Hoe je hersenen afstand bijhouden zonder dat je ook maar iets kan zien

Je brein beschikt over een ingebouwde afstandsmeter. Onderzoekers weten nu (waarschijnlijk) hoe die werkt.

Onderzoekers van het Max Planck Florida Institute for Neuroscience (MPFI) ontdekten een nieuwe manier waarop de hippocampus van muizen afstand kan bijhouden zonder te leunen op duidelijke visuele herkenningspunten. Het onderzoek is te vinden in Nature Communications.

Ingebouwde GPS

Als je ’s nachts in het donker naar de keuken loopt voor een glas water weet je ongeveer waar je bent en hoe ver je nog moet. Die vaardigheid heet path integration: je hersenen houden bij hoeveel je beweegt, zodat je positie altijd klopt, ook als je weinig ziet.

Wetenschappers van MPFI zochten uit hoe de hippocampus dat doet. De hippocampus is een hersengebied dat belangrijk is voor de navigatie en voor het opslaan van herinneringen. In het onderzoek beschrijven ze hoe muizen afstanden konden inschatten in een omgeving met zo min mogelijk herkenningspunten en welke neuronen daarbij opvallend actief waren.

Leestip: Bijzonder mechanisme in de hersenen zorgt ervoor dat je handelingen kan timen

De onderzoekers trainden muizen in een virtualreality-opstelling. De dieren renden op een loopband door een vrijwel egaal grijs digitaal landschap zonder duidelijke herkenningspunten. Tijdens de test moesten ze een specifieke afstand afleggen. Pas als ze de juiste afstand hadden afgelegd kregen ze een beloning. De muizen konden hierbij dus niet simpelweg op een teken wachten. Ze moesten de afstand zelf inschatten en bijhouden.

Tijdens die taak maten de wetenschappers de elektrische activiteit van veel neuronen tegelijk in een deel van de hippocampus. Daarna gebruikten ze computeranalyses om te zien welke signalen te maken hadden met afstand en tijd en welke vooral reageren op beweging en snelheid.

Hoofdonderzoeker Yingxue Wang vult aan: “In omgevingen met veel beelden, geluiden en geuren is het lastig om te zien of neuronen reageren op die prikkels, of op de positie zelf. Daarom haalden we zoveel mogelijk prikkels weg, om situaties na te bootsen zoals lopen in het donker.”

Twee patronen

Tijdens het onderzoek werd duidelijk dat de meeste betrokken neuronen in twee groepen vallen. Deze twee groepen hebben een tegengesteld activiteitspatroon. De activiteit van de ene groep schiet vlak na het begin van de beweging snel omhoog. Daarna zakt de activiteit langzaam weg terwijl het dier verder rent.

De andere groep doet het omgekeerde: eerst daalt de activiteit sterk, daarna loopt de activiteit langzaam op tot het punt dat de ‘bestemming’ is bereikt.
Volgens de onderzoekers vormt dit samen een tweefasig mechanisme. Fase één geeft aan dat de beweging is begonnen en dat de hersenen beginnen met het ‘meten’ van de afgelegde afstand.

Fase twee beschrijft het proces van die telling zelf. Uit het onderzoek blijkt dat niet alle ‘tellende’ neuronen even snel van activiteitsniveau veranderen. Sommige neuronen bouwen juist heel langzaam die ‘tel-activiteit’ op, terwijl andere neuronen al snel heel actief zijn. Volgens het team kan het brein door die mix zowel kortere als langere afstanden volgen.

Teamlid Raphael Heldman zegt: “We ontdekten dat de hersenen de verstreken afstand kunnen bijhouden met neuronen waarvan de activiteit geleidelijk verandert. Dit is de eerste keer dat afstand op zo’n manier is gekoppeld aan de hippocampus.”

Remcircuits

De groep ging nog een stap verder: ze wilden weten of deze patronen ook echt nodig zijn om de taak goed te doen. Daarom maakten ze gebruik van lokale ‘remcircuits’ in de hippocampus. Dit zijn neuronen die andere neuronen kunnen afremmen en zo het signaal kunnen vormen en sturen.

Met licht konden ze twee typen remcellen tijdelijk beïnvloeden. Als ze de ene soort remcellen uitschakelden nam het ‘tel-signaal’ af en stopten de muizen te vroeg. Bij de andere soort raakte vooral het startmoment van het tellen verstoord: muizen deden juist vlak na het begin vaker een misser.

Geboortekamer van herinneringen

De resultaten van het onderzoek zijn relevant te noemen. Die relevantie heeft alles te maken met de hippocampus zelf. Zoals eerder genoemd is de hippocampus een hersengebied dat belangrijk is voor de navigatie en voor het opslaan van herinneringen. De onderzoekers denken dat de hippocampus losse ‘navigatie’-momenten mogelijk ‘aan elkaar kan rijgen’ om zo uiteindelijk een herinnering te vormen.

Als dit inderdaad zo blijkt te zijn zou dat wetenschappers een aangrijpingspunt kunnen geven voor het behandelen van mensen met geheugenverlies. Zelf denkt Wang specifiek aan de behandeling van Alzheimer: “Begrijpen hoe tijd en afstand worden verwerkt in de hersenen is erg belangrijk, omdat dit vermogen bij Alzheimer vaak als een van de eerste achteruitgaat.”

Afsluitend dan ook nog even dit: het team heeft tijdens het onderzoek alleen gebruikgemaakt van muizen. Het is dus niet gezegd dat het menselijk lichaam op dezelfde manier reageert. Alhoewel de resultaten hoop geven is het ook belangrijk om (voor nu) nog even een slag om de arm te houden.

Het nieuwe werk laat in elk geval wel zien welke hippocampus-signalen en welke lokale circuits hierbij betrokken kunnen zijn bij problemen die veroorzaakt worden door Alzheimer. De volgende stap is het uitzoeken van hoe deze patronen precies ontstaan en hoe ze door ziekten mogelijk ontsporen.

We schreven vaker over dit onderwerp, lees bijvoorbeeld ook Nieuw implantaat kan via lichtsignaaltjes direct met je hersenen communiceren en Nieuw hersencircuit blijkt verantwoordelijk voor dwangmatig gedrag bij muizen . Of lees dit artikel: Diepe hersenstimulatie veilig bij ernstige tinnitus, eerste studie geeft hoop .

Schrijf je in voor de nieuwsbrief!
Ook elke dag vers het laatste wetenschapsnieuws in je inbox? Of elke week?
Schrijf je hier in voor de nieuwsbrief!

Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast: