Het verkennen van hoe de hersenen leren, zich aanpassen en hun gedrag verfijnen is een van de grootste uitdagingen van de huidige wetenschap. Een groep Japanse wetenschappers heeft nu een deel van dit mysterie ontrafeld door te ontdekken dat er geen vaste routes bestaan voor het verwerven van regels en vaardigheden: de sleutel ligt in de constante herconfiguratie van neuronale activiteit.
Onderzoekers van de Universiteit van Toyama hebben aangetoond dat de hersenen regels leren en toepassen door niet altijd dezelfde paden te volgen, maar door dynamisch de signalen tussen neuronen opnieuw te organiseren.
Dit blijkt uit een studie gepubliceerd in Molecular Brain, waarin het team, geleid door de assistent-professor Shuntaro Ohno, aantoonde dat de mediale prefrontale cortex (een cruciale regio in de hersenen) voortdurend zijn interne signalen aanpast terwijl de dieren leren, wat een flexibele aanpassing van het gedrag mogelijk maakt.
Stel je de hersenen voor als een orkest dat een melodie uitvoert. Niet altijd spelen dezelfde instrumenten dezelfde noten: afhankelijk van het stuk en de leerfase wijst de dirigent (in dit geval de prefrontale cortex) verschillende muzikanten aan of verandert hij het tempo om de perfecte harmonie te bereiken.
De Rol van iSeq en Analyse van Neuronale Sequenties
In deze studie trainden de onderzoekers muizen in een taak waarbij ze moesten wachten op een lamp en vervolgens naar een waterbak moesten gaan; als ze op het juiste moment likten, kregen ze een beloning.
Na meerdere dagen van oefening werden de muizen sneller en efficiënter, hoewel het pad dat ze volgden niet veranderde. Wat wel varieerde, was de interne “melodie” van hun neuronen.
Dankzij een speciale techniek (calcium-imaging) konden de wetenschappers in detail observeren hoe honderden neuronen communiceerden tijdens het leerproces. Om deze gegevens te analyseren, ontwikkelden ze een gereedschap genaamd iSeq, dat functioneert als een ultra-precisie camera die elke beweging van de muzikanten in een orkest vastlegt zonder dat het partituren nodig heeft.
Zo ontdekten ze dat, in het begin, de neuronale patronen niet toestonden te zeggen of de muis succesvol zou zijn. Maar na meerdere dagen dienden de veranderingen in deze “sequenties” als een indicatie: ze konden zelfs voorspellen of de muis de beloning zou krijgen voordat hij actie ondernam.
Ohno verklaarde dat iSeq een nieuwe kijk gaf op de interne werking van de hersenen met een detailniveau dat nooit eerder was bereikt. Ze ontdekten dat terwijl de muizen leerden, de prefrontale cortex zijn interne signalen herconfigureerde om de acties die regelmatig tot een beloning leidden te benadrukken.
En iets nog verbazingwekkender: de neuronen die verantwoordelijk zijn voor elke “deel van de melodie” veranderden in de loop van de tijd, wat betekent dat de hersenen niet altijd dezelfde groepen cellen gebruiken, maar hun eigen circuits opnieuw programmeert wanneer het gedrag verbetert.
“De hersenen slaan een regel niet op als een statische fotokopie. In plaats daarvan actualiseert het de activiteitspatronen om signalen, acties en resultaten met elkaar te verbinden,” zegt de professor.
Waarom is deze ontdekking belangrijk?
Deze resultaten tonen aan dat de regels die de hersenen volgen tijdens het leren niet vaststaand zijn en niet op één manier worden opgeslagen, maar dat ze ketens van gebeurtenissen zijn die veranderen met elke ervaring. Deze flexibiliteit stelt ons in staat om beter te reageren en vaardiger te worden naarmate we een taak vaker oefenen.
Het begrijpen van hoe dit gebeurt, biedt nieuwe inzichten over geestelijke controle, het vormen van gewoonten en onze aanpassingsvermogen.
Bovendien helpt dit onderzoek niet alleen bij het begrijpen van hoe we denken en leren, maar opent het ook nieuwe lijnen voor het ontwikkelen van betere revalidatietrieken na hersenletsels en voor het ontwerpen van kunstmatige intelligentsystemen die biologische flexibiliteit kunnen nabootsen. Gereedschappen zoals iSeq zullen in de toekomst ook worden gebruikt om deze hersendynamiek in andere delen van de hersenen en bij verschillende dieren te onderzoeken.
Hoewel het onderzoek zich richtte op muizen, geloven de auteurs dat hun ontdekkingen een basis bieden om te begrijpen hoe de menselijke hersenen regels leren en gedragingen aanpassen.
Uiteindelijk laat de studie zien dat de essentie van flexibiliteit en leren niet zozeer ligt in de vaste structuur van de neuronale verbindingen, maar in de temporele activiteitspatronen die constant veranderen en zich aanpassen, zodat we kunnen leren en verbeteren.
