Distinct and shared neural resources between processing of dynamic physical objects and spatial working memory

Het Zwitserse zakmes van de hersenen versus het gespecialiseerde gereedschap

Stel je voor dat je brein een bruisende stad is. In deze stad zijn er gespecialiseerde districten gewijd aan specifieke taken: een "Muziekdistrict" voor het horen van melodieën, een "Taaldistrict" voor het begrijpen van woorden, en een "Visueel District" voor het zien van kleuren. Maar er is ook een algemeen "Centrum", vaak de frontopariëtale cortex genoemd, die oplicht zodra je voor een moeilijke uitdaging staat, of het nu gaat om het oplossen van een wiskundeprobleem, jezelf tegenhouden om op een rode knop te drukken, of het onthouden van een telefoonnummer. Wetenschappers vragen zich al lang af wat de relatie is tussen dit drukke Centrum en de gespecialiseerde districten. Is er bijvoorbeeld een speciaal "Fysica-district" in de hersenen dat alleen bedoeld is om te begrijpen hoe objecten bewegen, botsen en vallen? Of voert datzelfde Centrum simpelweg een dubbelrol uit, waarbij het zowel complexe natuurkundige problemen als algemene mentale gymnastiek aanpakt?

Om dit te begrijpen, moeten we twee dingen weten. Ten eerste is Intuïtieve Fysica het natuurlijke vermogen dat we allemaal hebben om te voorspellen hoe de wereld werkt—zoals weten dat een toren van blokken zal omvallen als je de onderkant wegduwt, of dat een bal van een muur zal stuiteren. Ten tweede is Ruimtelijk Werkgeheugen het mentale plakzettel dat we gebruiken om een locatie in ons hoofd te houden, zoals het onthouden waar je je fiets hebt geparkeerd of het volgen van een vriend in een drukke kamer. De grote vraag is: gebruikt het brein een uniek, toegewijd team van neuronen dat alleen voor fysica is, of roept het hetzelfde algemene "hardwerkende" team aan dat alle moeilijke taken afhandelt? Als het hetzelfde team is, dan betekent goed zijn in fysica misschien gewoon dat je een heel sterk algemeen concentratievermogen hebt. Als het een uniek team is, dan is fysica een speciale vaardigheid op zich.

De dubbele dienst van de hersenen

In dit onderzoek besloten onderzoekers Samuel Maione en Shari Liu van de Johns Hopkins University een spelletje "verschil zoeken" te spelen in de hersenen van 28 volwassenen. Ze wilden zien of de hersengebieden die houden van het nadenken over fysieke objecten (zoals biljartballen die stuiteren) exact dezelfde gebieden zijn die houden van het oplossen van moeilijke geheugispuzzels.

Ze plaatsten de deelnemers in een MRI-scanner en gaven hen twee hoofduitdagingen. Eerst lieten ze video's zien van bewegende stippen. Soms gedroegen de stippen zich als fysieke objecten (stuiterend tegen muren zoals biljartballen), en soms gedrogen ze zich als sociale agenten (achter elkaar aan jagend zoals vrienden). De deelnemers moesten bijhouden waar de stippen naartoe zouden gaan als ze even zouden verdwijnen. Ten tweede speelden ze een ruimtelijk werkgeheugenspel. De deelnemers zagen een raster waar blauwe vierkantjes verschenen. In de "gemakkelijke" versie lichtten er slechts een paar vierkantjes op. In de "moeilijke" versie lichtten er veel vierkantjes op, en moesten de deelnemers precies onthouden waar ze waren.

De onderzoekers gebruikten een slimme truc genaamd "functionele regio's van belang" (fROIs). Denk hierbij aan het vinden van de specifieke wijken in de stadsplanning van de hersenen die het meest oplichten voor elke taak. Ze vonden de "Fysieke Wijk" (de plekken die meer van de biljartbal-video's hielden dan van de sociale video's) en de "Hard-Werk-Wijk" (de plekken die meer van het moeilijke geheugenspel hielden dan van de gemakkelijke versie).

Dit is wat ze ontdekten, en het is een beetje een plotwending:

1. De wijken overlappen, maar niet perfect
De "Fysieke Wijk" en de "Hard-Werk-Wijk" zijn buren. Ze delen enkele straten. Ongeveer een kwart van de hersencellen in deze gebieden maakt deel uit van beide wijken. Dit suggereft dat het brein niet over volledig gescheiden teams beschikt voor deze taken; ze liggen vlak naast elkaar en werken soms samen.

2. De eenrichtingsweg
Dit is waar het interessant wordt. De onderzoekers ontdekten een vreemde asymmetrie.

• De Hard-Werk-Wijk (de plekken die normaal gesproken moeilijke taken afhandelen) leek niet veel te geven om de vraag of de taak over fysica of sociale agenten ging. Ze lichtten gewoon op omdat de taak moeilijk was.
• Echter, de Fysieke Wijk (de plekken die normaal gesproken van fysica houden) lichtte wel sterk op toen de deelnemers het moeilijke geheugenspel deden. Sterker nog, deze "fysica-minnende" cellen werkten net zo hard voor het geheugenspel als voor het fysicaspel.

Het is alsoer dat je een gespecialiseerde bakkerij vindt die toevallig ook de beste plek is om een kop koffie te halen, maar de koffiebar ernaast bakt eigenlijk geen brood. De "fysica"-cellen zijn veelzijdig; ze zijn blij met fysica, maar ze zijn ook blij met moeilijke ruimtelijke geheugentaken. De "hard-werk"-cellen zijn echter minder kieskeurig over het onderwerp en willen gewoon een uitdaging.

3. Het voorspellingsspel
Vervolgens keken de onderzoekers naar individuele verschillen. Ze vroegen zich af: "Als iemand superactieve 'fysica'-cellen heeft, zijn ze dan beter in het geheugenspel?"
Het antwoord was een volmondig ja. Mensen wiens "Fysieke Wijk" het meest oplichtte tijdens het moeilijke geheugenspel, waren ook het meest accuraat in het onthouden van de locaties op het raster.
Verrassend genoeg gold het omgekeerde niet. Iemand met superactieve "Hard-Werk-Wijk"-cellen maakte hen niet noodzakelijkerwijs beter in het geheugenspel. Het was specifiek de activiteit in de "fysica-minnende" cellen die voorspelde wie goed zou zijn in de ruimtelijke puzzel.

Wat dit betekent (en wat het niet betekent)

De studie suggereert dat de hersengebieden die we gebruiken om de fysieke wereld te begrijpen, niet slechts geïsoleerde specialisten zijn. Ze zijn ook sterk betrokken bij algemene ruimtelijke aandacht en veeleisende taken. De auteurs suggereren dat deze regio's een hybride kunnen zijn: ze zijn gespecialiseerd genoeg om fysica te kunnen afhandelen, maar ze worden ook ingezet voor andere zware klussen, vooral die met betrekking tot ruimte en locatie.

De auteurs benadrukken echter voorzichtig dat dit niet de enige manier is waarop de hersenen werken. De onderzoekers merkten op dat hoewel de "fysica"-cellen hielpen bij het geheugenspel, de "hard-werk"-cellen niet leken te voorspellen wie goed was in het geheugenspel. Dit suggereert dat hoewel het netwerk voor fysiek redeneren betrokken is bij ruimtelijke taken, het niet het hele verhaal is.

Bovendien konden de onderzoekers niet testen of deze hersenpatronen voorspelden wie goed was in het fysicaspel zelf. Waarom? Omdat de test voor het fysicaspel een beetje "ruizig" was—de scores van mensen varieerden te veel om een duidelijke lijn te trekken tussen hersenactiviteit en vaardigheid. Dus hoewel we weten dat de "fysica"-cellen helpen bij het geheugen, weten we nog niet of zij het geheime ingrediënt zijn voor een fysica-genie.

Kortom, het "fysica-team" van de hersenen is ook een "ruimtelijk geheugen-team". Het zijn dezelfde groep werkers, die alleen een ander hoedje opzetten afhankelijk van de taak. Maar het "hard-werk"-team is wat generieker en verschijnt bij elke moeilijke uitdaging zonder je noodzakelijkerwijs een meester te maken in die specifieke uitdaging. Deze studie suggereert dat ons vermogen om de fysieke wereld te begrijpen en ons vermogen om ruimte in ons hoofd te houden, diep met elkaar verweven zijn en dezelfde neurale ruimte delen.