Om te begrijpen hoe informatie van de zintuigen zich vertaalt in gedrag, moet je de activiteit van honderden hersencellen tegelijk en langdurig bestuderen. Cagatay Aydin zette een grote stap in die richting.
Als je jezelf in de spiegel ziet, zijn er meerdere hersengebieden die op je spiegelbeeld reageren. Die reacties zorgen ervoor dat je jezelf van anderen kan onderscheiden. En dat vermogen speelt een cruciale rol in sociale interacties. Tekortkomingen in zelfherkenning zijn typisch voor psychiatrische stoornissen zoals schizofrenie en autisme.
Voorlopig is het nog een raadsel hoe onze hersenen de zintuiglijke informatie over onszelf en anderen precies verwerken, en hoe ze sociale herkenning mogelijk maken. Voor zijn doctoraat nam Cagatay Aydin zich voor om dat te onderzoeken via geurherkenning.
Aydin en zijn collega’s aan de KU Leuven stelden labmuizen bloot aan geuren en bestudeerden hoe ze daarop reageerden. ‘We werkten met sociale en niet-sociale geuren’, zegt Aydin. ‘Een niet-sociale geur is bijvoorbeeld die van een banaan, een sociale die van een andere muis. Dat kan de vreemde geur zijn van een muis die ze nooit eerder hebben ontmoet, of de vertrouwde geur van een muis waarmee ze eerder in contact zijn geweest.’
Een geur die proefdieren meerdere keren aangeboden krijgen, vinden ze na verloop van tijd minder interessant, stelden de onderzoekers vast. ‘Terwijl we de muizen aan die geuren blootstelden, bestudeerden we hun snuffelende bewegingen met een infraroodcamera. Was de geur nieuw, dan zagen we hun neus als een gek tekeergaan. Rook de geur vertrouwd, dan inhaleerden ze die langzamer en verloren ze hun interesse.’
Ook de pupillen van de proefdieren verraden of ze geuren herkennen. ‘Uit eerder onderzoek weten we dat de pupillen bij muizen vergroten als ze ergens hun aandacht op vestigen, net als bij mensen’, zegt Aydin. ‘Dat is een teken van herkenning.’
Maandenlang monitoren
Wanneer muizen een geur herkennen, treden twee hersengebieden in werking: de prefrontale en de orbitale frontale cortex. Die regio’s spelen een rol bij de verwerking van sociale stimuli – zoveel was al bekend. Welke neuronen daarbij precies actief zijn, is een andere vraag.
Samen met een internationaal team van hersenwetenschappers en ingenieurs ontwikkelden Aydin en zijn collega’s een nieuwe generatie elektroden. Daarmee wilden ze de elektrische activiteit van neuronennetwerken monitoren. De nieuwe elektroden zijn zo klein dat je er wel duizenden kan passen op het uiteinde van een sonde zo dun als een haar.
De geleidertjes kunnen de elektrische activiteit van meer dan tweeduizend zenuwcellen in verschillende hersengebieden meten. En dat in hoge resolutie. ‘De elektroden meten en verwerken de hersenactiviteit veel breder dan andere technologieën’, zegt Aydin. ‘Ze zijn ook drie keer kleiner dan de vorige generatie elektroden die we ontwikkelden, en die intussen in meer dan vierhonderd laboratoria wereldwijd worden gebruikt.’ Volgens Aydin zijn de elektroden nuttig om hersenprocessen bij kleine dieren te bestuderen. Denk aan activiteiten als leren en onthouden.
‘We willen neuronen kunnen aan- of uitschakelen en kijken of het gedrag van schizofrene muizen verandert’
De onderzoeker ontwikkelde ook 3D-geprinte dragers voor sondes. ‘Je kan die op de kop van een muis plaatsen en in verschillende experimentele opstellingen gebruiken. Met de elektroden en de dragers kunnen we de hersenactiviteit van een muis maandenlang volgen. Als één dier een bepaalde taak langdurig uitvoert en er dus meer ervaren in wordt, kunnen we nagaan hoe de activiteit van de hersenregio’s en neuronen verandert. Dat was tot nu toe onmogelijk.’
Blik op schizofrenie
Aydin verwacht dat de experimenten zullen aantonen dat bepaalde neuronennetwerken bijdragen aan zelfherkenning. Dat kan nieuwe mogelijkheden bieden om ontwikkelingsstoornissen als schizofrenie en autisme te bestuderen. ‘Bij schizofrene muizen kunnen we nagaan wat er misgaat in de hersenregio’s die bij gezonde dieren betrokken zijn bij zelfherkenning. Dan zouden we neuronengroepen kunnen aan- of uitschakelen en kijken of het schizofrene gedrag verandert.’
Uiteraard hebben psychiatrische stoornissen vaak meerdere oorzaken. Aydins onderzoek biedt bijvoorbeeld geen oplossing voor de genetische aspecten van de aandoeningen. Stoornissen zijn complexe puzzels. Die leg je stukje voor stukje.
Cagatay Aydin
Cagatay Aydin studeerde elektronica en biomedische ingenieurswetenschappen aan de Isik- en Boğaziçi-universiteiten in Istanboel. Hij behaalde zijn doctoraat in cognitieve en moleculaire neurowetenschappen aan de KU Leuven. Hij doet nu zijn postdoctoraal onderzoek in het laboratorium van Sebastian Haesler en is verbonden aan het neurowetenschappelijk onderzoekscentrum NERF (Neuro Electronics Research Flanders) een initiatief van imec, KU Leuven en VIB.
