Cognitieve processen in de vroege visuele hersengebieden

Aandacht en werkgeheugen

Complex gedrag is alleen mogelijk in een organisme dat de mogelijkheid heeft zijn omgeving waar te nemen, er van te leren, en opgedane ervaringen te onthouden. In ons lab zijn we geïnteresseerd in de hersenmechanismen achter complexe functies zoals aandacht en werkgeheugen. In een drukke omgeving is aandacht essentieel om informatie selectief te kunnen verwerken, terwijl werkgeheugen, een speciale vorm van korte termijn geheugen, het mogelijk maakt om relevante informatie uit je geheugen op te halen en te gebruiken. Deze functies zijn vaak verstoord bij ziekten zoals schizofrenie en ADHD. Een van onze doelen is om beter te begrijpen hoe verschillende vroege visuele gebieden (bijv. V1 of V4) en hogere visuele gebieden (bijv. ‘frontal eye fields’ (FEF)), samenwerken bij het uitvoeren van taken die aandacht en werkgeheugen vereisen. Hiervoor meten we de activiteit van één of meer hersencellen in makaken en muizen, terwijl zij zo’n taak uitvoeren. Daarnaast gebruiken we nieuwe technieken zoals optogenetica (het tijdelijk manipuleren van hersencellen door ze met genetische technieken lichtgevoelig te maken), micro-iontophoresis (het met behulp van elektrische lading inbrengen van geneesmiddelen/drugs) en injecties van stoffen die specifieke neurotransmitter systemen beïnvloeden (bijv. acetylcholine, glutamaat of dopamine, etc). Dit geeft ons de mogelijkheid de specifieke bijdragen van deze neurotransmitter systemen aan aandacht en werkgeheugen te onderzoeken.

Het nemen van beslissingen en het selecteren van acties

Het omzetten van binnenkomende zintuiglijke informatie in gedrag is één van de meest fundamentele functies van elk zenuwstelsel. Visuele informatie wordt bijvoorbeeld gebruikt om saccades (oogbewegingen) te kunnen maken naar een interessant object. Hiervoor is onder andere een perceptueel proces nodig dat objecten kan onderscheiden van hun achtergrond en dat deze informatie vervolgens door kan geven aan een motor systeem dat dit kan vertalen naar saccades in de richting van de juiste locatie. Begrip van deze processen zijn van groot belang voor de ontwikkeling van ondermeer visuele hersenschorsprothesen waarmee blinden weer zouden moeten kunnen zien.

Ons lab heeft veel ervaring met het onderzoeken van cognitieve taken waarin makaken saccades maken naar een object dat op een monitor wordt getoond. Dit heeft al veel inzicht opgeleverd in de neurale mechanismen waarmee vroege visuele hersengebieden visuele informatie verwerken. Met name de neurale mechanismen waarmee aandacht ervoor zorgt dat objecten van hun achtergrond kunnen worden onderscheiden zijn op deze wijze in kaart gebracht. Momenteel onderzoeken we hoe dit signaal vervolgens wordt omgezet in een motor-plan en uiteindelijk gedrag. Daarvoor kijken we onder andere naar activiteit in de superior colliculus (SC). Dit hersengebied in het middenbrein krijgt input van V1 en geeft informatie af aan motor gebieden, waardoor het een uitgelezen kandidaat lijkt om deze omzetting uit te voeren. Hersencellen in de bovenste lagen van de SC lijken vooral te reageren op visuele input, terwijl de diepere lagen vooral cellen lijken te bevatten die niet alleen actief zijn bij het ‘zien’ van een visuele stimulus, maar ook wanneer er een saccade wordt gemaakt. De diepere lagen zijn daarnaast ook verbonden met hogere corticale gebieden waarvan we weten dat ze informatie bevatten over prioriteiten en doelen voor gedrag. Hierdoor lijkt de SC dus de uitgelezen plek om ‘bottom-up’ visuele informatie te combineren met ‘top-down’ motivatie-signalen en zo de juiste motor respons te selecteren. Met behulp van elektroden te onderzoeken we hoe aandacht en sensorische informatie worden gerepresenteerd in de SC, en hoe deze informatie vervolgens in de verschillende lagen wordt omgezet in een motor signaal.

Beloning verwerken

Beloningen kunnen worden gebruikt als om een bepaald gedrag te versterken. Als bijvoorbeeld een beloning wordt gegeven direct nadat een bepaald gedrag is uitgevoerd verhoogt dit de kans dat hetzelfde gedrag later nog eens plaatsvindt. Als motivatiemiddel kan een beloningsprikkel dus, door de positieve gevoelens die het opwekt, leer- en beslissingsprocessen beïnvloeden en doelgericht gedrag bevorderen.

Het verwerken van beloning wordt traditioneel toegeschreven aan hersengebieden zoals het ventrale tegmentale gebied (VTA), waarvan wordt gedacht dat het betrokken is bij het genereren van de motivatie om beloningen te verkrijgen. Een deel van de cellen in dit gebied communiceert door middel van de neurotransmitter dopamine. Beloningsinformatie vinden we echter ook terug in andere hersengebieden, waaronder de primaire visuele hersenschors (V1). Schizofrenie gaat gepaard met een verstoring van deze functies. Ook is het begrip van de verwerking van beloningen van groot belang voor diepe hersenstimulatie omdat de elektroden bij deze behandeling geplaatst in de hersencircuits die beloningsinformatie verwerken.

Zou het kunnen dat de effecten van beloning in visuele hersenschors afhankelijk zijn van cholinerge signalen uit het basale voorbrein, zogenaamde neuromodulatoren? Omdat recent werk in ons lab heeft aangetoond dat er een gezamenlijk hersensignaal bestaat voor beloning en aandacht in de primaire visuele hersenschors (Stanisor, van der Togt, Pennartz & Roelfsema, PNAS, 2013), bestuderen we nu de rol van neuromodulatoren in, en de relatie tussen, aandacht en beloningsverwerking in de visuele hersengebieden. Dit doen we met behulp van verschillende nieuwe technieken, zoals elektrofysiologie (bijvoorbeeld met meerdere elektrodes tegelijk, of met elektrodes die tegelijk de activiteit in meerdere lagen van de cortex tegelijk kunnen meten), 2-foton en wijd-veld microscopie in dieren die een computertaakje uitvoeren. Op deze manier proberen we de neurale mechanismen in kaart te brengen die verantwoordelijk zijn voor gedrag dat gestuurd wordt door beloningsprikkels.

Leren en plasticiteit

Het vermogen je aan te kunnen passen aan je omgeving is essentieel om te overleven. Aanpassing kan plaatsvinden door natuurlijke selectie, maar dit is een erg langzame manier die meerdere generaties duurt. Een andere manier om je aan te passen aan veranderingen is door te leren om je reacties op bepaalde prikkels te veranderen in reacties die betere gevolgen hebben. Voor een dergelijke strategie zijn twee dingen nodig. Een goed waarnemingssysteem moet zowel de prikkels als de consequenties van de gekozen reacties verwerken, terwijl een plastisch computationeel systeem de prikkels aan de juiste consequenties moet kunnen koppelen om het juiste gedrag te selecteren.

We gaan ervan uit dat het leren van de relatie tussen prikkels en gedrag leidt tot veranderingen in de activiteit van neuronen die bij dit proces betrokken zijn. We verwachten dat aandacht hier een belangrijke rol in speelt, bijvoorbeeld doordat het aandachtig waarnemen van een stimulus een voorwaarde in om iets over de betekenis ervan te leren. Ons onderzoek is erop gericht om te achterhalen welke gebieden in de hersenschors hun activiteit veranderen tijdens dit soort leerprocessen en hoe deze gebieden samenwerken om gedrag aan te sturen. We denken dat de samenwerking tussen verschillende hersengebieden essentieel is voor het vermogen om te kunnen leren.

In deze studies gebruiken we onder andere een combinatie van wijd-veld microscopie en elektrofysiologie in muizen die een simpele computertaakje leren uit te voeren. Op deze manier kunnen we de verandering van hersenactiviteit als gevolg van het leerproces in de hele hersenschors tegelijk volgen. Om het verband tussen aandacht en leren beter te begrijpen gebruiken we UTAH-arrays (kleine plaatjes met een groot aantal elektroden), om de activiteit van enkele en meerdere cellen in gebieden V1 en V4 in de visueel hersenschors van makaken te meten. Beide methodes zorgen ervoor dat we informatie verkrijgen van wat er tegelijkertijd gebeurt in meerdere hersengebieden. Dit is belangrijk om een idee te krijgen hoe de verschillende processen in meerdere gebieden aan elkaar gerelateerd zijn (waar begint bijvoord een verandering, en in welke volgorde volgen andere gebieden?).

Bewustzijn

Hoe ontstaat ons bewustzijn? Hoewel het duidelijk lijkt dat bewustzijn een oorsprong heeft in de hersenen is het precieze mechanisme nog altijd één van de grootste uitdagingen binnen de hersenwetenschap. Wat is (in het brein) het verschil tussen informatie waarvan je beseft dat je het hebt waargenomen en informatie waarvan je je niet bewust bent?

Om dit te onderzoeken vragen we proefpersonen om een visuele stimulus te detecteren die we maar heel kort laten zien. Door de korte presentatie zullen ze dezelfde stimulus soms wel en soms niet detecteren en rapporteren. Uit een vergelijking van de hersenactiviteit in situaties waarin de stimulus wel en niet wordt gerapporteerd (terwijl hij wel altijd is getoond) kunnen we achterhalen welk aspect van de activiteit is gerelateerd aan de bewuste waarneming en het vermogen erover te rapporteren.

Een dergelijk experiment doen we bijvoorbeeld terwijl we de activiteit meten van neuronen in visueel gebied V4. Visuele neuronen hebben een zogenaamd ‘receptief veld’, een klein deel van de visuele ruimte waarin ze gevoelig zijn voor visuele stimuli. Doordat alle cellen binnen een visueel gebied een iets ander receptief veld hebben vormen ze samen een soort kaart van de visuele ruimte. Als visuele hersencellen elektrisch gestimuleerd worden kan dit leiden tot het ‘zien’ van een lichtvlek (‘fosfeen’) op een plek in de ruimte die overeenkomt met het receptieve veld. Door cellen in een vroeg visueel gebied (bijv. V1) elektrisch te stimuleren en de activiteit te meten van cellen in een hoger visueel gebied (bijv. V4) met een overlappend receptief veld kunnen we de informatie-overdracht in de hersenschors bestuderen. Door bij gelijke stimulatie-sterkte een vergelijking te maken tussen hersenactiviteit bij gedetecteerde en niet gedetecteerde fosfenen kunnen we onderscheid maken tussen bewuste en niet-bewuste hersenprocessen. Dit leidt tot meer inzicht in de neurale mechanismen van perceptie, zodat we op een dag hopelijk precies kunnen uitleggen hoe bewustzijn tot stand komt in de hersenen. Beter begrip van de bewuste waarneming van fosfenen is ook van groot belang bij de ontwikkeling van en hersenprothese voor blinden.

Multitasken, waarom niet?

De meeste mensen hebben moeite om meerdere dingen tegelijk te doen (‘multi-tasken’). Pogingen om dit toch te doen leiden vaak tot fouten of het vertraagd uitvoeren van een van de taken. Ook twee taken die snel na elkaar moeten worden uitgevoerd lijden hier vaak onder. De reactietijd voor de tweede taak is in zulke situatie vaak vertraagd (de zogenaamde ‘psychologische refractaire periode’). Er zijn verschillende mogelijke verklaringen voor het feit dat we niet goed kunnen multi-tasken. Het kan bijvoorbeeld zijn dat twee taken dezelfde neuronen of mechanismen nodig hebben om uitgevoerd te kunnen worden en dat er simpelweg te weinig neurale middelen beschikbaar zijn om dit tegelijk te doen. Een andere verklaring zou kunnen zijn het selecteren van twee reacties niet tegelijk plaats zou kunnen vinden en dat er daardoor vertragingen optreden. Welke verklaring het dichtst bij de waarheid ligt is momenteel niet bekend.

In ons lab bestuderen we hoe de activiteit in verschillende visuele hersengebieden (bijv., V1, V4 en FEF) verandert als een aap twee taken tegelijk probeert uit te voeren. Hiervoor gebruiken we wederom de bovengenoemde UTAH-arrays om de activiteit van neuronen te meten. Een voorbeeld van een dergelijk UTAH-array is te zien op de foto hiernaast (de cent ernaast geeft een idee van het formaat). Doordat we activiteit meten in meerdere gebieden kunnen we het effect van multi-tasken onderzoeken op verschillende verwerkingsniveaus (bijv, visuele verwerking, het omzetten van visuele informatie in een motorrespons, en het selecteren en uitvoeren van een reactie).