Tijdsbesef is fundamenteel voor de manier waarop we de wereld begrijpen, ons herinneren en ermee omgaan. Taken variërend van het voeren van een gesprek tot autorijden vereisen dat we onthouden en waarnemen hoe lang dingen duren – een complexe maar grotendeels onbewuste berekening die constant onder de oppervlakte van onze gedachten loopt.
Onderzoekers van de University of Utah Health hebben nu ontdekt dat bij muizen een specifieke populatie van “tijdcellen” essentieel is voor het leren van complex gedrag waarbij timing cruciaal is. Net als de secondewijzer van een klok vuren tijdcellen achter elkaar af om korte tijdsperioden in kaart te brengen.Maar tijdcellen zijn niet alleen maar een simpele klok, ontdekten de onderzoekers – als dieren leren om onderscheid te maken tussen verschillend getimede gebeurtenissen, verandert het patroon van tijdcelactiviteit om elk patroon van gebeurtenissen anders weer te geven.
De ontdekking zou uiteindelijk kunnen helpen bij het vroegtijdig opsporen van neurodegeneratieve ziekten, zoals Alzheimer, die het tijdsbesef aantasten. Het nieuwe onderzoek is gepubliceerd in Nature Neuroscience.
Door een complexe leertaak gebaseerd op tijd te combineren met geavanceerde beeldvorming van de hersenen, konden de onderzoekers zien hoe patronen van tijdcelactiviteit complexer werden naarmate de muizen leerden. De onderzoekers zetten eerst een proef op waarbij het leren van de verschillen in de timing van gebeurtenissen cruciaal was.
Om een beloning te krijgen, moesten de muizen leren om onderscheid te maken tussen patronen van een geurprikkel met een variabele timing, alsof ze een heel eenvoudige vorm van morsecode leerden. Voor en nadat de muizen het leerden, gebruikten de onderzoekers geavanceerde microscopie om individuele tijdcellen in realtime te zien vuren. In het begin reageerden hun tijdcellen op dezelfde manier op elk patroon van geurprikkels.
Maar toen ze de verschillend getimede stimuluspatronen leerden, ontwikkelden de muizen verschillende patronen van tijdcelactiviteit voor elk patroon van gebeurtenissen. Met name tijdens proeven die de muizen fout deden, konden de onderzoekers zien dat hun tijdcellen vaak in de verkeerde volgorde afgingen, wat suggereert dat de juiste volgorde van tijdcelactiviteit cruciaal is voor het uitvoeren van tijdgerelateerde taken. “Tijdcellen worden verondersteld actief te zijn op specifieke momenten tijdens de proef”, zegt Hyunwoo Lee, PhD, postdoctoraal neurobioloog aan de Spencer Fox Eccles School of Medicine van de Universiteit van Utah en co-hoofdauteur van het onderzoek. “Maar toen de muizen fouten maakten, werd die selectieve activiteit rommelig.”
Verrassend genoeg spelen tijdcellen een gecompliceerdere rol dan alleen het bijhouden van de tijd, aldus Erin Bigus, assistent in neurobiologie en co-hoofdauteur van het onderzoek. Toen de onderzoekers de activiteit van het hersengebied dat tijdcellen bevat, de mediale entorhinale cortex (MEC), tijdelijk blokkeerden, konden de muizen nog steeds de timing van gebeurtenissen waarnemen en er zelfs op anticiperen. Maar ze konden geen complexe tijdgerelateerde taken leren.
“Het MEC werkt niet als een simpele stopwatch die nodig is om de tijd bij te houden in simpele omstandigheden,” zei Bigus. “Het lijkt een rol te spelen bij het leren van deze complexere temporele relaties.” Intrigerend genoeg bleek uit eerder onderzoek naar het MEC dat het ook betrokken is bij het leren van ruimtelijke informatie en het maken van “mentale kaarten”. In de nieuwe studie zagen onderzoekers dat de patronen van hersenactiviteit die optreden tijdens het leren van tijdsgebaseerde taken enige overeenkomsten vertonen met eerder waargenomen patronen die betrokken zijn bij ruimtelijk leren; aspecten van beide patronen blijven bestaan, zelfs als een dier niet actief aan het leren is.
Hoewel er meer onderzoek nodig is, suggereren deze resultaten volgens de onderzoekers dat de hersenen ruimte en tijd op fundamenteel vergelijkbare manieren zouden kunnen verwerken. “Wij denken dat de entorhinale cortex een tweeledig doel zou kunnen dienen, namelijk als kilometerteller om de afstand bij te houden en als klok om de verstreken tijd bij te houden,” aldus James Heys, PhD, assistent-professor neurobiologie en hoofdauteur van het onderzoek.
Bron: University of Utah Health