Radboud Universiteit Nijmegen


De mechaniek van communicerende neuronen

Ritmische synchronisatie van neuronen zorgt ervoor dat het menselijk brein snel en efficiënt werkt. Voor deze hypothese weet de Nijmeegse cognitieve neurowetenschapper Pascal Fries steeds meer bewijzen op tafel te krijgen. Het levert hem bovendien keer op keer subsidies op en publicaties in toptijdschriften als Nature en Science. Zijn geheim: hij denkt na over zaken die andere onderzoekers links laten liggen.

Samenwerking of synchronisatie tussen neuronen is een bekend gegeven. Juist omdat neuronen samenwerken, zijn wij in staat om, bijvoorbeeld met EEG, signalen op te vangen uit het brein. Het actiepotentiaal dan wel magnetisch veld van een enkel neuron is daarvoor te zwak.

Handig in het gebruik, maar niet iets om je in te verdiepen, vindt het gros van de cognitieve neurowetenschappers. Pascal Fries, onderzoeksleider Neuronal Coherence bij het F.C. Donders Centre for Cognitive Neuroimaging van de Radboud Universiteit Nijmegen, denkt daar anders over. 'Volgens mij is synchronisatie het fundament voor cognitieve functies als geheugen, waarnemen en aandacht.' Voor deze hypothese verzamelt Fries steeds meer bewijs. Zo legt hij in een artikel in Science van 15 juni 2007 de achterliggende mechaniek van synchronisatie bloot.

Ritme
Ieder hersengebied of groepje neuronen is gespecialiseerd in één ding, bijvoorbeeld het herkennen van de kleur rood, ronde vormen of van beweging. Om te kunnen waarnemen dat een rode bal naar links rolt, werken groepen neuronen samen. Dit principe maakt ons brein flexibel. Er zijn immers ontzettend veel samenwerkingsverbanden mogelijk, waardoor je telkens nieuwe dingen kunt waarnemen.

Wat maakt nu dat de verbinding tussen neuronengroep A en B wel en die tussen A en C niet tot stand komt? De groep van Fries toonde al aan dat aandacht een cruciale factor is. Bied proefpersonen of -dieren twee stimuli aan, bijvoorbeeld een rondje en een kruisje, en vraag hen zich te concentreren op het rondje. De neuronengroep die een kei is in kruisjes, wordt de mond gesnoerd. Fries vergelijkt het met een telefoonnet. 'In principe zijn wij verbonden met zestien miljoen Nederlanders. Maar als we iemand bellen, willen we niet dat al die andere mensen ook meepraten.'

Hoe regelen neuronen dat? Fries opperde in 2005 in Science daarvoor de hypothese Communication Through Coherence (CTC): neuronengroepen stemmen hun synchronisatiepatroon op elkaar af. Een neuronengroep zendt signalen uit in een bepaald ritme en de ontvangende groep zet zich schrap in hetzelfde ritme. Ofwel: 'Hun communicatieramen voor input en output staan op dezelfde tijd open.'

Voorspellende waarde
In 2006 presenteerde Fries' groep data die de CTC-hypothese ondersteunden en aantoonden dat synchronisatie daadwerkelijk gevolgen heeft voor gedrag. In een vergelijkbaar experiment als hierboven beschreven kregen apen twee twee visuele stimuli aangeboden, zeg een blaadje en een appel. De taak van de proefdieren was uitsluitend te reageren als ze een appel zagen. Precies conform de hypothese bleek: hoe preciezer de synchronisatie, hoe sneller de apen reageerden. 'De precisie van de synchronisatie had dus voorspellende waarde', vertelt Fries. 'We wisten hoe snel de aap zou reageren, nog voordat hij gereageerd had en ook voordat de aap in zijn brein het signaal kreeg om te reageren.'

De laatste Science-publicatie legt het mechaniek achter ritmische synchronisatie bloot. 'Neuronen vuren niet continu, er zijn periodes van stilte', legt Fries uit. 'Die stiltes moeten ergens goed voor zijn, dachten we. En inderdaad, zo wordt ongewenst contact voorkomen.' Er is alleen contact tussen neuronengroepen met dezelfde phase locking relation, andere afgevuurde pijlen ketsen af. (zie Figuur 1)

De rode en de paarse neuronengroep vertonen een synchroon patroon. Ze vangen elkaars signalen op. De signalen van de groene en paarse groep daarentegen ketsen af op een niet corresponderend patroon. Dit zorgt ervoor dat wel de appel, maar niet het blaadje actief waargenomen wordt.

In beide onderzoeken maakten de onderzoekers gebruik van spontane variaties zoals die in vrijwel elk experiment voorkomen: dezelfde aap, dezelfde elektroden, dezelfde stimuli, maar soms toch een andere reactie. Normaliter verdwijnen die variaties in gemiddeldes, Fries legde er juist de focus op en wilde weten hoe het zat. Op basis van verschillen in synchronisatiepatronen kon hij verschillen in reactietijden voorspellen. 'We hebben bewezen dat synchronisatie impact heeft.'

Daarmee is voor Fries de kous niet af. Want hoe precies ontstaat synchronisatie? En wat zijn de cognitieve implicaties? Zijn er technieken om synchronisatie te creëren of af te breken? Met zijn in 2006 verworven EURYI-subsidie gaat Fries zich verder in deze vragen verdiepen.

BrainGain
De onderzoeksgroep van Fries participeert ook in BrainGain, het project dat resultaten van hersenonderzoek met hoogwaardige technologie toepasbaar maakt voor patiëntenbehandeling. De Radboud Universiteit is penvoerder van dit project, dat onlangs 14 miljoen subsidie uit de SmartMix-gelden ontving. Fries gaat onderzoeken welke methode het meest geschikt is om met elektrodes protheses zoals kunstarmen aan te sturen. Een elektrode inbrengen in de hersenen werkt theoretisch het beste, maar is in de praktijk letterlijk en figuurlijk ingrijpend. Bovendien gaat de elektrode daar snel kapot. Een elektrode op de schedel werkt slecht vanwege de grote hoeveelheid ruis. Fries gaat bij apen onderzoeken wat een patiënt te winnen heeft bij een derde methode: elektrodes op het hersenvlies.

Science-publicatie 15 juni 2007
'Modulation of Neuronal Interactions Through Neuronal Synchronization'. Thilo Womelsdorf, Jan-Mathijs Schoffelen, Robert Oostenveld, Wolf Singer, Robert Desimone, Andreas K. Engel, Pascal Fries www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/316/5831/1609 (Womelsdorf, Schoffelen en Oostenveld zijn net als Fries onderzoekers bij het FC Donders Centre)