Traveling waves along the cortical depth reflect structured synaptic inputs

Het brein is een uitgestrekt, gonzend netwerk van miljarden cellen, die constant ritmische patronen uitzenden die wetenschappers al lang bestuderen om te begrijpen hoe we denken, zien en herinneren. Decennialang hebben onderzoekers zich gericht op deze ritmische schommelingen, bekend als neurale oscillaties, die fungeren als de achtergrondbeat van een liedje dat verschillende delen van het brein helpt om hun werk te coördineren. Onlangs is er een dynamischer patroon in beeld gekomen: voortbewegende golven (traveling waves). Dit zijn niet alleen statische ritmes, maar bewegende patronen van activiteit die over het oppervlak van het brein spoelen, vergelijkbaar met een rimpeling die over een vijver beweegt. Wetenschappers hebben deze golven waargenomen in veel soorten en hersengebieden, waarbij ze een link leggen met alles van hoe we de wereld waarnemen tot hoe we bewegen en herinneringen opslaan. Echter, een fundamenteel mysterie heeft standgehouden: waar zijn deze golven precies van gemaakt? Vertegenwoordigen ze het werkelijke vuren van neuronen die berichten verzenden, of zijn ze iets heel anders, misschien wel een reflectie van de elektrische signalen die bij een neuron aankomen voordat het besluit te vuren?

Om dit puzzelstuk op te lossen, richtte een team onderzoekers van Yale University zich op de visuele cortex van macroneken, het deel van het brein dat verantwoordelijk is voor het verwerken van het zicht. Ze gebruikten een gespecialiseerd instrument, een lange, dunne sonde met tientallen piepkleine elektroden, om naar de elektrische activiteit van het brein te luisteren op verschillende dieptes, van het oppervlak tot in de diepere lagen. Hierdoor konden ze twee verschillende soorten signalen gelijktijdig registreren. Het eerste was het lokale veldpotentiaal, een maatstaf voor het collectieve elektrische geklets van vele neuronen, dat sterk wordt beïnvloed door de input die zij ontvangen. Het tweede was de multi-unit activiteit-enveloppe, een signaal dat het werkelijke 'spiking' of vuren van groepen neuronen volgt. Door te observeren hoe deze signalen zich gedroegen terwijl de apen in het donker zaten of naar bewegende lichtpatronen keken, konden de onderzoekers zien of de voortbewegende golven meebewogen met de vurende neuronen of dat ze iets anders waren.

De resultaten onthulden een verrassende ontkoppeling. De onderzoekers vonden duidelijke, georganiseerde voortbewegende golven die door de lokale veldpotentiaal-signalen bewogen en omhoog en omlaag spoelden door de lagen van de visuele cortex. Deze golven veranderden van snelheid en gedrag afhankelijk van of de aap in het donker was of naar een visuele stimulus keek. Echter, toen ze naar het werkelijke vuren van de neuronen keken, bestonden dergelijke voortbewegende golven niet. De neuronen vuurden niet in een golfachtig patroon dat door het weefsel bewoog. In plaats daarvan bleef de vurende activiteit relatief stabiel in zijn timing over de lagen, zelfs terwijl de elektrische golven erlangs spoelden. Deze bevinding weerlegde het idee dat deze voortbewegende golven simpelweg de fysieke voortplanting van neurale commando's zijn die van de ene laag naar de andere bewegen.

De sleutel tot het begrijpen van dit fenomeen lag in de manier waarop de snelheid van de golven zich verhield tot de activiteit van het brein. De onderzoekers ontdekten dat de snelheid van de voortbewegende golven een krachtige voorspeller was van hoe de neuronen reageerden. Wanneer de golven snel bewogen, vuurden de neuronen met grotere intensiteit en op een meer gesynchroniseerde manier. Wanneer de golven langzaam bewogen, was de neuronale respons zwakker en minder gecoördineerd. Dit suggereerde dat de golven niet het bericht zelf waren, maar eerder een handtekening van hoe de berichten aankwamen. Het team stelde voor dat de voortbewegende golven eigenlijk een reflectie zijn van de timing van de inputs die het brein raken. Als de inputs in een nauw georganiseerde, snelle sequentie aankomen, creëren ze een snel bewegende golf en triggeren ze een sterke, gesynchroniseerde respons van de neuronen. Als de inputs in een verspreide, tragere sequentie aankomen, beweegt de golf langzaam en is de neuronale respons zwakker.

Om dit idee te testen, bouwden de onderzoekers een computermodel dat simuleerde hoe elektrische stromen door hersenweefsel stromen en hoe neuronen deze signalen integreren. Het model bevestigde dat wanneer inputs in een gestructureerde, tijdsvertraagde sequentie aankomen, ze van nature het soort voortbewegende golven genereren dat in de opnames werd gezien. Het model liet ook zien dat de neuronen werken als een lekkende emmer die deze inputs in de loop van de tijd integreert. Als de inputs snel en gezamenlijk aankomen, vult de emmer zich snel, wat leidt tot een sterke vurende respons. Als ze langzaam binnen druppelen, lekt de emmer even snel leeg als hij gevuld wordt, wat resulteert in een zwakkere respons. Dit kader bood een duidelijke, fysieke verklaring voor waarom de golven met verschillende snelheden bewogen en waarom die snelheden de sterkte van de reactie van het brein voorspelden.

De studie verduidelijkte ook wat er gebeurt wanneer het brein rustig is versus wanneer het actief is. Tijdens perioden van visuele stimulatie werden de voortbewegende golven sneller en frequenter, passend bij de verhoogde staat van alertheid van het brein. In het donker waren de golven langzamer en minder frequent. Cruciaal was dat de onderzoekers ontdekten dat zelfs wanneer de voortbewegende golven aanwezig waren, ze niet altijd tot gesynchroniseerd vuren leidden. Soms verschenen de golven zonder dat de neuronen in unisono vuurden, wat het model verklaarde als een situatie waarin de binnenkomende signalen te zwak waren om de natuurlijke "lekkerigheid" van de neuronen te overwinnen. Deze nuance hielp te verklaren waarom de golven en het vuren soms uit de pas leken te lopen.

Uiteindelijk verschuift dit werk het begrip van voortbewegende golven van een mysterie van bewegende signalen naar een helder beeld van de timing van de input. De golven zijn niet de neuronen die in een rij marcheren; ze zijn de voetafdruk van de informatie die het brein binnenkomt, georganiseerd in tijd en ruimte. De snelheid van de golf vertelt ons hoe goed georganiseerd die binnenkomende informatie is. Een snelle golf betekent dat de inputs in een strakke, efficiënte sequentie aankomen, klaar om de activiteit van het brein aan te drijven. Een trage golf betekent dat de inputs verspreid en minder effectief zijn. Door de snelheid van deze golven direct te koppelen aan de sterkte van de neuronale respons, hebben de onderzoekers een nieuwe manier geboden om de activiteit van het brein te lezen, waarbij ze laten zien dat de timing van wat er binnenkomt net zo belangrijk is als het vuren dat eruit komt. Dit inzicht biedt een helderder beeld van hoe het brein de wereld verwerkt, en suggereert dat het ritme van onze gedachten en percepties diep verbonden is met de precieze timing van de signalen die ze voeden.