Miljarden mensen over de hele wereld vinden elke dag moeiteloos de weg in hun omgeving, bijvoorbeeld wanneer ze naar hun werk of naar huis gaan. Dergelijke reizen vinden meestal plaats zonder veel bewuste inspanning en worden mogelijk gemaakt door het vermogen van het brein om op basis van algemene kennis van een omgeving een schatting te maken van waar het is. Het vermogen om een gedetailleerde schatting te maken van de locatie vindt zijn oorsprong in de hippocampus, een structuur met de vorm van een zeepaardje die zich in de temporaalkwab bevindt. Uit onderzoek is gebleken dat bij het precieze mechanisme voor navigatie hippocampale plaats cellen zijn betrokken, waarvan de elektrische activiteit toe- of afneemt afhankelijk van locatie. Wanneer men echter de dagelijkse route van werk naar huis aflegt, is een zeer gedetailleerde kaart van welk huis men in welke volgorde tegenkomt overbodig. In plaats daarvan maak je gebruik van meer algemene informatie. Links bij het museum, rechtuit tot de supermarkt en dan naar rechts, genaamd topografische oriëntatie.

Hoe nu verder?

De onderzoekers borduurden voort op actueel onderzoek en onderzochten hoe navigatiekennis in de hersenen wordt gecodeerd en of dit proces inderdaad in verschillende structuren binnen de temporaalkwab plaatsvindt. Hiervoor leerden ze ratten een visueel geleide taak uit te voeren in een doolhof in de vorm van een 8: twee lussen die in het midden samenkomen. Tijdens het experiment maten de onderzoekers de elektrische activiteit in het brein. Hierbij gebruikten ze een nieuw instrument waardoor de onderzoekers tegelijkertijd groepen hersencellen in vier verschillende gebieden konden meten. Dit deden ze in de perirhinale cortex, hippocampus en twee sensorische gebieden. Metingen in de perirhinale cortex lieten langdurige activiteitspatronen zien. Er was een duidelijke toename en afname van elektrische activiteit, afhankelijk van het segment waarin de ratten zich bevonden. Dit patroon hield stand in de hele lus.

De buurtcel

Jeroen Bos, hoofdauteur en onderzoeker aan het Swammerdam Institute for Life Sciences van de UvA: ‘We troffen een duidelijk verschil aan tussen de reacties in de perirhinale cortex en reacties in andere gebieden van de hersenen. Cellen in de perirhinale cortex hadden langdurige activatiepatronen, die bijvoorbeeld de hele lus bevatten. Ter contrast: hippocampale locatiecellen waren verspreid in het hele doolhof en bevonden zich in veel kleinere velden dan de lussen van het doolhof. We hadden niet verwacht dat de activiteit van de perirhinale cortex zo nauwkeurig overeen zou komen met de structuur van het doolhof, vooral omdat dit hersengebied doorgaans in verband wordt gebracht met objectherkenning. Dit lijkt een nieuw type neuron te zijn, dat we informeel aanduiden als de ‘buurtcel’. Deze neuronen lijken de hersenen in staat te stellen verschillende segmenten - ‘buurten’ - van de omgeving van elkaar te onderscheiden.’ 

Betekenis voor de ziekte van Alzheimer

De resultaten van het team geven een eerste indruk van de manier waarop de hersenen navigatiegedrag op grotere schaal coderen en kunnen met name van belang zijn voor mensen met een verminderd topografisch oriëntatievermogen. De grote schaal van perirhinale codering contrasteert met de fijnere schaal van hippocampale codering.

Medeonderzoeker en hoogleraar Cognitive Systems and Neuroscience Cyriel Pennartz: ‘Het is bekend dat patiënten met de ziekte van Alzheimer of met beschadiging aan de temporaalkwab grote moeite hebben de weg te vinden, met name naar veraf gelegen locaties. Onze bevindingen zijn weliswaar nieuw, maar zijn niet strijdig met eerdere literatuur over dit verschijnsel, zoals bijvoorbeeld over de ervaren Londense taxichauffeur die een beschadiging aan de hippocampus opliep. De chauffeur kon nog wel door de stad navigeren, maar bleef sterk afhankelijk van de doorgaande wegen en verdwaalde nogal eens en raakte in de war wanneer hij gebruik moest maken van zijstraten. Het is mogelijk dat hij de perirhinale cortex gebruikte voor topografische oriëntatie, maar geen gebruik meer kon maken van de fijngevoelige plaats velden die gewoonlijk in de hippocampus worden aangetroffen.’

De resultaten geven niet alleen nieuwe inzichten in hersenmechanismen voor ruimtelijke navigatie op verschillende schalen, maar bieden patiënten met de ziekte van Alzheimer of andere ziekten mogelijk een richtsnoer bij het gebruikmaken van alternatieve ruimtelijke strategieën die niet ernstig zijn aangetast. De bevindingen wijzen op de perirhinale cortex als mogelijk behandelingsdoel voor deze patiënten die moeilijkheden hebben met globale navigatie. Ook kunnen deze bevindingen het onderzoek naar hulprobots en apparaten ter vervanging van neurale functies verder helpen.

Publicatiegegevens

Jeroen Bos, Martin Vinck en Cyriel Pennartz, ‘Perirhinal firing patterns are sustained across large spatial segments of the task environment’ in Nature Communications (26 May 2017). DIO: 10.1038/NCOMMS15602.