D2-MSNs in the nucleus accumbens core are the primary factor limiting forced treadmill running

Voor velen is het idee van lichaamsbeweging een strijd tussen de drang van het lichaam om te bewegen en de weerstand van de geest tegen de inspanning. Terwijl sommige mensen hardlopen voor het pure plezier, vinden anderen zichzelf alleen op een loopband omdat ze het gevoel hebben dat ze dat moeten, wat vaak leidt tot een gevoel van afkeer waardoor ze stoppen voordat ze werkelijk uitgeput zijn. Wetenschappers weten al lang dat het brein een beloningssysteem bevat, een netwerk van cellen dat beslist of een handeling goed of slecht aanvoelt, maar het precieze mechanisme dat een persoon vertelt om te stoppen wanneer de activiteit gedwongen en onaangenaam is, is een mysterie gebleven. Deze vraag bevindt zich op het snijvlak van fysieke gezondheid en neurowetenschap, en onderzoekt waarom het brein soms als een poortwachter optreedt en beweging blokkeert, zelfs wanneer de spieren nog in staat zijn om verder te gaan.

Een team onderzoekers aan de East China Normal University en het Shanghai Mental Health Center heeft nu een specifieke neurale circuit ontdekt die lijkt te fungeren als deze poortwachter. Door muizen op een loopband te bestuderen, ontdekten zij dat een specifieke groep cellen in een diep hersengebied genaamd het nucleus accumbens verantwoordelijk is voor het signaleren aan het lichaam om te stoppen. Dit gebied staat bekend om het verwerken van motivatie en emotie, maar de onderzoekers ontdekten dat het niet het hele gebied is dat ertoe doet, maar eerder een specifiek subgebied en een specifiek type cel binnen dat gebied. Wanneer de muizen werden gedwongen te rennen, werden deze cellen hyperactief, waarbij ze een sterk signaal afgaven dat het dier effectief vertelde om op te geven.

Om te begrijpen hoe dit werkt, moesten de wetenschappers eerst zien wat er gebeurde in de hersenen van muizen die twee weken lang gedwongen werden om op een loopband te rennen. Ze vergeleken deze muizen met andere die simpelweg op een stationaire loopband zaten zonder te bewegen. Met behulp van een techniek die actieve hersencellen oplichtte, observeerden ze dat de gedwongen hardlopers een significante toename van activiteit vertoonden binnen een specifiek type neuron genaamd een D2-medium spiny neuron. Deze cellen bevinden zich in het nucleus accumbens, een knooppunt voor motivatie, maar de onderzoekers merkten iets cruciaals op: de activiteit was niet uniform over het gehele knooppunt verdeeld. Het was geconcentreerd in een klein gedeelte dat de 'core' wordt genoemd, terwijl een aangrenzend gedeelte, de 'shell', veel minder verandering vertoonde. Dit suggendeerde dat de core de specifieke locatie was waar het brein de onaangenaamheid van de gedwongen lichaamsbeweging verwerkte.

Het team keek vervolgens dieper om te zien hoe deze actieve cellen zich gedroegen. Ze verwijderden minuscule plakjes hersenweefsel van de muizen en maten de elektrische signalen van de D2-medium spiny neuronen in de core. Ze ontdekten dat deze neuronen na twee weken van gedwongen hardlopen veel exciteerbaarder waren geworden. Ze vuurden vaker elektrische pieken af en ontvingen sterkere exciterende signalen van andere delen van de hersenen. In contrast hiermee vertoonden dezelfde soort neuronen in de shell-regio geen dergelijke veranderingen. Dit gaf aan dat de gedwongen lichaamsbeweging de bedrading en de gevoeligheid van de cellen in de core fysiek had veranderd, waardoor ze gevoeliger werden voor de stress van de activiteit.

Om te bewijzen dat deze specifieke cellen er daadwerkelijk voor zorgden dat de muizen stopten met rennen, voerden de onderzoekers een delicaat experiment uit. Ze gebruikten een methode genaamd chemogenetica om de activiteit van enkel deze D2-medium spiny neuronen in de core tijdelijk uit te schakelen. Ze injecteerden een virus in de hersenen van de muizen dat hen in staat stelde deze cellen uit te schakelen met een eenvoudige injectie van een medicijn. Wanneer ze het medicijn aan de muizen gaven vóór een test voor maximale uithoudingsvermogen, waren de resultaten opmerkelijk. De muizen wier "stop-signaal" was uitgeschakeld, waren in staat om aanzienlijk grotere afstanden af te leggen en gedurende een langere tijd te rennen voordat uitputting intrad, vergeleken met de controlegroep. Het medicijn maakte de muizen niet sneller of sterker; het verwijderde simpelweg de interne rem die hen vertelde om op te geven.

De onderzoekers controleerden ook of het medicijn zelf of het injectieproces niet de oorzaak was van de verbetering. Ze voerden dezelfde tests uit bij muizen die een onschadelijke injectie hadden ontvangen, en die muizen vertoonden geen verandering in hun vermogen om te rennen. Dit bevestigde dat het uitgebreide uithoudingsvermogen rechtstreeks te danken was aan het stilleggen van de specifieke neuronen in de core. De studie suggereert dat onder normale omstandigheden, wanneer een dier wordt gedwongen iets onaangenaams te doen, deze neuronen in de core van het nucleus accumbens overactief worden. Ze fungeren als een centrale rem, die de stress en het gebrek aan plezier interpreterert als een reden om te stoppen, wat het lichaam beschermt tegen overbelasting maar ook leidt tot het staken van de lichaamsbeweging.

Deze ontdekking benadrukt een fundamenteel verschil tussen hoe het brein vrijwillige lichaamsbeweging versus gedwongen lichaamsbeweging afhandelt. Wanneer een persoon of dier ervoor kiest om te bewegen, stimuleert het beloningssysteem van het brein het gedrag. Maar wanneer de beweging wordt afgedwongen, neemt een ander pad het over, specifiek betrokken bij deze D2-medium spiny neuronen in de core van het nucleus accumbens. Zij vertalen het gevoel van afkeer naar een commando om te stoppen. De studie beweert niet het probleem van de therapietrouw aan lichaamsbeweging voor mensen te hebben opgelost, noch suggereert het een simpele pil om mensen van hardlopen te laten houden. Het biedt echter een duidelijke biologische verklaring voor waarom gedwongen lichaamtbeweging zo moeilijk vol te houden is. Het identificeert een specifiek neuraal mechanisme dat doorzettingsvermogen beperkt, en biedt een nieuw doelwit voor toekomstig onderzoek naar hoe mensen te helpen die worstelen met het aanhouden van een routine voor lichaamsbeweging, met name degenen die dit gedwongen moeten doen voor hun gezondheid maar het interne motiveringsvermogen missen om door te gaan.