Cellular code for mnemonic pattern separation in the human hippocampus is revealed by false memories

Het menselijk brein is een meester in het geheugen, in staat om enorme bibliotheken aan persoonlijke ervaringen op te slaan, van de smaak van een maaltijd uit de kindertijd tot het gezicht van een vriend. Toch rust deze vaardigheid op een delicaat evenwicht. Om goed te functioneren, moet het brein herkennen dat een bekend object hetzelfde is als het object dat het eerder heeft gezien, zelfs als de belichting of de hoek is veranderd. Tegelijkertijd moet het scherp genoeg zijn om een nieuw object te onderscheiden dat bijna identiek is aan een oud object, om verwarring te voorkomen. Dit vermogen om zeer gelijkaardige dingen uit elkaar te houden, staat bekend als patroonseparatie. Decennialang hebben wetenschappers gedebatteerd over de vraag of deze specifieke computationele kracht aanwezig is in het menselijk brein. Hoewel studies bij knaagdieren duidelijk bewijs voor dit proces hebben gevonden in de hippocampus, een diepe hersenstructuur die essentieel is voor het geheugen, waren menselijke studies inconclusief. Eerdere pogingen om dit bij mensen te zien met behulp van hersenscans waren te wazig om het werk van individuele cellen te tonen, en andere studies suggereerden dat menselijke geheugencellen te breed en algemeen zijn om fijne onderscheidende keuzes te maken. Zonder een duidelijk signaal van een enkele neuron bleef de vraag of mensen werkelijk over dit fijn afgestelde geheugenfilter beschikken, onbeantwoord.

Een team van onderzoekers heeft dit debat nu opgelost door direct te luisteren naar de elektrische activiteit van individuele hersencellen bij mensen. Ze werkten met 97 patiënten die een operatie ondergingen voor epilepsie, een aandoening waarbij artsen kleine elektroden diep in de hersenen moeten plaatsen om de bron van de aanvallen te lokaliseren. Deze elektroden stelden de wetenschappers in staat om de activiteit van 3.506 neuronen te registreren terwijl de patiënten een geheugenspel speelden. In het spel bestudeerden de patiënten eerst een reeks afbeeldingen. Later kregen ze een mix te zien van de oude afbeeldingen en nieuwe afbeeldingen die erg lijken op de oude. De patiënten moesten beslissen of ze een afbeelding eerder hadden gezien en hoe zeker ze waren van dat antwoord. Soms maakten de patiënten fouten, waarbij ze onterecht geloofden dat ze een nieuwe afbeelding eerder hadden gezien. Deze fouten, bekend als valse alarmen, treden op wanneer het brein er niet in slaagt de nieuwe afbeelding te scheiden van de oude herinnering. Door juist deze momenten van fouten te analyseren, konden de onderzoekers zien hoe het brein met de verwarring omging.

De studie onthulde dat het brein inderdaad een mechanisme voor patroonseparatie heeft, maar dat dit wordt uitgevoerd door een specifiek, zeldzaam type cel. De onderzoekers ontdekten dat wanneer een patiënt een oude afbeelding correct herinnerde, veel hersencellen op een voorspelbare manier vuurden. De cruciale ontdekking kwam echter wanneer een patiënt een fout maakte en een nieuwe, vergelijkbare afbeelding als "oud" bestempelde. Op deze momenten bleef een specifieke groep cellen in de hippocampus signaleren dat de afbeelding eigenlijk nieuw was, ook al zei de patiënt dat deze oud was. Deze cellen negeerden de foutieve beslissing van de patiënt en hielden vast aan de waarheid over wat de afbeelding was. De onderzoekers noemden dit "patroonseparatie"-cellen. Ze vonden dat deze cellen aanwezig waren in de hippocampus, de amygdala en andere gebieden, maar ze waren het meest effectief in de hippocampus. In contrast hiermee signaleerden andere cellen in de hersenen simpelweg wat de patiënt besloot te zeggen, ongeacht of die beslissing juist of onjuist was. Dit toonde aan dat het brein twee parallelle stromen van informatie bevat: één die de feitelijke waarheid van de herinnering vasthoudt en een andere die de uiteindelijke keuze reflecteert die de persoon heeft gemaakt.

De onderzoekers gingen verder om te begrijpen hoe deze cellen het gevoel van geheugensterkte creëren. Wanneer mensen erg zeker zijn dat ze zich iets herinneren, is hun hersenactiviteit sterk; wanneer ze onzeker zijn, is deze zwakker. De studie toonde aan dat de patroonseparatie-cellen verantwoordelijk zijn voor het creëren van dit vloeiende gradiënt van vertrouwen. Wanneer de onderzoekers de activiteit van deze specifieke cellen wiskundig verwijderden uit hun analyse, verdween het duidelijke verschil tussen herinneringen met een hoog vertrouwen, herinneringen met een laag vertrouwen en valse alarmen. Het vermogen van het brein om het onderscheid te maken tussen een sterke herinnering en een zwakke, stortte in. Dit suggereert dat deze zeldzame cellen de motor zijn die ons vermogen aanstuurt om te voelen hoe zeker we zijn over een herinnering. Zonder hen zou het brein moeite hebben om het verschil te zien tussen een levendige herinnering en een loutere gok.

De locatie van deze cellen deed er ook toe. Het patroonseparatiesignaal was het sterkst in de rechterzijde van de hippocampus, het deel van de hersenen dat visuele informatie verwerkt. Bij patiënten wier aanvallen voortkwamen uit het gebied waar deze cellen werden geregistreerd, was het signaal zwakker of afwezig, wat overeenkomt met de bekende geheugenproblemen die deze patiënten vaak ervaren. De studie bevestigde ook dat de fouten die patiënten maakten niet willekeurig waren. De waarschijnlijkheid om een nieuwe afbeelding met een oude te verwarren, hing volledig af van hoe visueel vergelijkbaar de twee afbeeldingen waren. Hoe meer de plaatjes op elkaar leken, hoe groter de kans dat het brein faalde in het scheiden van de patronen, wat leidde tot een valse herinnering. Dit bevestigde dat de fouten een direct resultaat waren van de strijd van het brein om tussen vergelijkbare patronen te onderscheiden, in plaats van een gebrek aan aandacht of willekeurig gokken.

Dit werk levert het eerste directe bewijs van patroonseparatie in het menselijk brein op het niveau van individuele cellen. Het laat zien dat de menselijke hippocampus een gespecialiseerde populatie neuronen bevat die fungeren als een filter, waardoor ervoor wordt gezorgd dat nieuwe, vergelijkbare ervaringen onderscheidend blijven van oude. Wanneer dit filter werkt, kunnen we bekende gezichten en plaatsen herkennen zonder verwarring. Wanneer het faalt, kunnen we een vreemde aanzien voor een vriend of een nieuw object voor een oud object. De studie bevestigt niet alleen dat dit proces bestaat; het identificeert de specifieke biologische machinerie die het mogelijk maakt, en biedt een nieuw venster op hoe de menselijke geest zijn herinneringen helder en duidelijk houdt.