Allereerste opname van een cruciaal visueel onderdeel van het menselijk brein

Onderzoekers van het Nederlands Herseninstituut zijn de eersten die de celactiviteit van een klein schakelstation in het centrum van het menselijke brein volledig in kaart brengen. Dit helpt ons om beter te begrijpen hoe het brein visuele informatie verwerkt en zal ons in de toekomst helpen bij het ontwikkelen van een visuele prothese voor blinden.

Het vermogen van het brein om visuele input te verwerken lijkt misschien op een simpel proces van twee stappen: je ogen krijgen informatie binnen van buitenaf en de visuele cortex in je brein ontcijfert die informatie.
Neurowetenschappers raken er echter steeds meer van overtuigd dat een klein schakelstation, bekend als de laterale geniculate nucleus (LGN), een verrassend grote rol speelt in dit proces. De rol van dit gebied is simpel: het overdragen van bijna alle visuele informatie van het oog naar de visuele cortex. Maar het blijkt dat dit station veel meer doet dat enkel informatie overdragen. Het  verandert en moduleert het signaal namelijk ook gedurende deze informatieoverdracht.

“Het lastige aan de LGN is dat het bijna altijd bestudeerd is in dieren. Ook is het heel erg klein, waardoor hersenscans niet zoveel informatie kunnen geven over de structuur en werking van dit gebied. Niet-invasieve metingen zijn ook niet mogelijk, omdat het diep weggestopt zit in ons brein en daarmee onmogelijk te bereiken is zonder invasieve procedures”, legt Matthew Self, eerste auteur, uit.

Een toevallige kans

Op het pensioenfeest van een collega kreeg hoofdonderzoeker Pieter Roelfsema een unieke kans aangeboden door zijn voormalig collega, Sergio Neuenschwander. “Hij zei gewoon: ‘Oh Pieter, dit is geweldig.’ Er is een neurochirurg in Brazilië die een elektrode gaat plaatsen in de LGN. Je moet echt komen kijken!”, legt Self uit.

De plaatsing van een hersenimplantaat is nog steeds vrij ongewoon maar kan gebruikt worden om het aantal epileptische aanvallen te verminderen in patiënten die resistent zijn tegen medicatie. Het richten op de LGN voor deze aanvallen is nog erg nieuw en is waarschijnlijk nog nooit eerder gedaan.

Omdat ze deze kans niet konden missen, vlogen Self en Roelfsema naar Brazilië om een visueel laboratorium op te zetten in de operatiekamer. Terwijl de operaties uitgevoerd werd, kregen ze dertig minuten om een paar experimenten uit te voeren. De patiënten waren gedurende de hele procedure wakker en reageerden normaal, waardoor Self en Roelfsema voor het eerst een blik konden werpen op de menselijke LGN.

Op het juiste pad

Het goede nieuws is dat hun observaties grotendeels overeenkwamen met de observaties die eerder in dierenonderzoek zijn gedaan. Elke cel reageert op een specifiek, klein, cirkelvormig gebied van je zicht. De cellen zijn ook vaak afgestemt op kleur (ze hebben een voorkeur voor groen op rood of rood op groen) en het lijkt erop dat ze een gelaagde structuur aanhouden die ook is gevonden in dieren.

De onderzoekers maakten echter een opvallende observatie wanneer patiënten vrijwillig een oog dichthielden. “Je kan dat niet echt aan dieren vragen”, voegt Self toe. Hij wist al dat de cellen van de LGN alleen reageren op visuele prikkels van één dominant oog. Maar toen de patiënten dat oog sloten, werden sommige van de cellen verrassend genoeg actiever, terwijl andere juist minder actief werden.

Self denkt dat dit gebeurt omdat deze cellen in de LGN de activiteit van andere cellen onderdrukken die anders zouden reageren op het gesloten oog. “Als je één oog sluit, blokkeer je de helft van je visuele input. Het is verbazingwekkend dat je perceptie ongeveer gelijk blijft. Het is een klein beetje vlakker, maar de kleuren, helderheid en contrast blijven nagenoeg onveranderd”, legt Self uit.

Misschien contra-intuïtief, maar het waarnemen van een toename in activiteit van de cellen die andere cellen in de LGN remmen, betekent juist dat de algehele activiteit afneemt. Op die manier is er nooit sprake van competitie in signalen wanneer één van de ogen gesloten is, en kan het andere oog gewoon het werk overnemen.

Herstellen van gedeeltelijk zicht van blinden

Onderzoekers in de groep van Roelfsema werken momenteel aan een visuele prothese die blinden zou kunnen helpen om gedeeltelijk zicht terug te krijgen. Deze prothese zou ook een elektrode bevatten die rechtstreeks in de LGN wordt geïmplanteerd.

“Het is erg validerend om te weten dat onze bevindingen in dieren overeenkomen met wat we vinden in mensen. Dit was slechts een klein experiment van een half uur, maar we hebben een gigantische berg aan informatie van apen en katten. Dit laat ons gewoon zien dat deze hoeveelheid kennis klopt, en dat we die informatie kunnen gebruiken om deze prothese te ontwerpen.”

Bron: Nature Communications