Dat ervaringen hun sporen nalaten in de connectiviteit van de hersenen is al een tijdje bekend, maar een baanbrekende studie van onderzoekers van DZNE en de Technische Universiteit van Dresden (TUD) laat nu zien hoe groot deze effecten werkelijk zijn. De bevindingen bij muizen bieden ongekende inzichten in de complexiteit van grootschalige neurale netwerken en hersenplasticiteit.
Bovendien zouden ze de weg kunnen effenen voor nieuwe op de hersenen geïnspireerde methoden voor kunstmatige intelligentie. De resultaten, gebaseerd op een innovatieve “brain-on-chip” technologie, zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift “Biosensors and Bioelectronics”.
De wetenschappers uit Dresden onderzochten de vraag hoe een verrijkte ervaring de circuits van de hersenen beïnvloedt. Hiervoor gebruikten ze een zogenaamde neurochip met meer dan 4.000 elektroden om de elektrische activiteit van hersencellen te detecteren. Dit innovatief platform maakte het mogelijk om het “vuren” van duizenden neuronen tegelijkertijd te registreren. Het onderzocht gebied – veel kleiner dan de grootte van een menselijke vingernagel – besloeg een hele muizenhippocampus.
Deze hersenstructuur, die door mensen wordt gedeeld, speelt een cruciale rol bij leren en geheugen, waardoor het een belangrijk doelwit is voor de verwoestingen van dementie zoals de ziekte van Alzheimer. Voor hun studie vergeleken de wetenschappers hersenweefsel van muizen die op een verschillende manier waren grootgebracht. Terwijl een groep knaagdieren opgroeide in standaardkooien, die geen speciale prikkels boden, werden de anderen gehuisvest in een “verrijkte omgeving” met herschikbaar speelgoed en doolhofachtig plastic buizen.
“De resultaten overtroffen ruimschoots onze verwachtingen”, zegt dr. Hayder Amin, hoofdwetenschapper van de studie. Amin, een expert op het gebied van neuro-elektronica en nomputationele neurowetenschappen, leidt een onderzoeksgroep bij DZNE. Met zijn team ontwikkelde hij de technologie en analysetools die in deze studie worden gebruikt. “Vereenvoudigd kan men zeggen dat de neuronen van muizen uit de verrijkte omgeving veel meer met elkaar verbonden waren dan die in standaard huisvesting. Naar welke parameter we ook keken, een rijkere ervaring zorgde letterlijk voor meer verbindingen in de neuronale netwerken. Deze bevindingen suggereren dat het leiden van een actief en gevarieerd leven de hersenen op geheel nieuwe gronden vormt.”
Ongekend inzicht in hersennetwerken.
Prof. Gerd Kempermann, die de studie mede leidt en heeft gewerkt aan de vraag hoe fysieke en cognitieve activiteit de hersenen helpt veerkracht te vormen tegen veroudering en neurodegeneratieve ziekten, getuigt: “Alles wat we tot nu toe op dit gebied wisten, is ontleend aan onderzoeken met enkele elektroden of beeldvormingstechnieken zoals beeldvorming met magnetische resonantie. De ruimtelijke en temporele resolutie van deze technieken is veel grover dan onze aanpak. Hier kunnen we letterlijk het circuit aan het werk zien tot op de schaal van enkele cellen. We hebben geavanceerde computer tools toegepast om een enorme hoeveelheid details over netwerkdynamiek in ruimte en tijd uit onze opnamen te halen.”
“We hebben een schat aan gegevens blootgelegd die de voordelen illustreren van een brein gevormd door rijke ervaring. Dit maakt de weg vrij om de rol van plasticiteit en reservevorming bij de bestrijding van neurodegeneratieve ziekten te begrijpen, vooral met betrekking tot nieuwe preventieve strategieën, “zei prof. Kempermann, die naast DZNE-onderzoeker ook verbonden is aan het Center for Regenerative Therapieën Dresden (CRTD) aan de TU Dresden. “Dit zal ook helpen om inzicht te krijgen in ziekteprocessen die verband houden met neurodegeneratie, zoals disfuncties van hersennetwerken.”
Potentieel met betrekking tot door de hersenen geïnspireerde kunstmatige intelligentie
“Door te ontrafelen hoe ervaringen het connectoom en de dynamiek van de hersenen vormen, verleggen we niet alleen de grenzen van hersenonderzoek”, zegt Dr. Amin. “Kunstmatige intelligentie is geïnspireerd op hoe het brein informatie berekent. Onze tools en de inzichten die ze genereren, kunnen dus de weg vrijmaken voor nieuwe algoritmen voor machine leren.”
Vertaling persbericht: Andre Teirlinck