Wetenschappers hebben de meest uitgebreide kaart ooit gemaakt van hersenactiviteit bij muizen tijdens complexe taken. Ze maten de activiteit van meer dan 620.000 hersencellen tegelijkertijd. Dit levert voor het eerst een compleet beeld op van hoe het hele brein samenwerkt tijdens alledaags gedrag.
Het onderzoek, dat gepubliceerd werd in het vakblad Nature, is volgens de onderzoekers een mijlpaal. “De schaal is ongekend. We hebben bijna het hele brein geregistreerd (95 procent van het volume), tien keer groter dan in eerdere studies”, vertelt Alexandre Pouget, hoofdauteur van de studie, aan Scientias.nl. Twaalf laboratoria uit Europa en Amerika werkten samen.
De opzet was simpel maar technisch zeer veeleisend. De onderzoekers lieten muizen een simpele taak uitvoeren die vergelijkbaar is met een eenvoudige videogame: de dieren zagen een beeldje links of rechts op een scherm verschijnen en moesten aan een wiel draaien om het naar het midden te krijgen. Bij succes kregen ze een druppel water als beloning. Om de hersenactiviteit tijdens deze experimenten te meten, gebruikten de wetenschappers Neuropixels: superdunne elektroden die als piepkleine microfoons werken en honderden hersencellen tegelijk kunnen ‘afluisteren’. Per muis plaatsten ze twee van deze sondes in verschillende breindelen. Alle deelnemende labs deden exact hetzelfde experiment, zodat de data gecombineerd konden worden. Dat leverde een enorme dataset op, die nu gratis online beschikbaar is voor andere onderzoekers.
Wat blijkt uit deze kaart?
De resultaten laten zien dat bepaalde signalen, zoals die voor beweging en beloning, zich bijna overal in het brein verspreiden. “Hoogstwaarschijnlijk om het hele brein te informeren over de uitkomst van de beslissing en om passende veranderingen in de connectiviteit op gang te brengen die de kans op een correct antwoord de volgende keer vergroten”, legt Pouget uit. Dit heet reinforcement learning, oftewel bekrachtigend leren, een proces waarbij het brein leert van beloningen, net als in moderne kunstmatige intelligentie (AI).
Andere signalen blijven juist lokaal, zo blijkt. Visuele informatie, wat de muis ziet, begint in de visuele gebieden achterin het brein en verspreidt zich vanaf daar relatief langzaam. Keuzesignalen, bijvoorbeeld de beslissing om links of rechts te draaien, duiken vlak voor de beweging in veel gebieden tegelijk op. Zoals Pouget samenvat: “We hebben geleerd dat het hele brein betrokken is bij het nemen van beslissingen, zowel in corticale als subcorticale gebieden.” Corticaal verwijst naar de buitenste laag van het brein, subcorticaal naar de dieper gelegen delen.
Geen strikte hiërarchie
Deze bevindingen dagen het klassieke idee van een strikte hiërarchie met gespecialiseerde ‘centra’ voor taken uit. “Dat betekent niet dat er helemaal geen hiërarchie is, maar wel dat die veel losser is dan we dachten”, zegt Pouget. In plaats van losstaande controlecentra lijkt beslissen meer op een teamspel, een consensusproces waarin grote netwerken realtime met elkaar communiceren.
Meer dan interessant
De resultaten hebben ook een klinische relevantie. Omdat basisprincipes van hersenfunctie bij zoogdieren vaak overeenkomen, bieden de bevindingen aanknopingspunten om aandoeningen zoals Parkinson, autisme en schizofrenie beter te begrijpen. Bij Parkinson, zo schrijven de auteurs, spelen niet alleen motorische signalen een rol, maar ook motivatie en beloning. Dat zijn precies die signalen die nu blijken te zijn verspreid door het brein. Over autisme zegt Pouget: “Voor autisme hebben we al een paper over dit onderwerp gepubliceerd. Kort gezegd: autistische muizen slagen er niet in om de voorafgaande waarschijnlijkheid van de stimulus te volgen en deze accuraat te gebruiken om hun beslissing te sturen.” Voor schizofrenie is er nog geen direct bewijs bij muizen, maar de onderzoekers vermoeden het omgekeerde: dat die dieren hun verwachtingen mogelijk te veel vertrouwen.
Nieuwe standaard voor hersenonderzoek
Het onderzoek zet volgens de onderzoekers een nieuwe standaard voor hoe we naar hersenen kijken. “Veel van de vragen waarmee we nu in de neurowetenschappen worden geconfronteerd, vereisen dat we het hele brein bestuderen”, zegt Pouget.
De onderzoekers gaan deze informatie gebruiken om vervolgonderzoek uit te voeren. Ze willen in de toekomst onder meer bestuderen hoe het brein zich herorganiseert tijdens het leren van de taak, hoe het verandert met leeftijd, en wat er gebeurt wanneer dieren afgeleid raken of juist volledig gefocust zijn.
“Verschillende labs gebruiken deze dataset nu al om deze vragen te onderzoeken”, voegt Pouget toe. De onderzoekers hebben om verder onderzoek te stimuleren alle data publiek beschikbaar gemaakt via een online platform. Wetenschappers wereldwijd kunnen nu deze enorme dataset gebruiken voor hun eigen onderzoek naar specifieke vragen over hersenfunctie.
