Onthouden we door spontane herhalingen in onze hersenen?

Het ruimtelijk geheugen is dat deel van je bewustzijn en denken dat trajecten en belangrijke plekken onthoudt. Onderzoek heeft uitgewezen dat bepaalde hersencellen enkel actief worden wanneer je je op een bepaalde plek bevindt. Het zijn de plaatscellen van de hippocampus. Door deze cellen krijgt elke ervaring een uniek cel-activiteiten patroon toegewezen, een geheugenspoor. Wetenschappers hebben ontdekt dat deze geheugensporen zich op een later tijdstip opnieuw afspelen, alsof je de ervaring opnieuw beleeft.

De herhaalde hersenactiviteiten worden geheugenspoor reactivaties of simpelweg herhalingen genoemd. Of er echt een verband is tussen deze herhalingen en het ruimtelijk geheugen en wat dat verband dan precies is weten we niet. Door gebruik te maken van de meest recente technologische ontwikkelingen en doordachte geheugentaken voor proefdieren proberen we dit te achterhalen.

Figuur 1: Een schematische weergave van de activiteit van 3 plaatscellen in de hippocampus tijdens een geheugenspoor en een herhaling.

De neurowetenschap

Het brein bestaat uit ongeveer 86 miljard cellen en kan beschouwd worden als een van de meest complexe organen van het menselijk lichaam.

Onze kennis over het brein is de laatste jaren enorm gegroeid dankzij het onstaan van een nieuw interdisciplinair wetenschappelijk veld: de neurowetenschap.

Zo is het nu algemeen aangenomen dat elk deel van de hersenen verantwoordelijk is voor een afzonderlijke functie van het menselijk lichaam.

Een ander opmerkelijk kenmerk van het brein is dat het nooit ophoudt te veranderen. Naast het feit dat het groeit zoals de rest van ons lichaam, worden de verbindingen tussen de hersencellen voortdurend aangepast, afhankelijk van de gebeurtenissen die we meemaken. Met andere woorden, de hersenen veranderen op basis van ervaring en dit gegeven lijkt de sleutel te zijn om nieuwe informatie of vaardigheden te onthouden en te leren.

De hippocampus en het geheugen

In ons experiment waren we vooral geïnteresseerd in een bepaalde soort van onthouden, namelijk het recente ervaring - werkgeheugen (RE-WG). Met dit geheugen neem je beslissingen op basis van recente gebeurtenissen. De hippocampus (HC), gelegen diep in het brein, is een zeer gespecialiseerde hersenstructuur die sinds lange tijd geassocieerd wordt met leren en geheugen. Deze associatie kwam er voornamelijk na de observatie van plaatscellen en geheugensporen in de HC (zie inleiding en figuur 1). Eerder hippocampus onderzoek bij knaagdieren onthulde dat tijdens korte pauzes in hun beweging de gemiddelde activiteit van de plaatscellen aanzienlijk verlaagt. Echter, soms tijdens deze pauze verhogen ze hun activiteit echter weer voor een zeer korte tijd, ongeveer 50 ms, wat we kunnen observeren als zeer karakteristieke rimpelingen in de hersenactiviteit. Deze rimpelingen worden scherpgolf rimpelingen genoemd en ze komen bij de meeste zoogdieren voor (zie figuur 2). De cellen die overwegend activeren zijn dezelfde plaatscellen die ook actief waren tijdens de voorgaande ervaringen. De plaatscellen worden gereractiveerd in dezelfde volgorde zodat het lijkt alsof de hersenen de ervaring opnieuw afspelen maar dan in een veel kortere tijd. Daarom worden deze rimpelingen geheugenspoor reactivaties of simpelweg herhalingen genoemd, zie figuur 1.

Figuur 2: Voorbeelden van scherpgolf rimpelingen geobserveerd bij verschillende zoogdieren. G. Buzski, Neuron 2013

Direct verband

Om een direct verband tussen de herhalingen en RE-WG aan te tonen analyseren we de hersenactiviteit van ratten terwijl ze een specifieke geheugentaak uitvoeren. Wanneer de karakteristieke rimpeling die geassocieerd wordt met de herhalingen wordt gedetecteerd, sturen we een kleine, kort durende stroom naar de hippocampus (0.2 ms, 100-200 μA). Deze stroom is net voldoende om de startende rimpeling die gedetecteerd was te stoppen en beïnvloedt ook geen enkele andere functie van het brein. Op deze manier kunnen we de rat een geheugentaak laten uitvoeren zonder dat de herhalingen in zijn brein plaatsvinden. We vergelijken dan hoe goed de rat dingen onthoudt wanneer hij wel vs. geen herhalingen heeft, zie figuur 3.

Figuur 3: Hersenactiviteit van de hippocampus wanneer herhalingen niet en wel verstoord worden. 

8-arm radiaal doolhof

In ons experiment moesten de ratten een geheugentaak leren op een 8-arm radiaal doolhof, zie figuur 4. Er wordt op het einde van elke arm een koekje gelegd waarna de rat vrij mag bewegen op het doolhof. Het doel is om alle koekjes op een zo efficiënt mogelijke manier te vinden, d.w.z. door niet twee keer in dezelfde arm te gaan. Wanneer de rat dit toch doet wordt hij van het doolhof gehaald en moet hij enkele minuten wachten vooraleer hij opniew mag beginnen. Mocht de rat de armen volledig random kiezen zou hij gemiddeld 4 armen kiezen vooraleer een fout te maken (een eerder bezochte arm kiezen). Onze ratten geraakten na een tijdje training gemiddeld tot aan 6 correcte arm keuzes. Dit toont aan dat de ratten niet willekeurig de armen kozen. Daarnaast zagen we echter dat de ratten een systeem hadden bedacht om de taak gemakkelijker te kunnen oplossen, zonder dat ze hun geheugen nodig hadden. Ze bezochten alle armen gewoon in volgorde, bijvoorbeeld in wijzerzin achter elkaar. Dit kan verklaren waarom we geen verschil in geheugen prestatie zagen wannneer we de herhalingen verstoorden. We zagen wel dat de ratten langere pauzes namen naar het einde van de taak toe wanneer de herhalingen verstoord werden. Dit zou kunnen wijzen op een verhoogde onzekerheid bij de ratten omtrent hun volgende arm keuze.

Figuur 4: Een schema van een 8-arm radiaal doolhof met ongelijke hoeken tussen de armen. De licht grijze lijnen stellen het traject van de rat voor en de rode lijn een foutieve armkeuze.

Omwille van dit laatste resultaat en eerder uitgevoerde onderzoeken geloven we dat herhalingen tijdens de uitvoering van een taak belangrijk zijn voor het RE-WG. Ons experiment heeft dit echter niet voldoende kunnen aantonen. Daarom willen we in de toekomst dit experiment herhalen met een andere geheugentaak waarbij de rat geen geheugenloze strategie kan gebruiken.