‘Onze hersenen reageren niet alleen op wat er gebeurt, maar leren ook actief wat waarschijnlijk zal gebeuren en gebruiken die kennis om toekomstige situaties in te schatten’, legt neurowetenschapper Devika Narain van Erasmus MC en Radboud Universiteit uit. Lange tijd was het moeilijk om precies te achterhalen waar en hoe die ‘voorkennis’ in het brein wordt opgeslagen. Dit staat nu beschreven in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Neuroscience.
Voorkennis van patronen
Stel dat je elke ochtend op hetzelfde tijdstip naar je werk gaat. Je weet waarschijnlijk hoe groot de kans is dat je in het verkeer komt vast te staan, omdat je hersenen deze patronen kunnen herkennen en de waarschijnlijkheid van gebeurtenissen opslaan. Tot nu toe beschreven wetenschappers dit proces vaak wiskundig met theorieën zoals de Bayesiaanse inferentie: het combineren van eerdere ervaringen met nieuwe informatie om de beste voorspelling te maken.
Neurowetenschappers van Erasmus MC ontdekten dat dit proces plaatsvindt in het cerebellum, oftewel de kleine hersenen. Bij muizen konden ze zelfs op celniveau zien hoe dat werkt. ‘We nemen al jaren aan dat het brein op een Bayesiaanse manier leert. Maar dit daadwerkelijk in actie zien, is nog steeds verrassend’, merkt Narain op.
Knipperen op het juiste moment
Muizen knipperen automatisch wanneer ze een klein beetje lucht in hun gezicht krijgen. Tijdens het onderzoek zagen de onderzoekers dat de dieren niet de reflex zelf aanpassen, maar hun reactie leren voorspellen op basis van de waarschijnlijkheid dat de luchtpufjes worden gegeven. ‘Toen ze het patroon herkenden, begonnen ze op het juiste moment te knipperen. Zelfs wanneer we alleen een lichtflits lieten zien zonder luchtpufje, sloten ze hun ogen al van tevoren omdat ze dit hadden leren herkennen als een patroon,’ vertelt onderzoeker Julius Koppen van de afdeling Neurowetenschappen van Erasmus MC. ‘Dit laat zien dat hun brein slim informatie, verwachtingen en timing combineert.’
Deze informatie wordt opgeslagen in Purkinje-cellen in het cerebellum. Dit deel van de hersenen is belangrijk voor beweging en coördinatie. Purkinje-cellen zorgen ervoor dat bewegingen soepel en goed getimed zijn. Uit het onderzoek blijkt dat deze cellen gevoelig zijn voor hoe vaak en wanneer iets gebeurt. Ze gebruiken deze informatie om gedrag beter te voorspellen en aan te passen.
Kansen inschatten
Met optogenetica konden onderzoekers precies zien welke neuronen hierbij betrokken zijn. Deze techniek maakt het mogelijk om specifieke hersencellen met licht aan of uit te zetten, waardoor te zien is hoe ze bewegingen al vóór de uitvoering kunnen aansturen. ‘We konden de cellen die dit deden uitschakelen en daarna opnieuw activeren, waarna hetzelfde patroon weer ontstond’, zegt Koppen.
Hoewel dit onderzoek bij muizen is uitgevoerd, zijn de hersencircuits van het cerebellum bij alle zoogdieren aanwezig. Daarom denken de wetenschappers dat dezelfde principes ook bij mensen gelden. ‘Dit gebeurt allemaal grotendeels onbewust. Het zorgt ervoor dat we goed kunnen omgaan met een wereld die nooit helemaal zeker is’, aldus Narain.
Toekomstige behandelingen
Volgens de onderzoekers is deze ontdekking slechts het begin van verder onderzoek. Op de lange termijn hopen onderzoekers dat deze kennis kan bijdragen aan nieuwe behandelingen, zoals geavanceerde hersen-machine-interfaces voor revalidatie. Daarvoor moeten ze eerst beter begrijpen hoe verschillende hersengebieden samenwerken en hoe die processen per patiënt verschillen.
‘Waar vroeger vooral werd gekeken naar het terugkrijgen van verloren bewegingen, ligt de focus nu steeds meer op het herstellen van soepele en goed getimede bewegingen’, besluit Narain. ‘Dat vraagt om een beter begrip van hoe het brein bewegingen leert, onthoudt en voorspelt. Dit werk is een belangrijke stap in die richting.’
Foto: Julius Koppen en in de achtergrond Devika Narain.
Biomedisch onderzoek
Via biomedisch onderzoek werken Erasmus MC’ers aan het begrijpen van biologische en medische basisprincipes. Dit onderzoek vormt de kern van medische vooruitgang en legt de basis voor innovaties die de zorg verbeteren. Zoals beschreven in Koers28, de strategie van het Erasmus MC.
