Hersenmodules blijken verrassend flexibel: dezelfde neuronen kunnen herinneringen én actieplannen vasthouden

Onderzoekers van MIT en Princeton hebben aanwijzingen gevonden dat de hersenen niet voor elk soort informatie een aparte groep neuronen nodig hebben. Sommige clusters in de prefrontale cortex lijken juist als herbruikbare modules voor het werkgeheugen te functioneren. Dezelfde groep neuronen kan daardoor een onthouden zintuiglijke prikkel vasthouden en later een plan voor de volgende handeling ondersteunen.

Wat lieten de muizenexperimenten zien?

De muizen voerden een vertraagde vergelijkings- en rapportagetaak uit. Ze hoorden eerst een hoge of lage toon, moesten die informatie enige tijd onthouden, de toon vergelijken met een tweede toon en vervolgens het juiste besluit of actieplan vasthouden totdat ze reageerden. De onderzoekers registreerden daarbij de activiteit van duizenden neuronen in de mediale prefrontale cortex en de achterste pariëtale cortex.

Een computationele clusteranalyse wees op herbruikbare neurale subruimten voor het verwerken van prikkels en het onderhouden van informatie in het geheugen. In de prefrontale cortex konden clusters die tijdens de eerste wachttijd de zintuiglijke herinnering ondersteunden, tijdens een latere wachttijd opnieuw worden ingezet voor het vasthouden van het actieplan. Dat past bij het idee dat dezelfde berekening verschillende soorten inhoud kan verwerken.

De pariëtale cortex liet een ander patroon zien. Clusters in dit gebied waren relatief gespecialiseerd en droegen vaker consequent bij aan een bepaald type informatie. Het verschil tussen flexibele hergebruik in de prefrontale cortex en meer vaste specialisatie in de pariëtale cortex kan wijzen op een taakverdeling tussen beide hersengebieden.

Ook kunstmatige neurale netwerken ontwikkelden zulke modules

De onderzoekers trainden recurrente neurale netwerken — modellen die informatie via terugkoppelingen tijdelijk kunnen vasthouden — op vergelijkbare taakvereisten. Ook deze netwerken ontwikkelden een modulaire, herbruikbare organisatie. Het resultaat ondersteunt de gedachte dat zo’n architectuur een nuttige computationele oplossing is en niet alleen een toevallig kenmerk van de onderzochte muizen.

Waarom worden dit ‘cognitieve Legoblokjes’ genoemd?

De metafoor verwijst naar een vorm van samengestelde cognitie: relatief herbruikbare onderdelen kunnen telkens in een andere combinatie worden ingezet om nieuw gedrag op te bouwen. De hersenen hoeven dan niet voor elke nieuwe taak alles vanaf nul te leren. Ze kunnen bestaande bewerkingen hergebruiken en vooral de combinatie of de inhoud ervan aanpassen.

Dat zou kunnen helpen verklaren waarom dieren en mensen snel tussen taken, regels, herinneringen en plannen kunnen schakelen. Het biedt ook een mogelijk ontwerpidee voor AI-systemen, die voor verwante taken vaak nog veel aanvullende training nodig hebben. Een modulair systeem zou eerder geleerde vaardigheden kunnen benutten zonder alle bestaande kennis opnieuw te moeten opbouwen.

De resultaten vormen echter geen volledig bewijs voor het mechanisme achter menselijk, flexibel denken. De metingen bij muizen zijn correlatief: ze laten activiteitspatronen zien die passen bij het hergebruik van neuronclusters, maar tonen niet aan dat één specifiek cluster het gedrag rechtstreeks veroorzaakt.

Welke experimenten volgen?

De onderzoekers willen vervolgexperimenten uitvoeren waarin geïdentificeerde prefrontale clusters op specifieke momenten in de taak selectief worden verstoord of gemanipuleerd. Zo kunnen ze testen of de bijdrage van een cluster inderdaad verschuift van het onderhouden van een zintuiglijke herinnering naar het onderhouden van een actieplan.

De belangrijkste voorspelling is dat het verstoren van dezelfde groep neuronen verschillende gevolgen heeft, afhankelijk van het moment waarop dat gebeurt. In de beschikbare bronnen staat onvoldoende informatie om de precieze interventiemethode of planning te beschrijven.

Hoe is het onderzoek gefinancierd?

De beschikbare bronnen geven geen betrouwbare informatie over de financiering van dit specifieke MIT-Princeton-onderzoek. Een financieringsvermelding van Princeton — met het Amerikaanse Office of the Director of National Intelligence en de National Institutes of Health — heeft betrekking op een afzonderlijk project naar de verbindingen in muizenhersenen en mag niet aan deze studie worden toegeschreven.