Onderzoekers hebben twee soorten cellen in onze hersenen geïdentificeerd die betrokken zijn bij het organiseren van discrete herinneringen op basis van wanneer ze zich hebben voorgedaan. Deze bevinding verbetert ons begrip van hoe het menselijk brein herinneringen vormt en kan implicaties hebben bij geheugenstoornissen zoals de ziekte van Alzheimer. De studie werd ondersteund door het Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies (BRAIN) Initiative van de National Institutes of Health en gepubliceerd in Nature Neuroscience .
“Dit werk is transformerend in hoe de onderzoekers de manier waarop het menselijk brein denkt bestudeerden”, zegt Jim Gnadt, Ph.D., programmadirecteur bij het National Institute of Neurological Disorders and Stroke en het NIH BRAIN Initiative. “Het brengt de menselijke neurowetenschap een benadering die eerder werd gebruikt bij niet-menselijke primaten en knaagdieren door rechtstreeks op te nemen van neuronen die gedachten genereren.”
Deze studie, geleid door Ueli Rutishauser, Ph.D., hoogleraar neurochirurgie, neurologie en biomedische wetenschappen aan het Cedars-Sinai Medical Center in Los Angeles, begon met een bedrieglijk eenvoudige vraag: hoe vormen en organiseren onze hersenen herinneringen? We leven onze wakkere levens als één continue ervaring, maar op basis van onderzoek naar menselijk gedrag wordt aangenomen dat we deze levensgebeurtenissen opslaan als individuele, afzonderlijke momenten. Wat markeert het begin en het einde van een herinnering? Deze theorie wordt ‘gebeurtenissegmentatie’ genoemd en we weten relatief weinig over hoe het proces in het menselijk brein werkt.
Om dit te bestuderen, werkten Rutishauser en zijn collega’s met 20 patiënten die intracraniële registratie van hersenactiviteit ondergingen om chirurgie te begeleiden voor de behandeling van hun medicijnresistente epilepsie. Ze keken hoe de hersenactiviteit van de patiënt werd beïnvloed toen filmfragmenten werden getoond die verschillende soorten ‘cognitieve grenzen’ bevatten – overgangen waarvan gedacht wordt dat ze veranderingen teweegbrengen in de manier waarop een herinnering wordt opgeslagen en die het begin en einde van geheugen’bestanden’ in de hersenen markeren. .
Het eerste type, een ‘zachte grens’ genoemd, is een video met een scène die vervolgens doorsnijdt naar een andere scène die hetzelfde verhaal voortzet. Er wordt bijvoorbeeld een honkbalwedstrijd gegooid waarin een worp wordt gegooid en wanneer de slagman de bal raakt, snijdt de camera naar een schot van de veldspeler die een spel maakt. Daarentegen is een “harde grens” een snee naar een heel ander verhaal – stel je voor dat de geslagen bal onmiddellijk werd gevolgd door een snee in een commercial.
Jie Zheng, Ph.D., postdoctoraal fellow bij Children’s Hospital Boston en eerste auteur van de studie, legde het belangrijkste verschil tussen de twee grenzen uit.
“Is dit een nieuwe scène binnen hetzelfde verhaal, of kijken we naar een heel ander verhaal? Hoeveel het verhaal van de ene clip naar de andere verandert, bepaalt het type cognitieve grens, “zei Zheng.
De onderzoekers registreerden de hersenactiviteit van deelnemers terwijl ze naar de video’s keken, en ze merkten twee verschillende groepen cellen op die op verschillende soorten grenzen reageerden door hun activiteit te verhogen. Eén groep, ‘grenscellen’ genaamd, werd actiever als reactie op een zachte of harde grens. Een tweede groep, ‘gebeurteniscellen’ genoemd, reageerde alleen op harde grenzen. Dit leidde tot de theorie dat het creëren van een nieuw geheugen plaatsvindt wanneer er een piek is in de activiteit van zowel grens- als gebeurteniscellen, iets dat alleen optreedt na een harde grens.
Een analogie met hoe herinneringen kunnen worden opgeslagen en geopend in de hersenen, is hoe foto’s worden opgeslagen op uw telefoon of computer. Vaak worden foto’s automatisch gegroepeerd in gebeurtenissen op basis van waar en wanneer ze zijn gemaakt en worden ze later aan u getoond als een belangrijke foto van die gebeurtenis. Wanneer u op die foto tikt of klikt, kunt u dieper ingaan op die specifieke gebeurtenis.
“Een grensreactie kan worden gezien als het creëren van een nieuw foto-evenement”, zei Dr. Rutishauser. “Terwijl je het geheugen opbouwt, is het alsof er nieuwe foto’s aan dat evenement worden toegevoegd. Wanneer een harde grens optreedt, wordt die gebeurtenis gesloten en begint een nieuwe. Er kunnen zachte grenzen worden bedacht om nieuwe beelden te vertegenwoordigen die binnen een enkele gebeurtenis zijn gemaakt.
De onderzoekers keken vervolgens naar het ophalen van herinneringen en hoe dit proces zich verhoudt tot het afvuren van grens- en gebeurteniscellen. Ze theoretiseerden dat de hersenen grenspieken gebruiken als markeringen voor het ‘skimmen’ van herinneringen uit het verleden, net zoals de belangrijkste foto’s worden gebruikt om gebeurtenissen te identificeren. Wanneer de hersenen een schietpatroon vinden dat er bekend uitziet, “opent” het die gebeurtenis.
Er werden twee verschillende geheugentests gebruikt om deze theorie te bestuderen. In de eerste kregen de deelnemers een reeks stilstaande beelden te zien en werd hen gevraagd of ze afkomstig waren uit een scène in de filmfragmenten die ze zojuist hadden bekeken. Deelnemers aan het onderzoek herinnerden zich eerder afbeeldingen die zich kort na een harde of zachte grens hadden voorgedaan, en dat is wanneer een nieuwe “foto” of “gebeurtenis” zou zijn gemaakt.
De tweede test omvatte het tonen van paren afbeeldingen uit filmclips die ze zojuist hadden bekeken. De deelnemers werd vervolgens gevraagd welke van de twee afbeeldingen het eerst was verschenen. Het bleek dat ze het veel moeilijker hadden om de juiste afbeelding te kiezen als de twee zich aan verschillende kanten van een harde grens voordeden, mogelijk omdat ze in verschillende ‘evenementen’ waren geplaatst.
Deze bevindingen geven inzicht in hoe het menselijk brein herinneringen creëert, opslaat en gebruikt. Omdat gebeurtenissegmentatie een proces is dat kan worden beïnvloed bij mensen met geheugenstoornissen, kunnen deze inzichten worden toegepast bij de ontwikkeling van nieuwe therapieën.
In de toekomst zijn Dr. Rutishauser en zijn team van plan om te kijken naar twee mogelijke wegen om therapieën te ontwikkelen die verband houden met deze bevindingen. Ten eerste kunnen neuronen die de chemische stof dopamine gebruiken, die het meest bekend staat om hun rol in beloningsmechanismen, worden geactiveerd door grens- en gebeurteniscellen, wat een mogelijk doelwit suggereert om de vorming van herinneringen te helpen versterken.
Ten tweede is een van de normale interne ritmes van de hersenen, bekend als het theta-ritme, verbonden met leren en geheugen. Als gebeurteniscellen in het ritme van dat ritme schoten, konden de deelnemers de volgorde van de getoonde afbeeldingen gemakkelijker onthouden. Omdat diepe hersenstimulatie theta-ritmes kan beïnvloeden, zou dit een andere manier kunnen zijn om patiënten met bepaalde geheugenstoornissen te behandelen.
Dit project werd mogelijk gemaakt door een multi-institutioneel consortium via het Research on Humans-programma van het NIH BRAIN Initiative. Instellingen die bij deze studie betrokken waren, waren Cedars-Sinai Medical Center, Children’s Hospital Boston (site PI Gabriel Kreiman, Ph.D.) en Toronto Western Hospital (site PI Taufik Valiante, MD, Ph.D.). De studie werd gefinancierd door het NIH BRAIN Initiative (NS103792, NS117839), de National Science Foundation en Brain Canada.
Het BRAIN Initiative ® is een gedeponeerd handelsmerk van het Amerikaanse ministerie van Volksgezondheid en Human Services.