Kan het klassieke, hiërarchische beeld van hersenwerking op de schop?

Beeld: kaart van het muizenbrein met 75.000 geanalyseerde neuronen. Credit: Dan Birman, International Brain Laboratory

De hersenkaart is het resultaat van een internationale samenwerking tussen twaalf laboratoria die samen het International Brain Laboratory (IBL) vormen. Met behulp van geavanceerde Neuropixels-elektroden registreerden ze de activiteit van zo’n 620.000 individuele neuronen van 139 muizen in 279 hersengebieden. Die hersengebieden vormen samen zo’n 95 procent van het muizenbreinvolume. Nooit eerder werd de activiteit van zoveel neuronen verspreid over het bijna volledige muizenbrein individueel gemeten tijdens de uitvoering van dezelfde taak.

De muizen moesten tijdens het onderzoek reageren op een lichtflits aan de linker- of rechterkant van een scherm. Dit deden ze door een wieltje in de juiste richting te draaien. Als ze dat correct deden, kregen ze een beloning. In sommige gevallen was de lichtflits zo zwak dat de muizen moesten gokken op welke plaats de flits net verschenen was. Dat konden ze beredeneerd doen door rekening te houden met eerdere flitsen. Die kwamen namelijk binnen een blok vaker aan één kant voor dan aan de andere. Gaandeweg leerden de muizen dat patroon te gebruiken bij hun keuze. Dankzij deze proefopzet konden de onderzoekers nagaan hoe verwachtingen het beslissingsproces van muizen beïnvloeden.

Verspreid over het hele brein

Uit de eerste analyses van de verzamelde data bleek dat de hersensignalen voor besluitvorming verrassend genoeg verspreid zijn over de volledige hersenen en niet gelokaliseerd zijn in specifieke regio’s. Daarnaast bleek ook dat verwachtingen, inschattingen over wat waarschijnlijk zal gebeuren, niet enkel in hersengebieden zitten die betrokken zijn bij denkprocessen, maar ook in gebieden die zintuiglijke en motorische informatie verwerken.

Video: kaart van de hele hersenen waarop 75.000 geanalyseerde neuronen te zien zijn die oplichten tijdens verschillende stadia van de besluitvorming. Aan het begin van de proef is de activiteit rustig. Vervolgens neemt de activiteit toe in de visuele gebieden aan de achterkant van de hersenen, gevolgd door een toename van de activiteit in de hele hersenen naarmate er meer bewijs wordt verzameld voor een besluit. Vervolgens lichten de motorische gebieden op wanneer er beweging ontstaat en ten slotte is er een piek in de activiteit overal in de hersenen wanneer het dier wordt beloond. Credit:  Dan Birman, International Brain Laboratory

Deze resultaten sluiten aan bij een groeiend aantal studies die het klassieke, hiërarchische beeld van hersenwerking in vraag stellen. In plaats daarvan lijkt er een voortdurende uitwisseling van informatie te zijn tussen verschillende hersengebieden tijdens het nemen van beslissingen, bij het starten van bewegingen en bij het verwerken van beloningen. Volgens de onderzoekers betekent dit dat neurowetenschappers in de toekomst een meer holistische, hersenbrede benadering zullen moeten hanteren bij het bestuderen van complex gedrag, in plaats van zich uitsluitend te richten op specifieke hersengebieden.

De onderzoekers hopen dat hun hersenkaart niet alleen nieuwe inzichten in de werking van de hersenen zal opleveren, maar ook een voorbeeld zal zijn van hoe grootschalige samenwerking het hersenonderzoek vooruit kan stuwen. Daarom hebben ze hun dataset publiek beschikbaar gemaakt, zodat ook andere neurowetenschappers ermee aan de slag kunnen. Met die open aanpak wil het IBL de neurowetenschap versnellen en zorgen voor beter reproduceerbare resultaten.