Shared symmetry detection with divergent temporal dynamics in marmosets and humans

Symmetrie is een fundamentele taal van de visuele wereld, een patroon dat ons brein blijkbaar instinctief herkent. Het is het spiegelbeeld van een gezicht, de evenwichtige vleugels van een vlinder, of de herhalende tegels op een vloer. Decennialang wisten wetenschappers al dat het menselijk brein beschikt over een specifiek netwerk voor het herkennen van deze patronen, dat oplicht in specifieke gebieden aan de achterkant van het hoofd wanneer we ze zien. Maar een centrale vraag in de biologie van ons denken bleef onbeantwoord: is dit vermogen een speciale menselijke uitvinding, of is het een gedeelde eigenschap die afkomstig is van onze verre primatenvoorouders? Om dit te ontdekken, moesten onderzoekers in de hersenen van andere primaten kijken, maar het doen hiervan zonder invasieve chirurgie was een grote hindernis. Hoewel eerdere studies bij apen vertrouwden op hersenscans die de bloeddoorstroming laten zien, konden zij niet de fractie van een seconde tellende elektrische timing vastleggen van hoe het brein een patroon verwerkt.

Een team van onderzoekers heeft nu deze kloof overbrugd door te vergelijken hoe mensen en marmosets (een kleine, Nieuwe Wereld-aap) reageren op visuele symmetrie. Ze richtten zich op twee verschillende soorten patronen: reflectie, wat als een spiegelbeeld werkt, en rotatie, waarbij een vorm zich herhaalt terwijl deze draait. Door gebruik te maken van een niet-invasieve methode die elektrische signalen van de hoofdhuid registreert, ontdekten zij dat beide soorten beschikken over een snelle, automatische capaciteit om spielsymmetrie te detecteren. Echter, wat betre de rotatie betreft, verschilden de twee soorten van elkaar. Terwijl mensen een constante, aanhoudende elektrische reactie behielden op roterende patronen, reageerden de hersenen van de marmosets slechts kortstondig voordat ze tot rust kwamen. Deze bevinding suggereert dat de basis, snelle machinerie voor het spotten van symmetrie oeroud en gedeeld is tussen primaten, maar dat de complexere, langdurige verwerking die mensen gebruiken om deze patronen volledig uit te werken, mogelijk een latere ontwikkeling is.

Om deze vergelijking te maken, moesten de wetenschappers een aanzienlijke technische uitdaging overwinnen: het registreren van heldere hersensignalen van een aap zonder chirurgie die de hersenen zou beschadigen of dagelijkse plaatsing van elektroden zou vereisen. Ze ontwierpen een aangepaste, flexibele raster van drieëntwintig kleine sensoren die chirurgisch direct aan de schedel van drie volwassen mannelijke marmosets werd bevestigd. Dit apparaat, dat slechts zes gram woog, fungeerde als een permanent venster naar de elektrische activiteit van het brein, waardoor de dieren herhaaldelijk gedurende vele sessies getest konden worden. De marmosets werden getraind om rustig in een stoel te zitten terwijl ze naar een scherm keken, waarbij ze beloond werden met een druppel sap voor het stil blijven zitten. Tegelijkertijd keek een groep van dertien menselijke vrijwilligers naar exact dezelfde afbeeldingen op een scherm terwijl zij een standaard sensorkap droegen.

De afbeeldingen die aan beide groepen werden getoond, waren zorgvuldig vervaardigde texturen gebaseerd op wiskundige regels van symmetrie. Sommige patronen herhaalden zichzelf door middel van spiegeling over een lijn, bekend als dubbele reflectie. Andere herhaalden zich door rotatie rond een middelpunt, bekend als viervoudige rotatie. Om ervoor te zorgen dat het brein reageerde op de symmetrie zelf en niet alleen op willekeurige veranderingen in het plaatje, wisselden de onderzoekers deze symmetrische afbeeldingen af met gescrambelde versies die er vergelijkbaar uitzagen maar het patroon misten. Ze maten de reactie van het brein door te kijken naar een ritmische elektrische puls die overeenkwam met de snelheid waarmee de afbeeldingen flikkerden. Omdat het brein anders reageert op het symmetrische deel van de afbeelding versus de eenvoudige verandering van de afbeelding, konden de onderzoekers de twee signalen van elkaar scheiden.

De resultaten toonden een opvallende gelijkenis in hoe beide soorten met spielsymmetrie omgaan. Zowel bij de marmosets als bij de mensen produceerde het brein een sterk, constant elektrisch signaal dat voortduurde zolang het gespiegelde patroon op het scherm stond. Dit signaal was het sterkst boven de achterkant van het hoofd, in de visuele verwerkingsgebieden, en de timing en sterkte waren bijna identiek tussen de soorten. Dit suggereert dat het vermogen om reflectie te detecteren een geconserveerde eigenschap is, die waarschijnlijk honderden miljoenen jaren geleden is geëvolueerd om primaten te helpen gezichten, lichamen en andere levende wezens in hun omgeving te herkennen.

Het verhaal veranderde echter toen de onderzoekers naar de roterende patronen keken. Terwijl het menselijk brein bleef zoemen met een constante elektrische ritme zolang het roterende patroon zichtbaar was, reageerden de hersenen van de marmoset anders. De hersenen van de apen gaven een snelle, scherpe impuls wanneer het roterende patroon voor het eerst verscheen, maar dit signaal vervaagde snel, waardoor de hersenen stil werden voor de rest van de tijd dat de afbeelding in beeld was. Dit verschil was specifiek voor de roterende patronen; de spiegelpatronen produceerden nog steeds de langdurige, constante reactie in de marmosets. De onderzoekers sloten de mogelijkheid uit dat dit kwam door een gebrek aan aandacht of oogbewegingen bij de apen, aangezien de patronen groot waren en de oogbewegingen gevolgd en gecontroleerd werden.

De studie wijst op een specifieke divergentie in hoe de hersenen van primaten visuele informatie verwerken. De initiële, snelle detectie van symmetrie lijkt een gedeeld, 'feedforward'-mechanisme te zijn dat in beide soorten op dezelfde manier werkt. Maar het vermogen om een aanhoudende representatie van die symmetrie te behouden, met name voor complexere rotaties, lijkt te rusten op een ander soort hersenactiviteit die robuust is in mensen, maar zwakker in marmosets. Deze aanhoudende activiteit houdt waarschijnlijk signalen in waarbij informatie heen en weer pendelt tussen verschillende delen van het brein, een proces dat in marmosets minder ontwikkeld kan zijn dan in mensen of hun nauwe verwanten, de macroques.

Door vast te stellen dat marmosets gebruikt kunnen worden om deze complexe visuele processen met dezelfde precisie als mensen te bestudelen, opent de studie een nieuwe deur voor de neurowetenschap. Het brein van de marmoset is glad en toegankelijk, in tegen tegenstelling tot de geplooide hersenen van macroques waarbij deze visuele gebieden diep binnenin liggen. Dit betekent dat wetenschappers in de toekomst deze oppervlakte-opnames kunnen combineren met directe, diepe metingen in het brein om precies te begrijpen hoe deze circuits werken. De bevindingen bevestigen dat, hoewel we een gemeenschappelijke, oeroude basis delen voor het zien van symmetrie, het menselijk brein een laag van aanhoudende verwerking heeft toegevoegd die ons in staat stelt deze patronen vast te houden en uit te diepen op manieren die andere primaten mogelijk niet kunnen.