Archive for February, 2014

Informatie volgen in het brein met millisecondenprecisie

Posted on: February 12th, 2014 by Daan Schetselaar No Comments

Hersenonderzoekers hebben een groot probleem. Ze kunnen met steeds krachtigere scanners steeds nauwkeuriger vaststellen waar hersenprocessen zich afspelen. En met uiterst gevoelige sensoren kunnen ze ook het verloop in de tijd vaak precies bepalen. Maar een exacte meting van tijd en plaats tegelijk; dat is nog altijd schier onmogelijk. Onderzoekers van MIT in Cambridge bedachten een slimme truc en brachten met ongekende precisie in beeld waar en wanneer visuele waarnemingen in het brein worden verwerkt.

De gereedschapkist van neurowetenschappers is de afgelopen decennia flink uitgebreid met indrukwekkende apparaten als MRI- en MEG-scanners. De eerste leveren de bekende kleurige plaatjes op van hersenactiviteit. Die worden steeds nauwkeuriger; een resolutie van driedimensionale fMRI-beelden van 1 bij 1 bij 1 millimeter is geen uitzondering meer. Maar zo’n scan is een beetje als een foto genomen met een heel lange sluitertijd. Het fMRI-signaal is namelijk afhankelijk van voldoende toevoer van zuurstofrijk bloed naar de actieve hersendelen, en dat duurt een paar seconden. En in de hersenen, waar in enkele tientallen milliseconden (een milliseconde is één duizendste seconde) vaak al een hoop gebeurt, is dat erg lang.

Schedeloppervlak

Wil je precies weten hoe snel een hersenproces op gang komt of hoe lang het duurt? Dan gebruiken hersenonderzoekers meestal EEG of MEG; technieken die op millisecondenschaal  minuscule variaties in elektrische spanning tussen groepen neuronen oppikken. Maar omdat de meting plaatsvindt aan het schedeloppervlak, weet je nooit zeker waar in het brein die spanningsverschillen precies vandaan komen.

Wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) bedachten een list. Ze lieten proefpersonen plaatjes zien van 92 verschillende objecten, waaronder gezichten, lichaamsdelen, dieren, fruit en gereedschappen. Ondertussen maten ze hersenactiviteit met MEG. Die metingen leveren voor elk plaatje een reeks golven op; verschillen in magnetische veldsterkte over tijd. Maar de wetenschappers keken niet naar de golven zelf, maar alleen naar hoe sterk de golfpatronen die de verschillende plaatjes opleverden van elkaar verschilden. Plaatjes die veel op elkaar leken (bijvoorbeeld twee gezichten) leverden vergelijkbare golfpatronen op terwijl plaatjes die niet op elkaar leken juist heel verschillende golfpatronen opleverden.

Eerst object, dan categorie

Door te kijken op welk moment tijdens de meting de verschillen tussen golfpatronen zichtbaar werden, konden de wetenschappers exact achterhalen wanneer de hersenen onderscheid maken tussen verschillende plaatjes. Zo zagen ze dat na het zien van een object het brein eerst het object zelf onderscheidt en daarna pas vaststelt tot welke categorie het behoort, zoals ‘natuurlijk’ of ‘kunstmatig’.

Op de vraag waar dat in het brein gebeurt, hadden de onderzoekers daarmee nog geen antwoord. Daarom lieten ze dezelfde plaatjes zien aan proefpersonen in een MRI-scanner waardoor zichtbaar werd welke hersengebieden daarbij actief waren. Ook nu waren ze niet geïnteresseerd in de scans zelf, maar in de mate waarin de scans verschillen bij het zien van verschillende plaatjes. Net als bij de MEG-metingen leken de fMRI-data meer op elkaar bij het zien van gelijksoortige plaatjes dan bij heel verschillende plaatjes. Bovendien kwam het verschil tussen de scans overeen met het verschil in de MEG-golfpatronen voor dezelfde plaatjescombinaties.

Beperkingen omzeilen

De truc zit ‘m in het exacte moment waarop die overeenkomst tussen MEG en fMRI het grootst was. Dat bleek anders te zijn voor verschillende hersengebieden. Zo konden de onderzoekers achterhalen dat in de primaire visuele cortex (helemaal achter in het hoofd) informatie over de objecten binnenkomt zo’n 100 milliseconden nadat het plaatje wordt getoond. Een ander hersendeel, de inferieure temporale cortex (grofweg gelegen achter de slapen) herkent de objecten zo’n 30 milliseconde later.

Hoewel MEG en fMRI een heel ander soort data opleveren, laat dit onderzoek zien dat je ze toch met elkaar kunt combineren. Door niet naar de data zelf te kijken, maar naar de verschillen bij het tonen van verschillende stimuli. Zo kunnen onderzoekers de beperkingen van beide methoden omzeilen en in beeld brengen hoe razendsnelle processen zich in het brein ontvouwen.

 

Het onderzoek werd op 26 januari gepubliceerd in Nature Neuroscience.

Please wait... loading