Hoe de hersenen werken blijft een puzzel waarvan slechts enkele stukjes op hun plaats liggen. Eén van die stukjes is eigenlijk een vermoeden: dat er een verband bestaat tussen de fysieke structuur van de hersenen en de functionaliteit ervan.

De taken van de hersenen omvatten het interpreteren van aanraking, visuele en geluidsinput, maar ook spraak, redeneren, emoties, leren, fijne controle over bewegingen en vele andere. Neurowetenschappers veronderstellen dat het de anatomie van de hersenen is – met zijn honderden miljarden zenuwvezels – die al deze functies mogelijk maakt. De “levende draden” van de hersenen zijn met elkaar verbonden in uitgebreide neurologische netwerken die aanleiding geven tot de verbazingwekkende vermogens van de mens.

Het lijkt erop dat als wetenschappers de zenuwvezels en hun verbindingen in kaart kunnen brengen en de timing kunnen vastleggen van de impulsen die er doorheen stromen voor een hogere functie zoals het gezichtsvermogen, zij in staat zouden moeten zijn om de vraag op te lossen hoe men bijvoorbeeld ziet. Onderzoekers worden steeds beter in het in kaart brengen van de hersenen met behulp van tractografie – een techniek waarbij zenuwvezelroutes visueel worden voorgesteld met behulp van 3D-modellering. En ze kunnen steeds beter vastleggen hoe informatie zich door de hersenen beweegt met behulp van verbeterde functionele magnetische resonantiebeeldvorming om de bloedstroom te meten.

Maar ondanks deze hulpmiddelen lijkt niemand veel dichter bij het uitzoeken van hoe we echt zien. De neurowetenschap heeft slechts een rudimentair begrip van hoe het allemaal in elkaar steekt.

Om deze tekortkoming aan te pakken, richt het bio-ingenieursonderzoek van mijn team zich op de relaties tussen hersenstructuur en -functie. Het algemene doel is om alle verbindingen – zowel anatomisch als draadloos – die verschillende hersengebieden activeren tijdens cognitieve taken, wetenschappelijk te verklaren. We werken aan complexe modellen die beter weergeven wat wetenschappers weten over de hersenfunctie.

Een duidelijker beeld van structuur en functie kan uiteindelijk de manier waarop hersenchirurgie structuur probeert te corrigeren en, omgekeerd, medicatie de functie probeert te corrigeren, verfijnen.

Draadloze hotspots in je hoofd

Cognitieve functies zoals redeneren en leren maken gebruik van een aantal verschillende hersengebieden op een tijdgevolgde manier. Anatomie alleen – de neuronen en zenuwvezels – kan de excitatie van deze gebieden niet verklaren, gelijktijdig of in tandem.

Sommige verbindingen zijn eigenlijk “draadloos.” Dit zijn elektrische verbindingen in de buurt van het veld, en niet de fysieke verbindingen vastgelegd in tractografen.

Mijn onderzoeksteam heeft een aantal jaren gewerkt aan het detailleren van de oorsprong van deze draadloze verbindingen en het meten van hun veldsterkten. Een zeer eenvoudige analogie van wat er in de hersenen gebeurt, is hoe een draadloze router werkt. Het internet wordt via een bekabelde verbinding aan een router geleverd. De router zendt de informatie vervolgens via draadloze verbindingen naar uw laptop. Het totale systeem van informatieoverdracht werkt door zowel bedrade als draadloze verbindingen.

In het geval van de hersenen geleiden zenuwcellen elektrische impulsen langs lange draadachtige armen die axonen worden genoemd van het cellichaam naar andere neuronen. Onderweg worden op natuurlijke wijze draadloze signalen uitgezonden vanuit niet-geïsoleerde delen van zenuwcellen. Deze plekken die de beschermende isolatie missen die de rest van het axon omhult, worden knooppunten van Ranvier genoemd.

De knooppunten van Ranvier laten geladen ionen in en uit het neuron diffunderen, waardoor het elektrische signaal zich langs het axon voortplant. Terwijl de ionen in en uit stromen, worden elektrische velden opgewekt. De intensiteit en de structuur van deze velden zijn afhankelijk van de activiteit van de zenuwcel.

Hier bij het Global Center for Neurological Networks richten we ons op hoe deze draadloze signalen in de hersenen werken om informatie over te brengen.

De niet-lineaire wereld van de hersenen

Onderzoeken naar hoe opgewonden hersengebieden overeenkomen met cognitieve functies maken een andere fout wanneer ze vertrouwen op veronderstellingen die leiden tot te eenvoudige modellen.

Onderzoekers hebben de neiging om de relatie als lineair te modelleren met een enkele variabele, waarbij de gemiddelde grootte van de reactie van een enkel hersengebied wordt gemeten. Het is de logica achter het ontwerp van het eerste hoortoestel – als de stem van een persoon twee keer zo luid wordt, moet het oor twee keer zo veel reageren.

Maar hoortoestellen zijn in de loop der jaren sterk verbeterd omdat onderzoekers beter zijn gaan begrijpen dat het oor geen lineair systeem is, en er een vorm van niet-lineaire compressie nodig is om de gegenereerde geluiden af te stemmen op het vermogen van de luisteraar. In feite hebben de meeste levende wezens geen sensorsystemen die lineair, één-op-één op stimuli reageren.

Lineaire modellen gaan ervan uit dat als de input van een systeem wordt verdubbeld, de output van dat systeem ook zal worden verdubbeld. Dit is niet het geval bij niet-lineaire modellen, waar voor één waarde van de input vele output-waarden kunnen bestaan. En de meeste wetenschappers zijn het erover eens dat neurale berekeningen in feite niet-lineair zijn.

Een cruciale vraag bij het begrijpen van het verband tussen hersenen en gedrag is hoe de hersenen beslissen wat de beste handelwijze is tussen concurrerende alternatieven. Bijvoorbeeld, de frontale cortex van de hersenen maakt optimale keuzes door het berekenen van vele grootheden, of variabelen – het berekenen van de potentiële payoff, de waarschijnlijkheid van succes en de kosten in termen van tijd en inspanning. Aangezien het systeem niet-lineair is, kan een verdubbeling van de potentiële beloning een uiteindelijke beslissing veel meer dan twee keer zo waarschijnlijk maken.

Lineaire modellen missen de rijke variatie aan mogelijkheden die zich in de hersenfunctie kunnen voordoen, vooral die welke verder gaan dan wat de anatomische structuur zou suggereren. Het is als het verschil tussen een 2D- en een 3D-weergave van de wereld om ons heen.

De huidige lineaire modellen beschrijven alleen het gemiddelde niveau van prikkeling in een hersengebied, of de stroom over een hersenoppervlak. Dat is veel minder informatie dan mijn collega’s en ik gebruiken bij het bouwen van onze niet-lineaire modellen van zowel verbeterde functionele magnetische resonantie beeldvorming en elektrische near-field bioimaging gegevens. Onze modellen geven een 3D-beeld van de informatiestroom over de oppervlakken van de hersenen en naar diepten daarbinnen – en brengen ons dichter bij de voorstelling van hoe het allemaal werkt.

Normale anatomie, fysiologische disfunctie

Mijn onderzoeksteam is geïntrigeerd door het feit dat mensen met volkomen normaal ogende hersenstructuren toch grote functionele problemen kunnen hebben.

Als onderdeel van ons onderzoek naar neurologische disfunctie, bezoeken we mensen in hospices, rouwondersteuningsgroepen, revalidatiezorgfaciliteiten, traumacentra en acute zorgziekenhuizen. We zijn consequent geschrokken om te beseffen dat mensen die dierbaren hebben verloren, soortgelijke symptomen kunnen vertonen als patiënten bij wie de ziekte van Alzheimer is vastgesteld.

Rouw is een reeks van emotionele, cognitieve, functionele en gedragsmatige reacties op de dood of andere vormen van verlies. Het is geen toestand, maar eerder een proces dat tijdelijk of doorlopend kan zijn.

De gezond ogende hersenen van mensen die lijden aan fysiologische rouw hebben niet dezelfde anatomische problemen – waaronder gekrompen hersengebieden en verstoorde verbindingen tussen netwerken van neuronen – die worden gevonden in die van mensen met de ziekte van Alzheimer.

Wij geloven dat dit slechts één voorbeeld is van hoe de hot spots van de hersenen – die verbindingen die niet fysiek zijn – plus de rijkdom van de niet-lineaire werking van de hersenen kunnen leiden tot uitkomsten die niet zouden worden voorspeld door een hersenscan. Er zijn waarschijnlijk nog veel meer voorbeelden.

Deze ideeën kunnen de weg wijzen naar de verzachting van ernstige neurologische aandoeningen met behulp van niet-invasieve middelen. Rouwtherapie en niet-invasieve, elektrische nabij-veld neuromodulatie-apparaten kunnen de symptomen verminderen die gepaard gaan met het verlies van een dierbare. Misschien moeten deze protocollen en procedures op grotere schaal worden aangeboden aan patiënten die lijden aan neurologische stoornissen waarbij beeldvorming anatomische veranderingen aan het licht brengt. Het zou sommige van deze mensen invasieve chirurgische ingrepen kunnen besparen.

Het in kaart brengen van alle niet-fysieke verbindingen in de hersenen met behulp van onze recente vooruitgang op het gebied van het in kaart brengen van elektrische nabijgelegen velden, en met behulp van wat volgens ons biologisch realistische veel-variabele niet-lineaire modellen zijn, zal ons een stap dichter brengen bij waar we naar toe willen. Een beter begrip van de hersenen zal niet alleen de behoefte aan invasieve operatieprocedures om de functie te corrigeren verminderen, maar zal ook leiden tot betere modellen voor wat de hersenen het beste doen: rekenen, geheugen, netwerken en informatieverspreiding.