Dat ontdekten onderzoekers van het Nederlands Herseninstituut nadat ze muizen op een loopband in een virtuele tunnel zetten en terwijl de muizen liepen het beeld stopzetten.
Je herkent het vast. Je krijgt een glas met doorzichtige vloeistof aangereikt en gaat ervan uit dat het water is. Ineens blijkt het bruiswater of frisdrank te zijn en schrik je. Het is niet dat je dat niet lekker vindt (of misschien wel), maar je bent vooral in de war omdat je je had ingesteld op een andere smaak. Hetzelfde gebeurt wanneer je op de eerste trede van een roltrap stapt, en er dan achter komt dat hij het niet doet. Je verwachtingen worden doorbroken, wat een kleine kortsluiting geeft in je hoofd.
Hersencellen die daar gevoelig voor zijn, zijn de zogenaamde ‘chandeliercellen’. Dat stellen onderzoekers van het Nederlands Herseninstituut. Hoewel het onderzoek zich vooral focuste op onverwachte vísuele wendingen, vermoeden de onderzoekers sterk dat hetzelfde geldt voor andere zintuigen, zoals tast, reuk, smaak of gehoor.
Functie onbekend
Het type cel was al eerder bekend. “De eerste beschrijvingen van de chandeliercel was rond de jaren ‘70”, vertelt onderzoeker Koen Seignette uit het lab van Christiaan Levelt. “Maar de rol van de cel was al die tijd onbekend.” De hersencel blijkt namelijk lastig te bestuderen. Heel veel zijn er niet van, en de technieken om ze te bestuderen waren er lange tijd niet. Nu de technieken zijn verbeterd, en het team muizen met specifieke eigenschappen fokten, konden de onderzoekers eindelijk de chandeliercellen in de visuele cortex in actie zien.
Dat ging niet zonder slag of stoot. Want hoe ontwerp je een experiment, als je dus geen idee hebt waar de cel op reageert? Seignette en Levelt lachen bij die vraag. “Dat was inderdaad niet zo makkelijk. We hebben er daarom voor gekozen om in eerste experimenten meerdere dingen tegelijk te testen.” Ze zetten daarvoor muizen op een loopband, met om de muizen heen een virtuele tunnel. Ze werden vervolgens getraind om te lopen naar het eind van de tunnel, waarna ze een geluid hoorden en een beloning kregen. Zo konden de onderzoekers tegelijkertijd kijken of er reacties te vinden waren op leergedrag, visuele stimuli, gehoor en beloningsgedrag.
Signaal verloren
Even leken ze beet te hebben. De chandeliercellen reageerden de eerste keren in de tunnel op de visuele stimuli. Maar na wat training verdween die activiteit. “In eerste instantie snapten we onze eigen resultaten niet”, vertelt Levelt. Pas later konden ze verklaren wat er aan de hand moest zijn. In het experiment pauzeerden ze namelijk ook af en toe de visuele informatie, terwijl de muis door bleef lopen. “Op die momenten vuurden de cellen enorm veel signalen af”, aldus Seignette. “Dan weet je dat het iets te maken moet hebben met het registreren van onverwachte situaties.”
Pupilreflex
Dat het inderdaad ging om an element of surprise konden de onderzoekers bevestigen door te kijken naar de pupilgrootte van de dieren op deze momenten. “Die verandert op momenten van opwinding. Dat is dus ook vaak als er iets onverwachts gebeurt”, legt Levelt uit. Als je auto rijdt bijvoorbeeld, en plotseling komt er iets van links of rechts. Dan schrik je, en krijg je ook een pupilreflex.” Dat bleek bij de muizen ook aan de hand te zijn. Bovendien verklaarde dit waarom de chandelierscellen van de muizen de eerste keren in de tunnel wel reageerden en erna niet meer. Levelt: “Het werd duidelijk dat ze gewend raakten aan het zien van visuele stimuli. En daardoor was het niet nieuw en onverwacht meer.”
Waarom die focus op onverwachte situaties?
Dan de hamvraag: wat is het nut van deze registratie van onverwachte gebeurtenissen? Dat blijkt heel logisch te zijn. Levelt: “Je hersenen kunnen heel snel informatie verwerken omdat we allemaal een intern model hebben van de wereld.” We weten bijvoorbeeld de weg naar huis, welke kleur de bus normaal gesproken heeft en als iemand een bal in zijn hand heeft en hiermee een gooiende beweging maakt, wordt deze waarschijnlijk gegooid. Dat zijn allemaal automatische verwachtingen, gebaseerd op eerdere ervaringen. En dat is heel nuttig. “Ons visuele systeem is namelijk helemaal niet zo snel”, legt Levelt uit. “Als iemand een bal naar jou gooit en jij moet eerst nog analyseren wat dat inhoudt, dan ben je al te laat.”
Vergelijken
De chandeliercellen vergelijken daarom dus de werkelijkheid met die van de modellen. “Doordat jij al een heel model in je hoofd hebt, kun je heel efficiënt te werk gaan”, vertelt Levelt. “Je hoeft alleen maar te kijken of de baan van de bal een beetje afwijkt van je voorspelling en als dat zo is, dan pas je die verwachting aan.” Door te letten op afwijkingen hoef je daarom niet in iedere situatie een nieuwe analyse te maken, en kun je veel sneller handelen. Toch kost het wennen aan die nieuwe situatie ook wel wat tijd. “Dat is onderdeel van een leerproces”, stellen de onderzoekers.
Link met geheugen
Hoe de cellen precies dat leerproces beïnvloeden is overigens nog niet duidelijk. “Wil jij je frustraties delen Koen, bij de onderzoeken naar deze cellen?” Seignette lacht: “Sinds de jaren ’70 wordt gedacht dat deze cellen een grote invloed hebben op andere cellen. Dat heeft de maken met een stukje anatomie. Ze maken namelijk contact met andere cellen op een heel specifiek deel van de cel waar de beslissing plaatsvindt om wel of niet signalen door te geven aan de andere cellen.”
“Wij hebben daarom ongeveer anderhalf tot twee jaar experimenten gedaan waarin we de activiteit van de chandeliercellen handmatig hebben gemanipuleerd, om te kijken wat de effecten waren op de cellen in de omgeving. Maar dat was verrassend weinig eigenlijk”, verzucht Seignette. De onderzoekers denken nu dat de cellen misschien niet direct invloed hebben op de andere cellen, maar wel de plasticiteit van de cellen beïnvloedt. “We zien namelijk dat als de muis getraind wordt in een taak, er wel degelijk veranderingen plaatsvinden in de omliggende cellen wat betreft plasticiteit.” Daar zijn nieuwe experimenten voor nodig, waar het team dus binnenkort mee gaat beginnen.
