelingsprocessen regelen. De auteurs van de publicatie suggereren dat een verkeerde hersenontwikkeling slaapstoornissen kan veroorzaken. Fouten tijdens de ontwikkeling van de hersengebieden verantwoordelijk voor slaap, zouden dus een oorzaak van slaapproblemen kunnen zijn. Begrip is het uitgangspunt van verbetering: wanneer wetenschappers de oorzaak van slaap slaapstoornissen begrijpen, kunnen ze op zoek gaan naar een preventie. Zo heeft een onderzoek naar fruitvliegen een toepassing in de menselijke gezondheid.

Waarom slaap zo belangrijk is voor jongeren

Slaapgebrek brengt gezondheidsrisico’s, zoals een verhoogde bloeddruk, gewichtstoename en depressie met zich mee. Maar slaap is vooral belangrijk voor het ontwikkelende brein van kinderen en tieners. Te weinig slaap kan leiden tot levenslange leerproblemen en zelfs pathologische gedragsveranderingen.

Een ontwikkelend brein moet bestaande verbindingen (synapsen) aanpassen om nieuwe motorische-, taal- of andere vaardigheden te leren. Bovendien versterkt het ontwikkelende brein de verbindingen van belangrijke herinneringen, terwijl de minder belangrijke verzwakken. Zo slaan hersenen kennis op in het langetermijngeheugen. Dat gebeurt tijdens het slapen en aangezien jongeren meer nieuwe vaardigheden leren, moeten ze meer slapen.

Hoe jonger een kind, hoe meer slaap het nodig heeft. Kinderen onder de twaalf jaar hebben tot twaalf uur slaap nodig, tieners acht tot tien uur. Opvallend is dat kinderen van twaalf tot vijftien jaar vaak te laat opstaan. Ze blijven langer op en worden later wakker. Dat ritme draaien ze vaak terug voor hun twintigste levensjaar.

Het gedwongen ritme van vroeg opstaan voor school kan leiden tot een slaapstoornis, wat negatieve gevolgen heeft voor hun ontwikkeling en onderwijs. Bovendien kan het gebrek aan slaap tijdens de hersenontwikkeling bij adolescenten leiden tot gedragsveranderingen en zelfs psychische stoornissen zoals schizofrenie.

Uit een eerder onderzoek bleek dat tot 75 procent van de tieners in de VS regelmatig minder dan acht uur per nacht slaapt. Dat is alarmerend, gezien het effect dat dit kan hebben op hun ontwikkeling. Helaas kan het onderzoek naar fruitvliegjes geen richtlijnen geven voor een gezond slaapritme voor tieners en kinderen, maar wetenschappers kunnen door deze insecten te bestuderen, veel meer ziektes begrijpen die anders moeilijk te onderzoeken zouden zijn (zie kader). Dit eigenaardig proefkonijn heeft het biomedisch onderzoek verbetert en ons begrip van de menselijke gezondheid uitgebreid.

Waarom wetenschappers met fruitvliegjes werken

Wetenschappers voeren dierstudies uit om menselijke ontwikkelingen of ziekten te begrijpen. De fruitvlieg Drosophila melanogaster is een populair dier om veroudering, gedrag en ontwikkeling te onderzoeken. Doordat mensen en fruitvliegjes veel dezelfde genen hebben, die dezelfde processen aansturen, kunnen wetenschappers die vliegjes gebruiken als model voor mensen.

De fruitvlieg werd oorspronkelijk gebruikt om de overerving van genen te bestuderen. Later gingen wetenschappers de invloed van genetica op gedrag onderzoeken en de ontwikkelingsprocessen die plaatsvinden van embryo tot volwassene. Door dit werk realiseerden wetenschappers de overeenkomsten tussen fruitvliegjes en zoogdieren (inclusief mensen). Natuurlijk zijn de hersenen van het insect anders van die van ons, maar de algemene functionaliteit is vergelijkbaar.

Bovendien zijn hun zenuwstelsel en hart- en vaatstelsel vergelijkbaar met die van zoogdieren. Zo konden onderzoekers door hun werk met Drosophila melanogaster bijvoorbeeld de genen vinden die verantwoordelijk zijn voor een plotselinge hartstilstand. Wetenschappers bestuderen ook het metabolisme, lever- of nieraandoeningen, spieratrofie, Alzheimer en meer, met behulp van vliegen.


Referenties:

Benzer, S. (1971). From the gene to behavior. Jama218(7), 1015-1022.

Dilley, L. C., Szuperak, M., Gong, N. N., Williams, C. E., Saldana, R. L., Garbe, D. S., … & Kayser, M. S. (2020). Identification of a molecular basis for the juvenile sleep state. eLife9, e52676.

González-Rueda, A., Pedrosa, V., Feord, R. C., Clopath, C., & Paulsen, O. (2018). Activity-dependent downscaling of subthreshold synaptic inputs during slow-wave-sleep-like activity in vivo. Neuron97(6), 1244-1252.

Keyes, K. M., Maslowsky, J., Hamilton, A., & Schulenberg, J. (2015). The great sleep recession: changes in sleep duration among US adolescents, 1991–2012. Pediatrics135(3), 460-468.

Marín, O. (2016). Developmental timing and critical windows for the treatment of psychiatric disorders. Nature medicine22(11), 1229.

Morgan T.H., Bridges C.B. Sex-Linked Inheritance in Drosophila. Carnegie Institution of Washington; Washington, DC, USA: 1916

Randler, C. (2011). Age and gender differences in morningness–eveningness during adolescence. The Journal of genetic psychology172(3), 302-308.

Tolwinski, N. S. (2017). Introduction: Drosophila—A Model System for Developmental Biology.

Ugur, B., Chen, K., & Bellen, H. J. (2016). Drosophila tools and assays for the study of human diseases. Disease models & mechanisms9(3), 235-244.

https://www.hopkinsallchildrens.org/ACH-News/General-News/The-importance-of-sleep-for-kids Artikel van 12.03.2018. Auteur Rachel Dawkins, inzicht 01.05.2020 18.50 uur

Wilhelm, I., Rose, M., Imhof, K. I., Rasch, B., Büchel, C., & Born, J. (2013). The sleeping child outplays the adult’s capacity to convert implicit into explicit knowledge. Nature neuroscience16(4), 391-393.

https://www.forbes.com/sites/alicegwalton/2016/12/09/7-ways-sleep-affects-the-brain-and-what-happens-if-it-doesnt-get-enough/#38eed701753c  Artikel van 09.12.2016, 10:20 uur. Auteur Alice G. Walton, inzicht 01.05.2020 19:25 uur.

Published by Katrin Heidemeyer

Katrin Heidemeyer ist Doktorandin im Bereich Biochemie an der Wageningen University and Research. Durch ihre Arbeit möchte sie das Wissen über die Spezifität von Hormon-Signalen in Pflanzen erweitern. Da ihre Interessen über Pflanzenbiologie hinausreichen, schreibt sie in ihrer Freizeit über diverse Themen. Von Ernährung zu Psychologie, der Neugierde sind keine Grenzen gesetzt.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google photo

You are commenting using your Google account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s

Create your website at WordPress.com
Get started