Een groot consortium van neurowetenschappers, verbonden aan het International Brain Laboratory (IBL) en mede geleid door een team van de Universiteit van Genève (UNIGE), onthult de eerste volledige kaart van hersenactiviteit tijdens dit complexe proces bij muizen. Met een ongekende resolutie op enkelcellig niveau daagt deze hersenkaart de traditionele hiërarchische visie op informatieverwerking in de hersenen uit. Het onderzoek toont aan dat de hersenen in staat zijn meerdere regio’s te coördineren om gelijktijdig verschillende externe prikkels te verwerken, maar ook voorspellingen te doen op basis van eerdere ervaringen om beslissingen te nemen. Deze bevindingen zijn gepubliceerd in twee artikelen in Nature.
Een nieuwe manier van samenwerking
Het IBL, officieel gelanceerd in 2017, introduceerde een nieuw model van samenwerking in de neurowetenschap. Hierbij worden gestandaardiseerde tools en databeheer gedeeld tussen meerdere laboratoria, waardoor gegevens reproduceerbaar zijn.
“Dankzij deze grootschalige samenwerking hebben 21 laboratoria samen gewerkt met hetzelfde experimentele model om de individuele activiteit van meer dan 650.000 neuronen in 279 hersengebieden te registreren en analyseren – dit vertegenwoordigt 95% van het hersenvolume van de muis”, legt Alexandre Pouget uit, hoogleraar in de afdeling Fundamentele Neurowetenschappen van de UNIGE Faculteit der Geneeskunde en medeoprichter van het IBL.
Een brein dat oplicht als een kerstboom
De wetenschappers gebruikten Neuropixels – een speciaal type elektrode – om gelijktijdig neurale activiteit op te nemen terwijl muizen een keuze-opdracht uitvoerden. De muizen zaten voor een scherm en moesten een klein wieltje naar links of rechts bewegen, in de richting van een licht dat af en toe verscheen, om een beloning te krijgen. Soms was het licht echter zo zwak dat het dier moest raden.
“De muis gebruikt dan de frequentie waarmee het licht eerder links of rechts verscheen om een inschatting te maken. Dat stelt ons in staat te bestuderen hoe voorspellingen op basis van eerdere ervaringen de waarneming en besluitvorming beïnvloeden”, aldus Pouget.
“En we ontdekten dat wanneer de muis een beslissing neemt, het hele brein oplicht als een kerstboom! Deze experimenten hebben geleid tot een uiterst gedetailleerde kaart van de hersenactiviteit tijdens besluitvorming – van het allereerste begin tot het moment waarop de beloning wordt verkregen.”
Twee grote ontdekkingen
De onderzoeksteams deden twee belangrijke ontdekkingen:
Besluitvormingssignalen zijn verspreid door de hersenen. Ze zijn niet beperkt tot specifieke regio’s, in tegenstelling tot het gangbare model van een hiërarchische beslisboom. “Er is voortdurende communicatie tussen verschillende hersengebieden tijdens het hele besluitvormingsproces”, legt Pouget uit.
Voorafgaande verwachtingen (predicties) – wat we denken dat waarschijnlijk gaat gebeuren op basis van eerdere ervaringen – worden overal in de hersenen gecodeerd, niet alleen in de gebieden die betrokken zijn bij cognitie. Ook de delen die verantwoordelijk zijn voor sensorische verwerking of motorische aansturing spelen een cruciale rol bij het anticiperen en sturen van gedrag.
Deze bevindingen zijn belangrijk voor het begrijpen van bepaalde neuropsychiatrische aandoeningen, zoals schizofrenie en autisme, waarbij de verwerking van anticipatie en beloning vaak verstoord lijkt te zijn.
Kenneth Harris, hoogleraar Kwantitatieve Neurowetenschap aan UCL en kernlid van het IBL, zegt hierover:
“Traditioneel keek de neurowetenschap naar hersengebieden afzonderlijk. Door het hele brein tegelijk te registreren, hebben we nu de kans om te begrijpen hoe alle puzzelstukken in elkaar passen.”