Zien is complexer dan we dachten laten onderzoekers van het Vlaamse NERF zien. In twee nieuwe studies leggen de onderzoekers bloot hoe visuele informatie verwerkt en verdeeld wordt in de hersenen.
De visuele cortex, een belangrijk gebied voor het interpreteren en verwerken van visuele informatie, speelt een belangrijke rol bij het vormen van wat we zien. Vincent Bonin, professor aan de KU Leuven en groepsleider bij NERF (Neuro-Electronics Research Flanders), bestudeert de neurale circuits die sensorische informatie verwerken. “We zien visuele verwerking in de cortex vaak als een eenvoudig, lineair proces,” legt Bonin uit, ”maar ons onderzoek toont aan dat de cortex werkt als een complex netwerk met fijn afgestemde verbindingen tussen gebieden, die gespecialiseerde visuele functies in verschillende hersengebieden ondersteunen.”
Richten versus uitzenden
In een eerste studie, gepubliceerd in Current Biology, liet postdoctoraal onderzoeker Xu Han zien hoe visuele informatie wordt verzonden door verschillende onderling verbonden gebieden in de hersenen. Han en zijn team onderzochten bij muizen hoe de hersenen visuele informatie verwerken. Ze keken hoe twee hersenbanen – verbindingen binnen de cortex (de buitenste laag van de hersenen) en vanuit de thalamus (een ‘relaisstation’ voor visuele signalen) – visuele signalen naar verschillende gebieden in de hersenen sturen. Ze ontdekten dat specifieke verbindingen in de bovenste laag van de hersenen nauwkeurig afgestemde informatie sturen naar hogere-orde visuele gebieden (L2, L3), die elk gebied helpen bij het verwerken van bepaalde visuele details, zoals snelle of langzame beweging. Ondertussen sturen verbindingen van diepere lagen (L5) meer algemene informatie naar meerdere gebieden.
Daarnaast stuurt de thalamus aanvullende visuele signalen die niet overlappen met de corticale input. Deze signalen verrijken het vermogen van de hersenen om de visuele verwerking te specialiseren. Alles bij elkaar zorgt deze combinatie van precieze en brede signalen ervoor dat verschillende regio’s van het visuele brein efficiënt kunnen samenwerken met behoud van hun unieke rol. Dit onderzoek geeft inzicht in hoe de hersenen informatie integreren om de visuele wereld te begrijpen. De bevindingen tarten ook de ‘lang gekoesterde overtuiging’ dat visuele informatie op een ‘eenvoudige, stapsgewijze manier stroomt’. In plaats daarvan is het een ‘zeer dynamisch en aanpasbaar netwerk’.
Stil versus opgewonden
Het tweede onderzoek, gepubliceerd in Cell Reports keek naar hoe het gedrag van een muis, zoals stilstaan of bewegen, de reactie van de hersenen op visuele beweging beïnvloedt. Wetenschappers gebruikten geavanceerde beeldvormingstechnieken om hersenactiviteit te meten in het primaire visuele pad, met name in gebieden die visuele informatie van de ogen naar de hersenen doorsturen.
Ze ontdekten dat wanneer wakkere muizen beweging zagen die van hun zij naar hun neus bewoog, hun pupillen zich verwijdden, een teken van verhoogde alertheid. Dit effect was het sterkst als de muizen stil waren, maar nam af als ze renden. Onder lichte narcose waren de reacties van de hersenen evenwichtiger en vertoonden ze geen specifieke voorkeur voor één bepaalde bewegingsrichting, wat erop wijst dat het effect eerder samenhangt met alertheid dan met de beweging zelf.
Interessant is dat de voorkeur van de hersenen voor nasaal (naar de neus) gerichte beweging de classificatie van visuele neuronen in experimenten kan verstoren. Toen de onderzoekers corrigeerden voor deze gedragseffecten, bleek de reactie van de hersenen op beweging nauwkeuriger overeen te komen met de visuele input van de ogen.
Dit onderzoek laat zien hoe gedragstoestanden, zoals opwinding of hardlopen, kunnen beïnvloeden hoe sensorische informatie, zoals visuele beweging, wordt verwerkt in de hersenen. Het onderstreept ook de noodzaak om rekening te houden met deze invloeden in neurowetenschappelijk onderzoek op wakkere dieren.
Samen vormen beide onderzoeken een belangrijke stap in de richting van een gedetailleerde “functioneel-anatomische kaart” van het visuele systeem van de hersenen. “Als we deze paden en mechanismen begrijpen, kunnen we voorspellen en manipuleren hoe waarneming werkt,” zegt Bonin.
