Abstract Representations of Sensorimotor Transformations in Human Premotor Cortex

Het menselijk lichaam is een wonder van aanpassingsvermogen. We kunnen reiken naar een koffiekopje op een rommelig bureau, vervolgens direct overschakelen naar typen op een toetsenbord, en later een tennisracket sturen om een snel bewegende bal te raken. Elke een van deze handelingen vereist dat de hersenen een visueel doel — zien waar het object zich bevindt — vertalen naar een specifieke fysieke beweging. Decennialang hebben wetenschappers begrepen dat de hersenen een kaart van het lichaam bevatten, waarbij specifieke gebieden oplichten om verschillende spieren aan te sturen. Echter, een diepere vraag bleef onbeantwoord: slaat de hersenen simpelweg een lijst met spiercommando's op voor elke mogelijke situatie, of bezitten ze een flexibeler, abstract begrip van hoe men moet handelen? Als de regels van het spel veranderen, zoals wanneer een hulpmiddel de relatie tussen hand en object wijzigt, leren de hersenen dan alles opnieuw van de grond, of herkennen ze de nieuwe regel en passen ze een ander soort logica toe? Het begrijpen van dit onderscheid is cruciaal, omdat het onthult hoe we nieuwe vaardigheden zo snel aanleren en hoe we de controle behouden wanneer onze omgeving onverwacht verandert.

Om dit te onderzoeken, richtten onderzoekers hun aandacht op de sensorimotorische cortex, een regio in de hersenen die zich nabij de bovenkant van het hoofd bevindt en verantwoordelijk is voor het plannen en uitvoeren van bewegingen. Ze wilden zien of dit gebied twee verschillende soorten informatie tegelijkertijd kon vasthouden: de richting waarin iemand zijn hand bewoog, en de specifieke regel of "context" die bepaalde hoe die beweging vertaalde naar een visueel resultaat. In een gecontroleerd experiment zaten deelnemers in een magnetische resonantie-imaging scanner, een machine die gedetailleerde beelden van hersenactiviteit maakt. Terwijl ze erin zaten, leerden ze een computercursor op een scherm te besturen met alleen hun pols. De uitdaging was dat de verbinding tussen hun pols en de cursor niet altijd recht evenredig was. In één reeks proeven bewoog de cursor op een manier die geroteerd was ten opzichte van hun hand; in een andere reeks bewoog de cursor alsof deze gespiegeld was, als een spiegelbeeld. De deelnemers moesten deze twee verschillende regels leren en ertussen schakelen, terwijl de onderzoekers observeerden wat er in hun hersenen gebeurde.

De wetenschappers analyseerden de patronen van hersenactiviteit om te zien of ze het verschil konden zien tussen iemand die simpelweg zijn hand in een bepaalde richting bewoog en iemand die zijn hand bewoog terwijl hij een specifieke regel volgde. Ze ontdekten dat de hersenen deze twee zaken niet als hetzelfde beschouwden. In de primaire motorische cortex, een gebied dat bekend staat om het verzenden van directe signalen naar spieren, veranderden de activiteitspatronen afhankelijk van de richting waarin de pols bewoog, maar ze bleven gelijk ongeacht welke regel de persoon volgde. Dit suggereert dat dit deel van de hersenen gericht is op de fysieke mechanica van de beweging zelf. Er ontstond echter een ander verhaal in de dorsale premotorische cortex, een regio die zich net vóór het primaire motorische gebied bevindt. Hier veranderden de hersenactiviteitspatronen niet alleen met de richting van de beweging, maar ook met de specifieke regel die werd gebruikt. De neuronen in dit gebied leken een dubbele boodschap te dragen: ze wisten waar de hand naartoe ging, en ze kenden ook de abstracte context van de taak.

De studie ging verder om te zien of dit abstracte begrip ertoe deed voor de prestaties van mensen. De onderzoekers ontdekten dat individuen die sterkere hersenactiviteitspatronen vertoonden voor de transformatiecontext in hun premotorische cortex, degenen waren die beter presteerden bij de taak. Met andere woorden: de mensen wiens hersenen beter in staat waren om tussen de verschillende regels te onderscheiden, waren degenen die hun bewegingen effectiever konden aanpassen. Deze bevinding suggereert dat de premotorische cortex fungeert als een brug tussen het idee van wat er moet gebeuren en het daadwerkelijke commando om de spieren aan te sturen. Het geeft niet alleen bevelen af voor specifieke spieren om te vuren; het houdt een flexibele representatie van de situatie vast, waardoor de hersenen de juiste strategie kunnen toepassen wanneer de regels van het spel veranderen. De resultaten wijzen erop dat ons vermogen om te leren en aan te passen geworteld is in een neuraal systeem dat in staat is om het doel en de context te scheiden van de specifieke fysieke bewegingen die nodig zijn om het doel te bereiken.