Increased activity without changes in coupling between somata and apical dendrites during visual mismatches

Het brein is geen passieve camera die simpelweg de wereld vastlegt zoals die verschijnt. In plaats daarvan is het een actieve voorspeller, die voortdurend gissingen maakt over wat er hierna zal gebeuren op basis van alles wat het in het verleden heeft geleerd. Wanneer je naar een koffiekopje reikt, heeft je brein de draagkracht en positie al voorzien voordat je hand zelfs maar beweegt. Dit vermogen om binnenkomende sensorische gegevens te vergelijken met interne verwachtingen is een fundamentele theorie over hoe de cortex, de buitenste laag van het brein, functioneert. Wetenschappers vermoeden al lang dat wanneer de realiteit niet overeenkomt met deze voorspellingen, het brein een specifiek signaal genereert om de fout te markeren. Het bewijzen van precies hoe dit gebeurt is echter moeilijk gebleken, omdat het brein deze signalen op complexe manieren verwerkt, waarbij vaak verschillende delen van dezelfde zenuwcel tegelijkertijd samenwerken.

Om dit proces te begrijpen, hebben onderzoekers zich gericht op de piramidecel, een veelvoorkomend type hersencel dat de vorm van een piramide heeft. Deze cellen hebben een hoofdlichaam, de soma genoemd, die fungeert als het commandocentrum, en een lange, vertakte arm, een apicale dendriet genoemd, die ver weg reikt om informatie te ontvangen. Sommige theorieën suggereren dat de dendriet "top-down" voorspellingen ontvangt van andere delen van het brein, terwijl de soma "bottom-up" gegevens van de zintuigen ontvangt. Het idee is dat de cel deze twee stromen informatie vergelijkt om een mismatch te detecteren. Als de voorspelling fout is, kan de cel anders vuren of de manier waarop de delen met elkaar communiceren veranderen. De grote vraag is geweest of deze vergelijking binnen een enkele cel plaatsvindt, en zo ja, of de lichaam en de lange arm van de cel op een gecoördineerde manier reageren wanneer er een verrassing optreedt.

Een team van onderzoekers zette zich scharpe om dit proces in real-time te observeren met behulp van muizen. Ze wilden zien of ze deze cellen in actie konden betrappen bij het detecteren van een verrassing, en specifiek of de verrassing ervoor zorgde dat het cellichaam en de lange arm samen of afzonderlijk oplichtten. Hiervoor gebruikten ze een geavanceerde microscoop die diep in de hersenen van wakkere, bewegende muizen kon kijken. Ze richtten zich op de visuele cortex, het deel van het brein dat verwerkt wat de ogen zien. Ze trainden muizen om specifieke opeenvolgingen van beelden te bekijken totdat de dieren aan deze gewend waren, wat in feite betekende dat de muizen leerden wat ze konden verwachten. Vervolgens introduceerden de onderzoekers onverwachte veranderingen in de opeenvolgingen om te zien hoe het brein reageerde.

Het experiment omvatte twee zeer verschillende soorten visuele stimuli. Eerst bekeken de muizen korte clips van natuurlijke scènes, zoals wormen die in de grond wroeten of muizen die buiten rennen. Deze clips werden vooruit afgespeeld totdat de muizen gewend waren aan de beelden, waarna een deel van de clip onverwachts in omgekeerde richting werd afgespeeld. Deze omkering verbrak de natuurlijke stroom van tijd en beweging, wat een echte verrassing creëerde voor het dier. Ten tweede kregen de muizen opeenvolgende reeksen van eenvoudige, kunstmatige vormen genaamd Gabor-patches, wat in essentie wazige balken van licht zijn onder specifieke hoeken. Deze patches veranderden in een voorspelbaar patroon, waarna onverwachts één patch naar een andere hoek roteerde. De onderzoekers gebruikten een dual-plane microscoop om de activiteit van zowel de cellichamen als de verre uiteinden van de dendrieten van duizenden neuronen tegelijkertijd te registreren. Dit stelde hen in staat om te zien of de twee delen van de cel synchroon reageerden wanneer een verrassing optrad.

De resultaten waren duidelijk en opvallend voor de natuurlijke filmfragmenten. Wanneer de video plotseling omkeerde, vuurden de neuronen in de visuele cortex intenser dan wanneer dezelfde clip in een volledig omgekeerde, niet-verrassende volgorde werd afgespeeld. Deze verhoogde activiteit was een teken dat het brein een mismatch had gedetecteerd tussen wat het verwachtte en wat het zag. Cruciaal was dat deze reactie plaatsvond in zowel de cellichamen als de apicale dendrieten. De twee delen van de cel vertoonden verhoogde activiteit, maar de onderzoekers vonden geen bewijs dat de relatie of "koppeling" tussen hen veranderde tijdens de verrassing. Dit patroon was consistent over verschillende lagen van de visuele cortex en over verschillende regio's van het brein. De onderzoekers ontdekten ook dat deze reactie het sterkst was wanneer de muizen de omkering voor het eerst tegenkwamen en dat deze geleidelijk afnam naarms de muizen herhaaldelijk aan de verrassing werden blootgesteld over meerdere dagen, wat suggereert dat het brein leerde om het nieuwe patroon in de verwachtingen te integreren.

Echter, het verhaal veranderde volledig toen de onderzoekers overgingen op de kunstmatige Gabor-patches. Ondanks het zorgvuldige ontwerp van het experiment, vertoonden de muizen niet dezelfde duidelijke tekenen van verrassing wanneer de oriëntatie van de eenvoudige vormen onverwacht veranderde. De neuronen vuurden niet significant meer in reactie op de afwijkende hoek vergeleken met de controlosequenties. De onderzoekers sloten verschillende alternatieve verklaringen uit, zoals het feit dat de cellen simpelweg moe waren door het herhaaldelijk bekijken of reageerden op de nieuwheid van een nieuwe vorm. De gegevens suggereerden dat het visuele systeem hoogst getuned is op de complexe, continue stroom van natuurlijke scènes, maar de niet op dezelfde manier behandelt als eenvoudige, kunstmatige patronen. Het brein lijkt verwachtingen te hebben die geworteld zijn in de statistieken van de natuurlijke wereld, en het heeft moeite om een soortgelijke foutmelding te genereren wanneer die verwachtingen worden geschonden door abstracte, door mensen gemaakte patronen.

Misschien wel de meest significante bevinding betrof hoe de verschillende delen van de neuron met elkaar communiceerden. Veel theorieën voorspelden dat wanneer een mismatch optreedt, de verbinding tussen het cellichaam en de dendriet zou veranderen, bijvoorbeeld door sterker of zwakker te worden om de foutmelding te faciliteren. De onderzoekers zochten naar bewijs hiervan door te meten hoe nauw de activiteit in de dendriet gekoppeld was aan de activiteit in het cellichaam. Ze vonden geen bewijs dat deze koppeling veranderde tijdens de verrassing. De twee delen van de cel bleven even goed verbonden tijdens een mismatch als tijdens een normale, verwachte sequentie, wat betekent dat het brein niet vertrouwde op een plotselinge verschuiving in hoe deze twee compartimenten met elkaar communiceren om een fout te signaleren. In plaats daarvan werd de hele cel simpelweg actiever op een verenigde manier wanneer het een afwijking in de natuurlijke wereld detecteerde.

Deze bevindingen bieden een nieuw perspectief op hoe het brein de visuele wereld verwerkt. Ze bevestigen dat de visuele cortex gevoelig is voor afwijkingen van natuurlijke patronen en een robuust signaal genereert wanneer de stroom van de realiteit wordt onderbroken. Toch laten ze ook zien dat deze gevoeligheid geen universele reactie is op alle verrassingen; het is specifiek voor de complexe, dynamische input waar het brein voor geëvolueerd is. Bovendien dagen ze de opvatting uit dat het foutdetectiemechanisme van het brein rust op een drastische herconfiguratie van hoe de onderdelen van een enkele neuron interageren. In plaats daarvan lijkt het brein een meer gedistribueerde en stabiele vorm van communicatie te gebruiken, waarbij de hele cel simpelweg "wakker wordt" om aan te geven dat er iets mis is gegaan in de natuurlijke wereld. Dit werk helpt de biologische machinerie achter voorspelling te verhelderen, waarbij het laat zien dat onze hersenen fijn afgestemd zijn op het ritme van de natuur, maar misschien minder op de rigide patronen van kunstmatig ontwerp.