Onderzoekers hebben de belangrijkste hersenmechanismen ontdekt voor het organiseren van herinneringen in de tijd.
De nieuwe studie beschrijft de ontdekking van de fundamentele mechanismen waarmee het hippocampusgebied van de hersenen herinneringen in sequenties organiseert en hoe dit kan worden gebruikt om toekomstig gedrag te plannen.
De bevinding kan een cruciale eerste stap zijn in de richting van het begrijpen van geheugenfalen bij cognitieve stoornissen zoals de ziekte van Alzheimer en andere vormen van dementie.
Door elektrofysiologische opnametechnieken bij knaagdieren te combineren met een statistische machine learning-analyse van enorme hoeveelheden gegevens, ontdekten de onderzoekers bewijsmateriaal dat suggereerde dat de hippocampus netwerk codeert en bewaart voortgang van ervaringen om te helpen bij het nemen van beslissingen.
“Ons brein houdt redelijk goed bij wanneer specifieke ervaringen of gebeurtenissen plaatsvinden. Dit vermogen helpt ons om in ons dagelijks leven te functioneren, maar vóór deze studie hadden we geen duidelijk idee van de neuronale mechanismen achter deze processen”, zegt corresponderende auteur Norbert Fortin, universitair hoofddocent neurobiologie en gedrag aan de Universiteit van Californië, Irvine.
"Waar het bij iedereen op aansluit, is dat dit type geheugen sterk is aangetast bij een verscheidenheid aan neurologische aandoeningen of gewoon bij het ouder worden, dus we moeten echt weten hoe deze hersenfunctie werkt."
Het project, dat meer dan drie jaar in beslag nam, omvatte experimentele en data-analysefasen. De onderzoekers volgden het vuren van neuronen in de hersenen van ratten terwijl ze een reeks geuridentificatietests ondergingen. Door vijf verschillende te presenteren ruikt in verschillende sequenties waren de wetenschappers in staat om het geheugen van de dieren van de juiste sequentie te meten en te detecteren hoe hun hersenen deze sequentiële relaties vastlegden.
"De analogie waar ik aan zou denken, is computergebruik", zegt Fortin. 'Als ik elektroden in je hersenen zou steken, kunnen we dat niet; daarom gebruiken we ratten - ik kon zien welke cellen op een bepaald moment vuren en welke niet vuren. Dat geeft ons enig inzicht in hoe de hersenen informatie weergeven en berekenen. Als we activiteitspatronen in een structuur vastleggen, is het alsof we nullen en enen in een computer zien.”
Verkregen in intervallen van milliseconden gedurende meerdere minuten, geven neuronale activiteits- en inactiviteitsmetingen een dynamisch beeld van het functioneren van de hersenen. Fortin zegt dat hij en zijn collega's op de een of andere manier in staat waren om "de gedachten te lezen" van hun proefpersonen door snel achter elkaar de "codering" van de cellen te bekijken - welke vuurden en welke niet.
Snel bewegen
"Als je ergens aan denkt, gaat het snel", zegt hij. 'Je zit niet lang vast aan die herinnering. Op dit moment wordt het vertegenwoordigd, maar we kunnen zien hoe dat heel snel verandert.
Fortin wist al vroeg dat de metingen van de activiteit van de hippocampus enorme hoeveelheden onbewerkte gegevens zouden opleveren. Vanaf de beginfase van het project schakelde hij de medewerking in van statistici van de Donald Bren School of Information & Computer Sciences.
“De neurowetenschappelijke vragen die we destijds in mijn lab hadden, waren veel te geavanceerd voor de statistische kennis die we hadden. Daarom moesten we partners met data science-expertise erbij betrekken”, zegt Fortin.
"Deze opkomende neurowetenschappelijke studies zijn afhankelijk van data science-methoden vanwege de complexiteit van hun gegevens", zegt senior co-auteur Babak Shahbaba, hoogleraar statistiek. “Hersenactiviteiten worden op millisecondeschaal geregistreerd en deze experimenten duren meer dan een uur, dus je kunt je voorstellen hoe snel de hoeveelheid gegevens groeit. Het komt op een punt dat neurowetenschappers meer geavanceerde technieken nodig hebben om te bereiken wat ze zich hadden voorgesteld, maar niet konden implementeren.
Hij merkt op dat wanneer neuronen informatie zoals herinneringen coderen, wetenschappers een glimp van dat proces kunnen opvangen door het patroon van piekactiviteit in alle geregistreerde neuronen te onderzoeken, gezamenlijk bekend als een ensemble.
"We ontdekten dat we deze neurale patronen als afbeeldingen konden behandelen, en dit ontgrendelde ons vermogen om diepe machine learning-methoden toe te passen", zegt Shahbaba. "We hebben de gegevens geanalyseerd met een convolutioneel neuraal netwerk, een methode die vaak wordt gebruikt in beeldverwerkingstoepassingen zoals gezichtsherkenning."
Op deze manier konden de onderzoekers het vuren van neuronen decoderen om informatie op te halen.
"We weten hoe de handtekening voor geur B eruit ziet, net zoals we die voor A, C en D kennen", zegt Fortin. “Daardoor kun je zien wanneer die handtekeningen op een ander moment weer verschijnen, bijvoorbeeld wanneer onze proefpersonen anticiperen op iets dat nog moet gebeuren. We zien dat deze handtekeningen snel opnieuw worden afgespeeld terwijl ze nadenken over de toekomst.
Shahbaba zegt dat de tools en methodologieën die tijdens dit project zijn ontwikkeld, kunnen worden toegepast op een breed scala aan problemen, en Fortin kan zijn onderzoekslijn uitbreiden naar andere hersengebieden.
Over de auteurs
Het werk verschijnt in Nature Communications.
Financiering kwam van de National Institutes of Health, de National Science Foundation en de Whitehall Foundation.
Bron: UC Irvine
Boeken over het verbeteren van prestaties uit de bestsellerlijst van Amazon
"Peak: geheimen van de nieuwe wetenschap van expertise"
door Anders Ericsson en Robert Pool
In dit boek putten de auteurs uit hun onderzoek op het gebied van expertise om inzicht te geven in hoe iemand zijn of haar prestaties op elk gebied van het leven kan verbeteren. Het boek biedt praktische strategieën voor het ontwikkelen van vaardigheden en het bereiken van meesterschap, met een focus op bewuste oefening en feedback.
Klik voor meer info of om te bestellen
"Atomic Habits: een gemakkelijke en bewezen manier om goede gewoonten op te bouwen en slechte te doorbreken"
door James Clear
Dit boek biedt praktische strategieën om goede gewoonten aan te leren en slechte gewoonten te doorbreken, met de nadruk op kleine veranderingen die tot grote resultaten kunnen leiden. Het boek is gebaseerd op wetenschappelijk onderzoek en voorbeelden uit de praktijk om bruikbaar advies te geven aan iedereen die zijn gewoonten wil verbeteren en succes wil behalen.
Klik voor meer info of om te bestellen
"Mindset: de nieuwe psychologie van succes"
door Carol S. Dweck
In dit boek onderzoekt Carol Dweck het concept van mindset en hoe dit onze prestaties en succes in het leven kan beïnvloeden. Het boek biedt inzicht in het verschil tussen een vaste mindset en een groeimindset, en biedt praktische strategieën voor het ontwikkelen van een groeimindset en het behalen van meer succes.
Klik voor meer info of om te bestellen
"De kracht van gewoonte: waarom we doen wat we doen in het leven en zaken doen"
door Charles Duhigg
In dit boek onderzoekt Charles Duhigg de wetenschap achter gewoontevorming en hoe deze kan worden gebruikt om onze prestaties op alle gebieden van het leven te verbeteren. Het boek biedt praktische strategieën voor het ontwikkelen van goede gewoonten, het doorbreken van slechte en het creëren van blijvende verandering.
Klik voor meer info of om te bestellen
"Slimmer Sneller Beter: de geheimen van productief zijn in het leven en in het bedrijfsleven"
door Charles Duhigg
In dit boek onderzoekt Charles Duhigg de wetenschap van productiviteit en hoe deze kan worden gebruikt om onze prestaties op alle gebieden van het leven te verbeteren. Het boek is gebaseerd op praktijkvoorbeelden en onderzoek om praktisch advies te geven voor het bereiken van meer productiviteit en succes.
