Tweerichtingsverkeer in de hersenen is belangrijk voor het zien van objecten

Er is een functioneel verschil in de manier waarop visuele informatie zich in het brein via verschillende verbindingen verspreidt. Dit blijkt uit onderzoek van de Vision & Cognition groep. De studie is op 5 juli gepubliceerd in het toonaangevende vakblad Neuron. Met behulp van elektrische hersenstimulatie laten de onderzoekers zien dat signalen die vanuit hogere hersengebieden worden teruggestuurd belangrijk zijn om te herkennen waar een voorwerp eindigt en de achtergrond begint.

Visuele informatie

Informatie uit onze ogen komt binnen in de hersenschors in lage gebieden die elementaire beeldeigenschappen verwerken en dringt daarna door in hogere gebieden die objecten herkennen. De manier waarop visuele informatie zich door de hersenen verspreidt hangt af van de richting waarin het zich beweegt. Terwijl informatie van lagere gebieden zo natuurgetrouw mogelijk wordt doorgegeven naar hogere gebieden zijn signalen die vanuit hogere hersengebieden worden teruggestuurd naar lagere gebieden sterk afhankelijk van de interpretatie van de visuele wereld.

Tweerichtingsverkeer

Stel je voor dat je op een zonnige zaterdagmiddag door het bos wandelt en plots wordt je aandacht getrokken door het kenmerkende geluid van een uil. Terwijl je de boomtoppen afspeurt gebeurt er van alles in je visuele hersenschors. De informatie die via onze ogen binnenkomt, wordt in de hersenen stapsgewijs verwerkt in verschillende hersengebieden. De lagere gebieden representeren basale visuele informatie zoals oriëntatie en contrast en geven deze informatie via ‘feedforward’ verbindingen door aan hogere gebieden die complexere visuele aspecten zoals de vorm van een voorwerp detecteren. Deze complexe informatie wordt vervolgens via ‘feedback’ verbindingen weer gedeeld met de lagere gebieden. Zodra je de uil gespot hebt, informeren hogere gebieden de lagere gebieden welke ‘streepjes’ er bij de boomstronk horen en welke bij de uil. Eenzelfde mechanisme helpt ook bij het detecteren van naderende auto’s in het verkeer, of bij het vinden van je sleutelbos op een vol bureau.

Verwerkingsstappen

In deze studie lieten de onderzoekers met behulp van elektrische stimulatie in de visuele hersenschors van resusapen zien dat er inderdaad een belangrijk verschil is in de manier waarop informatie zich in feedforward en feedback richtingen verspreidt. De onderzoekers stimuleerden lagere hersengebieden (gebied V1) en hogere gebieden (gebied V4). De resusapen voerden een simpel taakje uit waarbij ze op een computerscherm een vierkant voorwerp detecteerden tegen een achtergrond die er vrijwel hetzelfde uitzag. Terwijl de feedforward stimulatie effecten zichtbaar waren tijdens de hele periode dat de zenuwcellen de visuele informatie verwerkten, bleek feedback stimulatie alleen een latere fase te interfereren met de scheiding van figuur en achtergrond. Dit verschil duidt erop dat tijdens visuele verwerking feedforward verbindingen in de hersenen informatie natuurgetrouw doorgeven, terwijl feedback verbindingen pas een rol gaan spelen als de complexere informatie in hogere gebieden is verwerkt en een object is gedetecteerd.

Het tweerichtingsverkeer van feedforward en feedback verbindingen lijkt een algemeen principe te zijn waarmee de hersenen visuele informatie verwerken. Elektrische stimulatie van de hersenschors zou in de toekomst kunnen worden gebruikt om een camera op de hersenschors aan te sluiten om zo blinden mensen weer te laten zien. De nieuwe inzichten in de werking van verbindingen tussen hersenschorsgebieden zijn daarom van groot belang voor de ontwikkeling van visuele prothesen.

Voor meer informatie kunt u contact opnemen met Pieter Roelfsema via p.roelfsema@nin.knaw.nl.