Strategy-dependent causal relationships between large-scale cortical activity and perceptual decisions

Elk dag staat een dier voor een eenvoudige maar cruciale vraag: welke kant moet ik op? Om dit te beantwoorden, moet het aanwijzingen verzamelen uit de wereld om zich heen, deze afwegen tegen wat het heeft geleerd, en een keuze maken. Decennialang hebben wetenschappers die deze beslissingen bestuderen vaak aangenomen dat de hersenen werken als een enkele, constante machine die informatie op dezelfde manier verwerkt bij elke gemaakte keuze. Maar in werkelijkheid is de geest veel vloeiender. Net zoals een persoon zich soms intensief op een puzzel kan concentreren en op andere momenten kan vertrouwen op een intuïtie of een gewoonte, schakelen dieren tussen verschillende interne strategieën om hetzelfde probleem op te lossen. Soms volgen ze zorgvuldig het bewijs; andere keren vallen ze in een patroon waarbij ze de voorkeur geven aan één kant, ongeacht de aanwijzingen. De grote vraag is geweest: verandert de bedrading van de hersenen om deze verschillende denkwijzen te ondersteunen, en zo ja, welke delen van de hersenen zijn verantwoordelijk voor het houden van het dier op het juiste pad?

Een team van onderzoekers zette zich scharpe om dit verborgen landschap van besluitvorming in de muizenhersenen in kaart te brengen. Ze richtten hun aandacht op een specieveke taak waarbij muizen door een virtuele T-vormige doolhof navigeren. Terwijl de muizen vooruit rennen, zien ze een reeks visuele torens verschijnen aan de linker- of rechterkant van het pad. Het doel is simpel: onthouden welke kant meer torens had en naar die kant draaien om een beloning te krijgen. De onderzoekers verzamelden gegevens van tientallen muizen en observeerden hoe zij deze taak uitvoerden over duizenden proeven heen. Om te begrijpen hoe de hersenen werken, keken ze niet alleen naar de muizen; ze gebruikten ook een techniek genaamd optogenetica. Deze methode stelt wetenschappers in staat om specifieke groepen hersencellen tijdelijk te stilleggen met een lichtflits, waardoor ze effectief een schakelaar in de hersenen kunnen uitzetten om te zien wat er gebeurt als dat deel stopt met werken. Door deze lichtgebaseerde onderbrekingen te combineren met registraties van hersenactiviteit, kon het team testen hoe verschillende hersengebieden bijdragen aan het besluitvormingsproces.

De eerste stap was om te achterhalen wat voor soort denken de muizen op elk gegeven moment vertoonden. De onderzoekers analyseerden de keuzes die de muizen maakten wanneer ze niet werden onderbroken door het licht. Ze ontdekten dat de muizen niet slechts één vaste strategie gebruikten. In plaats daarvan zweefden ze tussen drie verschillende mentale toestanden. In de eerste toestand waren de muizen volledig betrokken, waarbij ze goed oplette de torens en het bewijs hun keuze liet leiden. In de andere twee toestanden waren de muizen niet betrokken. Op deze momenten negeerden ze de torens grotendeels en ontwikkelden ze in plaats daarvan een sterke gewoonte om ofwel naar links of naar rechts te draaien, ongeacht wat ze zagen. Deze toestanden waren niet vluchtig; zodra een muis er een betrad, had hij de neiging om daar vele rondes achter elkaar in te blijven, soms voor meer dan dertig proeven. Deze bevinding bevestigde dat de hersenen niet alleen gegevens verwerken, maar ook verschillende operationele modi aannemen die gedurende een bepaalde tijd aanhouden.

Met deze drie toestanden geïdentificeerd, vroegen de onderzoekers zich vervolgens af wat er gebeurde wanneer ze verschillende delen van de hersenen stillegden. Ze richtten zich op tientallen locaties over het bovenste oppervlak van de hersenen, bekend als de cortex, en observeerden hoe de keuzes van de muizen veranderden. De resultaten waren opmerkelijk en hingen volledig af van de mentale toestand waarin de muis zich bevond. Wanneer een muis in de betrokken, op bewijs gebaseerde toestand was, zorgde het stilleggen van het voorste deel van de hersenen ervoor dat de muis zijn focus verloor. De muis stopte met luisteren naar de torens en begon te gokken, waarbij vaak een sterke voorkeur voor één kant ontstond. Echter, wanneer de muis al in een niet-betrokken, bevooroordeelde toestand verkeerde, had het stilleggen van hetzelfde voorste deel van de hersenen het tegenovergestelde effect. Het verminderde de reeds aanwezige neiging van de muis om één kant te bevoordelen, waardoor de bias minder extreem werd. Dit paradoxale resultaat toonde aan dat het voorste deel van de hersenen fungeert als een controlecentrum dat essentieel is voor het behoud van focus wanneer het dier probeert het juiste te doen, maar dat de verwijdering ervan soms de kracht van een afleiding kan verminderen, zelfs als het de capaciteit van het dier om bewijs te gebruiken niet volledig herstelt.

De onderzoekers keken ook naar de timing van deze onderbrekingen. Ze ontdekten dat het stilleggen van de voorkant van de hersenen de sterkste impact had wanneer dit later in de proef gebeurde, vlak voordat de muis de draai moest maken. Dit suggereert dat de voorste hersengebieden cruciaal zijn voor het in gedachten houden van de beslissing en het uitvoeren van de uiteindelijke keuze, vooral wanneer het dier probeert accuraat te zijn. In contrast hiermee was het effect anders wanneer de onderzoekers het achterste deel van de hersenen stileerden. Deze gebieden leken een grotere rol te spelen wanneer het dier in een bevooroordeelde, niet-betrokken toestand was, waarbij ze wellicht hielpen bij het handhaven van die gewoonten of het verwerken van de geschiedenis van eerdere beloningen.

Om het volledige plaatje te zien, nam het team ook de elektrische activiteit van de hersenen over het gehele oppervlak op met behulp van een widefield-camera. Ze ontdekten dat het voorste deel van de hersenen veel actiever was wanneer de muizen in de betrokken toestand waren vergeleken met wanneer ze bevooroordeeld waren. Bovendien, wanneer ze probeerden te voorspellen wat de muis zou kiezen op basis van hersenactiviteit, waren de voorste regio's de beste voorspellers tijdens de betrokken toestand, terwijl de achterste regio's meer informatief waren tijdens de bevooroordeelde toestand. Dit bevestigde dat de hersenen zichzelf reorganiseren afhankelijk van de gebruikte strategie. De voorkant van de hersenen is de sleutel tot het behouden van focus en het maken van een keuze op basis van het huidige bewijs, terwijl andere gebieden het voortouw nemen wanneer het dier terugvalt op gewoonten.

Deze bevindingen suggereren dat de hersenen geen statische machine zijn met vaste onderdelen die vaste taken uitvoeren. In plaats daarvan is het een dynamisch systeem dat zijn verbindingen en activiteitspatronen herconfigureert afhankelijk van hoe het dier een probleem benadert. Het voorste deel van de hersenen komt naar voren als een kritieke hub voor het handhaven van een betrokken, op bewijs gebaseerde strategie, en fungeert als een bewaker tegen de neiging om in eenvoudige vooroordelen te vervallen. Wanneer deze bewaker wegvalt, raakt het dier de weg kwijt, maar interessanterwijs kan het verwijderen ervan soms de intensiteit van een afleiding verminderen, hoewel dit niet noodzakelijkerwijs leidt tot een optimale prestatie. Dit werk biedt een duidelijker beeld van hoe grootschalige hersendynamiek verschuift om verschillende manieren van denken te ondersteunen, waarbij wordt onthuld dat de weg naar een beslissing evenzeer gaat over de huidige strategie van de hersenen als over het bewijs dat voor het dier ligt.