Two-photon calcium imaging. Neurale activiteit in de hersencellen (groen).

Van visuele prikkel tot waarneming

Hoe dynamische patronen van hersenactiviteit leiden tot bewust waarnemen

19 januari 2016

Prof. dr Cyriel Pennartz en Jorrit Montijn van het Swammerdam Institute for Life Sciences (SILS) hebben een belangrijk patroon ontdekt in het hersenmechanisme dat zorgt voor het bewust waarnemen van visuele objecten. Zij vonden dat een fenomeen in de collectieve activiteit van hersencellen, verantwoordelijk voor de verwerking van visuele informatie, kan voorspellen of een object bewust wordt waargenomen. De resultaten zijn recentelijk gepubliceerd in het wetenschappelijk tijdschrijf eLife.

Het verwerken van visuele prikkels is niet hetzelfde als waarnemen; wanneer een object wordt herkend en geinterpreteerd door het brein. Dingen kunnen in je gezichtsveld zijn zonder dat je ze als zodanig waarneemt, bijvoorbeeld wanneer je aan het dagdromen bent met open ogen. Vele wetenschappers hebben onderzocht hoe de hersenen verschillend reageren wanneer een object actief wordt waargenomen of juist niet. Maar tot nu toe zijn er in de hersenenslechts kleine verschillen in de acute respons op visuele prikkels gevonden.

Geen gemiddelde activiteit

Veel van de technieken voor bestudering van hersenactiviteit kijken alleen naar de gemiddelde activiteit van een groep neuronen - de hersencellen die informatie verwerken. UvA-promovendus Jorrit Montijn en collega's onder leiding van Cyriel Pennartz aan het Swammerdam Institute for Life Sciences van de UvA hebben daarom onderzocht of de waarneming van een object afhangt van subtiele patronen of complexe interacties in hersenactiviteit die weinig invloed hebben op de gemiddelde activiteit. Hiertoe werden muizen getraind om te reageren wanneer zij een bepaald plaatje zagen. Met een techniek die "two-photon calcium imaging" heet hebben zij de activiteit van tientallen tot honderden neuronen tegelijkertijd gemeten terwijl de muizen de waarnemingstaak uitvoerden.

Voorspellen van waarneming

De onderzoekers vonden dat de gemiddelde activatie van een groep neuronen slechts een zwak verband vertoonde met of de muis het plaatje had gezien. Maar, op het moment dat de wetenschappers keken naar de verschillen in activatiekracht tussen de neuronen bleken deze sterker met de waarneming te correleren. Wanneer de muis het plaatje had waargenomen, en dit te kennen gaf middels zijn gedrag, was er een heterogene activiteit in de groep neuronen die gemeten was in de visuele hersenschors. De diversiteit aan neurale responses hield ook verband met de reactiesnelheid van de muis, en kon zelfs gebruikt worden om al een paar seconden voordat het plaatje werd getoond, te voorspellen of de muis het zou gaan waarnemen. Deze verschillen in activiteit kunnen niet opgepikt worden met technieken die afhangen van de gemiddelde activiteit van vele cellen, zoals een electroencephalogram (EEG) of fMRI, wat verklaart waarom deze effecten nog niet eerder waren opgemerkt.

Deze nieuwe bevindingen zijn een volgende stap op weg naar het verklaren van visueel bewustzijn. Verder onderzoek moet uitwijzen of vergelijkbare mechanismen ook in niet-visuele gebieden te vinden zijn.

Publicatiegegevens

Montijn, JS, Goltstein PM, and Pennartz, CMA (2015). `Mouse V1 Population Correlates of Visual Detection Rely on Heterogeneity within Neuronal Response Patterns.` eLife, December, e10163. doi:10.7554/eLife.10163.

Gepubliceerd door Swammerdam Instituut