Een mysterieus gebied diep in het menselijk brein zou kunnen zijn waar we de aanval van stimuli van de buitenwereld sorteren en ons concentreren op de informatie die het belangrijkst is voor ons gedrag en onze overleving, hebben onderzoekers van Princeton University ontdekt.
De onderzoekers rapporteren in het tijdschrift Science dat een deel van onze hersenen, de pulvinar genaamd, de communicatie tussen clusters van hersencellen reguleert, aangezien onze hersenen zich concentreren op de mensen en objecten die onze aandacht nodig hebben. Net als een telefoniste zorgt de pulvinar ervoor dat afzonderlijke delen van de visuele cortex - die visuele informatie verwerken - over dezelfde externe informatie communiceren, legt hoofdauteur Yuri Saalmann uit, een geassocieerd onderzoeker aan het Princeton Neuroscience Institute (PNI). Zonder begeleiding van de pulvinar kan een belangrijke observatie, zoals een tegemoetkomende bus bij het oversteken van de straat, verdwalen in een wirwar van andere stimuli.
Saalmann zei dat deze bevindingen over hoe de hersenen informatie doorgeven, kunnen leiden tot nieuwe manieren om aandachtsgerelateerde stoornissen te begrijpen en te behandelen, zoals ADHD en schizofrenie. Saalmann werkte samen met senior onderzoeker Sabine Kastner, een professor in de afdeling Psychologie en het Princeton Neuroscience Institute; en PNI-onderzoekers Xin Li, een onderzoeksassistent; Mark Pinsk, een professionele specialist; en Liang Wang, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker.
De onderzoekers ontwikkelden een nieuwe techniek om directe communicatie tussen clusters van neuronen in de visuele cortex en de pulvinar te traceren. Het team produceerde neurale verbindingskaarten met behulp van magnetische resonantiebeeldvorming (MRI), en plaatste vervolgens elektroden langs die geïdentificeerde communicatiepaden om hersensignalen van makaken te volgen. De onderzoekers trainden de apen om een videogame te spelen waarbij ze visuele aanwijzingen gebruikten om een specifieke vorm te vinden, omringd door afleidende informatie. Terwijl de makaken zich concentreerden, konden Saalmann en zijn collega's zien dat de pulvinar regelde welke delen van de visuele cortex signalen verzonden en ontvingen.
Saalmann legt de bevindingen van Princeton als volgt uit:
"Een fundamenteel probleem voor de hersenen is dat er te veel informatie in onze natuurlijke omgeving is om deze tegelijkertijd in detail te verwerken. De hersenen richten zich in plaats daarvan selectief op, of hebben aandacht voor, de mensen en objecten het meest relevant voor ons gedrag op dat moment en filtert de rest eruit. Als we bijvoorbeeld een drukke stadsstraat oversteken, blokkeren onze hersenen de drukte van de menigte achter ons om ons meer op een tegemoetkomende bus te concentreren.
"De overdracht van gedragsrelevante informatie tussen verschillende delen van de hersenen is nauw gesynchroniseerd. Als een hersengebied een signaal over onze omgeving verzendt, zoals dat er een bus nadert, is een ander hersengebied klaar om het te ontvangen en reageren, bijvoorbeeld door ons sneller te laten oversteken. Een hardnekkige vraag in de neurowetenschappen is echter hoe verschillende hersengebieden precies synchroniseren, zodat belangrijke informatie niet verloren gaat in de andere stimuli die onze hersenen overspoelen.
"Onze studie suggereert dat een mysterieus gebied in het centrum van de hersenen, de pulvinar genaamd, fungeert als een schakelbordoperator tussen gebieden op het hersenoppervlak, bekend als de visuele cortex, die visuele informatie verwerkt. Wanneer we aandacht besteden aan belangrijke visuele informatie, de pulvinar zorgt ervoor dat informatie die tussen clusters van neuronen gaat consistent en relevant is voor ons gedrag.
"Deze resultaten kunnen het begrip vergroten van de neurale mechanismen van selectieve aandacht en hoe de hersenen informatie doorgeven. Dit is een noodzakelijke stap in het ontwikkelen van effectieve behandelingsstrategieën voor medische aandoeningen die worden gekenmerkt door een falen van aandachtsmechanismen. Deze aandoeningen omvatten ADHD, schizofrenie en ruimtelijke verwaarlozing, wat een onvermogen is om stimuli te detecteren die vaak worden waargenomen na een beroerte.
"Voor ons onderzoek hebben we apen getraind om een videogame te spelen waarin ze aandacht besteedden aan visuele signalen om verschillende doelvormen te detecteren. We registreerden tegelijkertijd hersenactiviteit in de pulvinar en twee verschillende delen van de visuele cortex We konden een duidelijk verbindingspad zien van het ene deel van de cortex naar het andere, evenals verbindingspaden van de pulvinar naar de cortex. Toen de apen aandacht besteedden aan de visuele signalen, stuurde de pulvinar elektrische pulsen om bepaalde hersengroepen te synchroniseren cellen in de visuele cortex zodat ze effectief kunnen communiceren.
"Een uitdaging in dit onderzoek was dat we de activiteit moesten vastleggen van cellen die rechtstreeks met elkaar 'spraken', zodat we de communicatielijn konden volgen. Maar er zijn miljarden hersencellen. een cel-naar-cel verbinding is net zo waarschijnlijk als het willekeurig selecteren van twee mensen die op mobiele telefoons in verschillende delen van New York City praten en ontdekken dat ze met elkaar aan het praten waren.
"Om te 'luisteren' naar een direct celgesprek, hebben we een nieuwe benadering ontwikkeld om met elektroden groepen hersencellen vast te leggen die anatomisch met elkaar verbonden waren. We hebben eerst neurale verbindingen in de hersenen in kaart gebracht via diffusietensorbeeldvorming, die gebruikt een MRI-scanner om de beweging van water langs neurale verbindingen te meten. We gebruikten deze beelden vervolgens om elektroden te implanteren op de eindpunten van de neurale verbindingen die worden gedeeld door de pulvinar en de visuele cortex.
"Het in kaart brengen van deze communicatienetwerken en onze bevinding dat de pulvinar van vitaal belang is voor aandacht, noopt tot een nieuwe overweging van de mechanismen achter een hogere cognitieve functie. We betwisten het algemene idee dat deze functies uitsluitend afhankelijk zijn van de hersenschors, de buitenste laag van de hersenen die verantwoordelijk is voor onder meer besluitvorming, aandacht en taal. Het suggereert ook dat de heersende opvatting dat visuele informatie uitsluitend via een netwerk van gebieden in de visuele cortex wordt verzonden, moet worden herzien om de pulvinar als een belangrijke regulator van neurale transmissie."
