The Walking Brain: Mapping feature-specific cortical responses to naturally unfolding sensory experience in the real world
Deze studie maakt gebruik van draagbare high-density fNIRS en deelniker-specifieke audiovisuele opnames om een op kenmerken gebaseerd raamwerk te vestigen dat erin slaagt corticale responsen op natuurlijk verloepende luminantie-, geluid- en gezichtskenmerken tijdens ongecontroleerd wandelen in de echte wereld in kaart te brengen en te voorspellen.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
Om te begrijpen hoe de menselijke geest werkt, hebben wetenschappers lang vertrouwd op een eenvoudige maar beperkende truc: ze vragen mensen om perfect stil te zitten in een stille kamer en naar een film te kijken of naar een verhaal te luisteren terwijl hun hersenen worden gescand. Deze aanpak heeft onthuld dat de hersenen zichzelf organiseren in specifieke buurten, waarbij verschillende gebieden oplichten voor verschillende soorten informatie, zoals geluid of licht. Echter, deze laboratoriumsetting ontdoet de werkelijkheid van de zaken die het leven echt maken: de mogelijkheid om te bewegen, de vrijheid om te kijken waar je zelf voor kiest, en de chaotische, ongeplande stroom van de buitenwereld. Decennialang bleef het een mysterie of de nette, georganiseerde kaarten van de wereld in de hersenen standhouden wanneer iemand daadwerkelijk over een drukke straat loopt, het verkeer navigeert en mensen en geluiden tegenkomt die niemand voor hen had gepland.
Een team onderzoekers aan de Boston University heeft nu een belangrijke stap gezet richting het beantwoorden van deze vraag door de hersenscanner uit het lab en naar de straat te verplaatsen. Met behulp van een draagbaar, rugzakformaat apparaat dat de bloedstroom in de hersenen meet, registreerden zij de neurale activiteit van twintig volwassenen terwijl zij een vooraf bepaalde route op een universiteitscampus liepen. In tegenstelling tot eerdere studies waarbij deelnemers specifieke taken moesten uitvoeren, waren deze wandelaars vrij om op hun eigen tempo te bewegen en te kijken naar wat hun aandacht trok, terwijl een camera op hun hoofd precies registreerde wat zij zagen en hoorden. De onderzoekers vergeleken vervolgens deze real-world hersenkaarten met die gegenereerd door een andere groep mensen die een natuurlijke film keek in een gecontroleerde kamer, met gebruik van hetzelfde type hersenbeeldvormingstechnologie.
De studie toonde aan dat de reactie van de hersenen op basisinformatie verrassend stabiel blijft, zelfs wanneer de omgeving onbeheerst is. Wanneer de onderzoekers keken naar hoe de hersenen reageerden op veranderingen in licht en geluid, zagen de kaarten van de activiteit er zeer vergelijkbaar uit, of de persoon nu in een donkere kamer zat te kijken naar een film of over een zonnige campus liep. Specifiek vertoonden de gebieden in de hersenen die verantwoordelijk zijn voor het verwerken van visuele helderheid en auditieve volume een sterke ruimtelijke correspondentie in beide settings. Dit suggereigt dat de fundamentele hardware van de hersenen voor het afhandelen van licht en geluid robuust genoeg is om consistent te functioneren, ongeacht of de ervaring wordt geregisseerd door een regisseur of zich natuurlijk ontvouwt op een stoep.
Echter, het verhaal veranderde toen de onderzoekers keken naar hoe de hersenen reageerden op gezichten. Terwijl de hersenen een consistent patroon vertoonden voor gezichten tijdens de film, waar het narratief en de camerahoeken de aandacht stuurden, werd het patroon versnipperd en anders tijdens de wandelingen buiten. De onderzoekers suggereren dat dit komt doordat het zien van een gezicht in een film vaak deel uitmaît van een sociaal verhaal of een specifiek plotpunt, terwijl het zien van een gezicht op straat een vluchtige, zelfgestuurde gebeurtenis is die een andere vorm van aandacht of sociale verwerking kan triggeren. Dit geeft aan dat terwijl de basiszintuiglijke kaarten van de hersenen stevig zijn, de reactie van de hersenen op complexe sociale signalen zoals gezichten veel gevoeliger is voor de context en de manier waarop een persoon ervoor kiest om met de omgeving om te gaan.
Naast het in kaart brengen van deze reacties, testte het team ook of zij konden voorspellen wat de hersenen vervolgens zouden doen op basis van enkel de omgeving. Door de computer de continue stroom van licht-, geluid- en bewegingsgegevens te voeden die werden opgenomen van de camera's van de wandelaars, bouwden zij een model dat de hersenactiviteit tijdens een gedeelte van de wandeling kon raden dat het model nog nooit eerder had gezien. Het model was in staat om de hemodynamische signalen van de hersenen te voorspellen met een nauwkeurigheid die statistisch significant was, wat bewees dat de continue, ongeplande zintuiglijke input van de echte wereld voldoende informatie bevat om neurale activiteit te voorspellen. Deze bevinding is opmerkelijk omdat het aantoont dat zelfs zonder een vooraf gepland script, de reactie van de hersenen op de wereld een voorspelbare logica volgt die gedecodeerd kan worden uit de omgeving zelf.
De studie onthulde ook dat deze hersenkaarten reproduceerbaar zijn binnen dezelfde persoon. Toen dezelfde individuen de route twee keer liepen, bleef de reactie van hun hersenen op licht en gezichten consistent van de ene wandeling naar de andere, zelfs toen de specifieke mensen en gebeurtenissen die zij tegenkwamen telkens anders waren. Dit suggereert dat de hersenen een stabiele interne representatie behouden van hoe zij deze kenmerken verwerken, wat fungeert als een betrouwbaar anker, zelfs terwijl de externe wereld om hen heen verandert. De onderzoekers merkten echter op dat deze kaarten niet identiek waren tussen verschillende mensen; hoewel individuen consistent waren met zichzelf, varieerden de specifieke patronen genoeg tussen verschillende wandelaars zodat een enkele "gemiddelde" kaart niet iedereen nauwkeurig kon beschrijven. Dit benadrukt dat hoewel de organisatie van de hersenen stabiel is voor een individu, de manier waarop elk persoon de wereld ervaart en verwerkt diep persoonlijk is.
Uiteindelijk biedt dit onderzoek een nieuw kader voor het bestuderen van de hersenen in het wild. Door draagbare hersenbeeldvorming te combineren met het vermogen om de exacte zintuiglijke wereld die een persoon ervaart te reconstrueren, kunnen wetenschappers nu verder kijken dan de kunstmatige beperkingen van het laboratorium. Het werk laat zien dat de kenmerk-specifieke organisatie van de hersenen niet alleen een product is van gecontroleerde experimenten, maar een fundamentele eigenschap van hoe wij onze dagelijkse levens navigeren. Het bevestigt dat het vermogen van de hersenen om licht en geluid te verwerken veerkrachtig is, terwijl de afhandeling van sociale signalen zoals gezichten flexibel en contextafhankelijk is. Het meest belangrijk is dat het bewijst dat we nu de activiteit van de hersenen kunnen meten en begrijpen terwijl deze plaatsvindt in de echte wereld, wat de deur opent naar een toekomst waarin de neurowetenschap werkelijk de complexiteit van de menselijke ervaring kan vatten.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.