Resultaten

Onderzoek naar het visuele systeem in het Herseninstituut

Bij het Nederlands Herseninstituut wordt onderzoek gedaan naar de neurale mechanismen die verantwoordelijk zijn voor visuele perceptie, aandacht, geheugen, leren en het nemen van beslissingen. Dit zijn mentale functies die uitermate belangrijk zijn voor ons functioneren. Inzicht in de onderliggende mechanismen kan ons ook helpen begrijpen wat verstoord raakt bij ziektes zoals dementie. Dit onderzoek is gegrondvest op een lange traditie van onderzoek naar het visuele systeem bij de mens in ons instituut en heeft nog recentelijk tot een aantal belangrijke inzichten geleid. Deze bevindingen zijn gepubliceerd in belangrijke internationale wetenschappelijke tijdschriften zoals Nature Neuroscience, Neuron, PNAS, en Current Biology. Hierdoor kunnen onderzoekers overal op de wereld voortbouwen op onze resultaten. In de links hiernaast wordt wat dieper ingegaan op enkele van onze studies.
 

Het waarnemen van voorwerpen

De activiteit van zenuwcellen in de visuele hersenen bepaalt wat we waarnemen. In het onderzoek van Wannig et al. (2011, Nature Neuroscience) onderzochten we “perceptueel groeperen”. Dit is het proces in de hersenen dat bepaalt hoe afzonderlijke beeldelementen gegroepeerd worden in meer complexe voorwerpen. We vonden dat de zenuwcellen die met hun activiteit afzonderlijke beeldelementen van hetzelfde object coderen extra actief werden en ook hoe deze extra activiteit gecommuniceerd werd met precies die zenuwcellen die bij hetzelfde object hoorden. Perceptueel groeperen is verstoord bij mensen die een letsel hebben in de visuele hersenen, bijvoorbeeld ten gevolge van de herseninfarct, en ook bij schizofrenie. De onderzoeksresultaten zijn van belang voor een beter begrip van deze verstoringen.
 

Wat is de rol van de verschillende glutamaatreceptoren?

Glutamaat is een signaalstof in de hersenen. Zenuwcellen geven glutamaat af om de activiteit van andere zenuwcellen te veranderen. Vrijwel alle zenuwcellen hebben dan ook glutamaatreceptoren die hen gevoelig maakt voor de afgifte van glutamaat door andere zenuwcellen. Twee van de meest belangrijke glutamaatreceptoren zijn de AMPA-receptor en de NMDA-receptor. In het onderzoek van Self et al. (2012, PNAS) is de specifieke rol van deze glutamaatreptoren onderzicht door te kijken naar de mechanismen van de visuele waarneming in de primaire visuele hersenschors, het eerste schakelstation voor visuele informatie in de hersenschors. We vonden dat de AMPA-receptor van belang is voor het activeren van de zenuwcellen door informatie vanuit het oog, terwijl de NMDA-receptor juist belangrijk was voor de terugkoppeling van hogere schorsgebieden naar de primaire visuele cortex. Een dergelijk onderscheid tussen deze receptoren was nog nooit aangetoond en dit onderzoek is van groot belang voor ons begrip waarop gebieden in de hersenschors samenwerken bij het verwerken van zintuiglijke prikkels. Deze samenwerking tussen hersengebieden is verstoord bij verschillende ziektebeelden zoals de ziekte van Alzheimer en schizofrenie. Eerdere publicaties toonden aan dat er een verkeerde balans is tussen NMDA en AMPA receptoren bij patienten met schizofrenie. Onze nieuwe onderzoeksresultaten maken het nu mogelijk te begrijpen hoe de mechanismen van visuele waarneming zijn veranderd bij schizofrenie. Ook gaven ze nieuwe inzichten in de werking van reeds bestaande geneesmiddelen die glutamaatreceptoren blokkeren.
 

Samenwerking tussen verschillende gebieden van de hersenschors om te kunnen zien

De visuele waarneming vindt plaats in de visuele hersenschors waar een groot aantal gebieden samenwerken. Bij de aap zijn dit minstens 30 identificeerbare gebieden en bij de mens waarschijnlijk nog meer. Een onbeantwoorde maar cruciale wetenschappelijke vraag is hoe al deze gebieden met elkaar samenwerken bij de waarneming. Bij het onderzoek van Poort et al. (2012, Neuron) hebben we deze samenwerking tussen gebieden bestudeerd. We hebben tegelijkertijd metingen gedaan aan de activiteit van de primaire visuele hersenschors, het eerste schakelstation in de hersenschors voor informatie uit het oog, en de activiteit in een visueel gebied dat V4 heet. V4 is een later verwerkingsgebied dat van belang is voor de waarneming van complexe vormen en kleuren. We vonden dat de informatie vanuit het oog eerst aankwam in de primaire visuele hersenschors en pas later in V4. Daarna koppelde V4 specifieke informatie over vorm terug naar de primaire visuele hersenschors om de activiteit van de cellen te verhogen die specifiek reageerden op die onderdelen van het visuele beeld die van belang waren voor de vormherkenningstaakje dat de aap uitvoerde. Dit onderzoek gaf belangrijke nieuwe inzichten in hoe hersenschorsgebieden met elkaar samenwerken. Deze resultaten zijn van belang voor het begrip van hersenziekten waarbij de samenwerking tussen hersengebieden niet meer goed verloopt. Dit is bijvoorbeeld het geval bij de ziekte van Alzheimer en schizofrenie. Ook kunnen we, nu we de communicatie tussen gebieden beter begrijpen, ook beter voorspellen wat de gevolgen zijn van bijvoorbeeld een herseninfarct in een van deze gebieden voor de activiteit in andere gebieden.
 

De invloed van beloning en aandacht op de waarneming

We richten onze aandacht op zaken die van belang zijn om een taak uit te voeren. Het is echter nog grotendeels onbekend hoe het richten van aandacht wordt aangestuurd. Wat is bijvoorbeeld de invloed van een training met behulp van beloningen op de manier waarop we onze aandacht richten? In het onderzoek van Stanisor et al. (2013, PNAS) keken we naar de effecten van aandacht en beloning op de activiteit van zenuwcellen in de primaire visuele hersenschors, het eerste schakelstation in de hersenschors voor de informatie uit het oog. We vonden dat aandacht de activiteit van zenuwcellen verhoogde als deze gevoelig waren voor de voorwerpen waarop we onze aandacht richten. De representatie van deze aandachtig bekeken voorwerpen wordt daardoor versterkt in de visuele hersenschors. Hetzelfde effect trad op voor beloning. Voorwerpen die waren geassocieerd met hoge beloning werden met extra activiteit in de hersenschors gerepresenteerd. Dit onderzoek toonde dus een directe en onverwachte invloed aan van beloning op de wijze waarop aandacht wordt gericht en op de activiteit van zenuwcellen in de visuele hersenschors. Een beter begrip van de aansturing van aandachtsprocessen is van belang voor ziekten waarbij de aandacht is verstoord, zoals ADHD en de gevolge van hersenbloedingen en infarcten die de aansturing van aandacht negatief beïnvloeden.
 

Wat doen de zes lagen van de hersenschors?

De hersenschors is de plaats waar ons denken en ons bewustzijn tot stand komt. De hersenschors bestaat uit 6 onderscheidbare lagen, maar de rol van deze afzonderlijke lagen bij de bewuste waarneming wordt slecht begrepen. Het onderzoek van Self et al. (2013, Current Biology) onderzocht de rol van de lagen van de hersenschors bij de waarneming van visuele beelden in de primaire visuele hersenschors. Dit is het eerste schakelstation in de hersenschors voor visuele waarneming. We vonden dat de visuele beelden vanuit het oog eerst aankomen in laag 4. Na een korte tijd koppelden hogere gebieden van de hersenschors terug om de activiteit van hersencellen in lagen 2, 3, 5 en 6 te versterken. Uit eerdere onderzoeken van ons lab wisten we al dat deze versterking van belang is om de informatie te laten doordringen in het bewustzijn. Omdat dit onderzoek een uniek inzicht gaf in de rol van de lagen van de hersenschors zijn deze resultaten van belang voor een beter begrip van bewustzijn, en dus indirect voor het begrip van bewustzijnstoornissen die optreden bij vele ziekten, bijvoorbeeld in coma-patiënten. Ook begrijpen we nu beter hoe verschillende hersenschorsgebieden communiceren en samenwerken. Deze samenwerking blijkt verstoord te zijn bij bijvoorbeeld de ziekte van Alzheimer en schizofrenie.