Perceptuele organisatie

Feedforward en feedback processen

Vroeger werd het visuele systeem gezien als een puur feedforward systeem waarin informatie via eenrichtingsverkeer wordt doorgegeven van lagere naar hogere hersengebieden. De ingewikkelde berekeningen om bijvoorbeeld een voorwerp van andere objecten te onderscheiden werd daarin toegeschreven aan hogere gebieden, omdat de neuronen in de lagere gebieden ieder maar op een heel klein gedeelte van de visuele wereld kunnen representeren. In hogere visuele gebieden daarentegen representeren de hersencellen ieder een veel groter gedeelte van de visuele wereld wat het mogelijk zou maken om combinaties van meerdere kleine elementen te kunnen waarnemen, of zelfs hele objecten. Inmiddels weten we echter dat het visuele systeem niet alleen maar hiërarchisch is en dat zelfs cellen in de lagere visuele gebieden in staat zijn om hun activiteit aan te passen (‘moduleren’) aan de context waarin ‘hun’ kleine gedeelte van de visuele wereld zich bevindt en wordt waargenomen.

Ons onderzoek richt zich op de mechanismen achter deze modulatie en de relatie tussen veranderingen in activiteit in lagere visuele gebieden en het gedrag van dieren die een cognitieve taak uitvoeren. We denken dat de eerste visuele responsen in de primaire visuele cortex voornamelijk gedreven worden door feedforward processen en dat er in deze fase nog geen invloed op de activiteit is van contextuele informatie. In een latere fase van de respons (ongeveer 100 ms nadat de stimulus in beeld komt) begint feedback van hogere gebieden een rol te spelen en wordt de respons context-afhankelijk. We hebben onder andere laten zien dat deze latere activiteit correleert met de perceptie van dieren in computertaken waarin zij visuele objecten onderscheiden van een achtergrond (figuur-achtergrond taken). Sterker nog, door alleen naar dit deel van de respons te kijken kunnen we redelijk goed voorspellen wat de keus van een dier zal zijn in een taakje waarbij ze een complex lijnpatroon mentaal volgen (‘curve-tracing’) om te bepalen welk visueel voorwerp ze moeten kiezen om een beloning te krijgen. Dit soort vindingen suggereert dat feedback ervoor zorgt dat ook meer complexe informatie beschikbaar is in de activiteit van hersencellen in de primaire visuele hersenschors.
De activiteit van cellen in V1 wordt beïnvloed door context. We hebben de activiteit van cellen gemeten wanneer hun receptieve veld (de groene regio) geplaatst wordt op een figuur (blauw) of op de achtergrond (paars). Het begin van de respons wordt gedreven door feedforward input en is gevoelig voor de oriëntatie van de lijnelementen die in het receptieve veld zijn vallen. Dit vroege respons kan geen onderscheid maken tussen een figuur en een achtergrond. Na ongeveer 100 ms, echter, verhoogt de cel zijn activiteit wanneer het receptief veld op de figuur valt, en wordt de activiteit verlaagd wanneer er een achtergrond in het receptief veld valt. Nu is er een verschil in activiteit ontstaan tussen figuur en achtergrond responsen, welke figuur-achtergrond modulatie wordt genoemd. We denken dat deze modulatie wordt veroorzaakt door feedback verbindingen vanuit hogere visuele gebieden.

Interacties tussen lagere en hogere gebieden in de visuele cortex

Een van de dingen waar ons lab zich mee bezighoudt is de vraag hoe aandacht de feedback van hogere naar lagere visuele gebieden stuurt en daarmee visuele perceptie mogelijk maakt. We onderzoeken dit voornamelijk in mensen, apen en muizen. Muizen hebben misschien niet zo’n geavanceerde visueel brein als primaten, maar recent onderzoek heeft laten zien dat er toch een topografische organisatie is in de visuele gebieden van muizen en dat er maar liefst 9 visuele gebieden in muizen zijn te onderscheiden zijn die we ook in primaten zien. Daarnaast zijn er ook nog 2 gebieden gevonden waarvan voorheen werd gedacht dat deze in muizen niet op visuele prikkels reageerden.

De muis heeft grote voordelen, omdat in dit diermodel genetische technieken mogelijk zijn die niet in mensen of niet-humane primaten kunnen worden toegepast. De GCaMP-transgene muis is stelt ons bijvoorbeeld in staat stelt om de hersenen op geheel nieuwe manieren te onderzoeken en begrijpen. GCaMP is een genetisch gecodeerde, groen fluorescerende calcium indicator. Dit wil zeggen dat het calcium-stromen kan detecteren die ontstaan wanneer hersencellen actief worden, bijvoorbeeld wanneer ze een visuele stimulus verwerken. GCaMP kan in individuele cellen worden ingebracht om zo specifieke kennis te verkrijgen van hersenfuncties op het niveau van individuele cellen en synapsen in wakkere dieren die taakjes uitvoeren. We proberen de taken die we onze muizen leren zoveel mogelijk te laten lijken op de taken die we gebruiken in onze studies met mensen en apen om de resultaten beter te kunnen generaliseren. Ook ontwikkelen we ‘transcraniële wijd-veld microscopie’, een nieuwe manier om de activiteit van veel hersengebieden in muizen tegelijk in beeld te brengen. Hierbij maken we, door de schedel heen, door middel van fluorescentie een filmpje van de activiteit van een groot deel van de hersenen. We hopen dat we op deze manier beter inzicht krijgen in de complexe structurele en functionele interacties tussen de hersennetwerken die ten grondslag liggen aan visuele perceptie, en zijn voornamelijk geïnteresseerd in het onderscheid tussen de rol van feedforward en feedback verbindingen.

De rol van de lagen van de hersenschors

De hersenschors van de grote hersenen bestaat uit zes lagen die opmerkelijk genoeg heel vergelijkbaar zijn in verschillende gebieden. Cellen in een bepaalde laag hebben bijvoorbeeld altijd een stereotypisch patroon van activiteit, en verbindingen vanuit andere gebieden komen altijd binnen en eindigen in dezelfde lagen. Dit betekent dat er mogelijk een ‘standaard microcircuit’ is dat hetzelfde is in de hele hersenschors. We denken dat zo een standaard microcircuit nuttig is, omdat hetzelfde soort berekeningen uitgevoerd moeten worden in de verschillende gebieden. Los van de overeenkomsten is het microcircuit echter nog flexibel genoeg om berekeningen uit te voeren die specifiek zijn voor gebiedsspecifieke taken.
Feedforward verbindingen komen voornamelijk binnen in laag 4 van de hersenschors en zorgen voor verhoogde activiteit die zich verspreid door de rest van het microcircuit. De feedforward verbindingen in de vroegere visuele hersenschors zijn meestal gevoelig voor de oriëntatie van kleine visuele textuur-elementen. Feedback verbindingen terug naar de primaire visuele hersenschors komen binnen in laag 1,2 en 5 en zorgen ervoor dat activiteit kan worden gemoduleerd, met name in laag 5/6 en laag 2/3. Feedback markeert als het ware het vierkante figuur met verhoogde activiteit en helpt op die manier om een perceptueel onderscheid te maken tussen de figuur en d