Neurowetenschappers Jorrit Montijn, Guido Meijer, Carien Lansink en Cyriel Pennartz maten met een speciale microscoop wekenlang de activiteit van honderden hersencellen in het muizenbrein. Ze keken daarbij specifiek naar het deel van de hersenen dat visuele input verwerkt en registreerden de activiteit in dat gebied terwijl de muizen verschillende afbeeldingen te zien kregen.

Humeur en honger

Zo ontdekten de wetenschappers dat variabiliteit in hersensignalen geen ruis betreft, zoals tot nu toe werd gedacht. De activiteit van een enkel neuron in respons op een plaatje is variabel en onbetrouwbaar, maar binnen de gesynchroniseerde activiteit van een grote hoeveelheid neuronen bleken patronen te onderscheiden die suggereren dat die variatie juist waardevol is. 'De relaties in activiteit van verschillende neuronen kunnen de mogelijkheid bieden aan omstandigheden als humeur en honger om mede te beïnvloeden hoe bijvoorbeeld de weergave van een appel wordt verwerkt in het brein,' aldus Meijer.

De neurowetenschappers vermoeden dat dit niet alleen bij muizen het geval is, maar dat hun resultaten ook naar de mens te vertalen zijn. Uit eerdere studies bleek dat mensen en muizen sterk overlappen in de werking van het bestudeerde deel van de visuele schors.

Orde uit chaos

De variatie in hersenrespons bij een bepaalde stimulus werd traditioneel als iets negatiefs beschouwd, als 'ruis'. Meijer: 'Dat is ook logisch, want als een hersencel op verschillende momenten verschillend reageert op eenzelfde signaal, bijvoorbeeld op het zien van een tijger, dan loop je het risico dat de activiteit op een bepaald moment zo afwijkt dat de tijger niet wordt opgemerkt, omdat de hersenen hem toevallig als een zebra registreren - met alle negatieve gevolgen van dien.' Maar de groep ontdekte dat de variatie in reactie op een bepaald beeld zo is georganiseerd dat die sterk afwijkt van de variatie in respons op een ander beeld. 'De hersenen lijken zo georganiseerd dat ze de kans op verkeerde classificatie minimaliseren en de variabiliteit kunnen borgen.'

De bevindingen bieden verder inzicht in de complexiteit van het brein. Het doorgronden van het gedrag van individuele cellen blijkt niet afdoende om het gedrag van het gehele brein te voorspellen of begrijpen. Meijer: 'Het brein is geen computer, opgebouwd uit chips die iedere keer op eenzelfde ordelijke manier een signaal verwerken. De natuur is chaotischer, en is blijkbaar ook gebouwd om die chaos het hoofd te bieden. Wij hebben nu één van de principes gevonden die ervoor zorgen dat orde uit chaos voortkomt op de schaal van grote hoeveelheden verbonden neuronen.'

Publicatiegegevens

J.S. Montijn, G.T. Meijer, C.S. Lansink & C.M.A. Pennartz: ‘Population-level neural codes are robust to single neuron variability from a multidimensional coding perspective’, in: Cell Reports.
DOI: 10.1016/j.celrep.2016.07.065