18 december 2012
Een van de unieke kenmerken van het menselijk brein is dat het zijn prioriteiten en prioriteiten herprioriteert wanneer situaties veranderen en nieuwe informatie ontstaat. Dit gebeurt wanneer u een geplande cruise annuleert omdat u het geld nodig heeft om uw kapotte auto te repareren of wanneer u uw ochtendrit onderbreekt omdat uw mobiele telefoon in uw zak rinkelt.
In een nieuwe studie in het Proceedings van de National Academy of Sciences (PNAS), onderzoekers van Princeton University zeggen dat ze de mechanismen hebben ontdekt die bepalen hoe onze hersenen nieuwe informatie gebruiken om onze bestaande prioriteiten aan te passen.
Het team van onderzoekers van het Neuroscience Institute van Princeton (PNI) gebruikte functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI) om onderwerpen te scannen en uit te zoeken waar en hoe het menselijk brein prioriteiten herprioriteert. Zoals te verwachten, vonden ze dat het verschuiven van doelen plaatsvindt in de prefrontale cortex, een gebied van de hersenen waarvan bekend is dat het geassocieerd is met een verscheidenheid aan gedragingen op hoger niveau. Ze merkten ook op dat de krachtige neurotransmitter dopamine - ook bekend als de "plezierstof" - in dit proces een cruciale rol lijkt te spelen.
Met behulp van een onschadelijke magnetische puls onderbraken de wetenschappers activiteiten in de prefrontale cortex van de deelnemers tijdens het spelen van games en merkten dat ze niet in staat waren over te schakelen naar een andere taak in het spel.
"We hebben een fundamenteel mechanisme gevonden dat bijdraagt aan het vermogen van de hersenen om zich op één taak te concentreren en vervolgens flexibel over te schakelen naar een andere taak", legt Jonathan Cohen, mededirecteur van PNI en de Robert Bendheim en Lynn Bendheim Thoman hoogleraar Neurowetenschappen.
"Stoornissen in dit systeem staan centraal in veel kritische stoornissen van de cognitieve functie zoals die worden waargenomen bij schizofrenie en obsessief-compulsieve stoornis."
Eerder onderzoek had al aangetoond dat wanneer het brein nieuwe informatie gebruikt om zijn doelen of gedrag te wijzigen, deze informatie tijdelijk wordt weggeschreven in het werkgeheugen van de hersenen, een soort kortetermijngeheugenopslag. Tot nu toe hebben wetenschappers de mechanismen die bepalen hoe deze informatie wordt bijgewerkt echter niet begrepen.
GEBRUIK VAN SPELLEN NAAR PINPOINT BESLUITVORMING
Samen met de hoofdauteur van de studie Kimberlee D'Ardenne van Virginia Tech, evenals collega-onderzoekers Neir Eshel, Joseph Luka, Agatha Lenartowicz en Leight Nystrom, bedachten Cohen en zijn team een studie die hen in staat stelde de hersenen van hun onderwerpen te scannen terwijl ze een spel speelden. Het spel vereiste dat de deelnemers op specifieke knoppen drukten, afhankelijk van verschillende visuele aanwijzingen. Als ze de letter A voor de letter X hadden gekregen, werd hen gevraagd een knop met het label "1" in te drukken. Als ze echter de letter B voor de X zagen, moesten ze op een knop met het label "2" drukken.
In een eerdere versie van de taak werden deelnemers echter eerst gevraagd om op de 1-knop te drukken toen ze X zagen, ongeacht welke letters eraan voorafgingen. Dus de A- en B-regel die werd geïntroduceerd in de tweede ronde diende als de 'nieuwe informatie' die de deelnemer moest gebruiken om zijn doel bij te werken om te beslissen op welke knop hij moest drukken.
Na onderzoek van de fMRI vonden de onderzoekers verhoogde activiteit in de rechter prefrontale cortex toen deelnemers de meer complexe taak voltooiden die Maak een beslissing tussen twee knoppen op basis van de visuele aanwijzingen A en B. Dit was echter niet het geval voor de eenvoudigere versie van de taak.
De resultaten van Cohen bevestigen de bevindingen van zijn eigen vorige onderzoeksproject van 2010 dat een andere scanmethode gebruikte om de timing van hersenactiviteit te meten.
In de huidige studie leverde het onderzoeksteam ook korte magnetische pulsen aan de prefrontale cortex om te bevestigen dat dit in feite het hersengebied is dat betrokken is bij het bijwerken van het werkgeheugen. Op basis van de timing van de puls op het vorige onderzoek, leverden de wetenschappers de magnetische puls af op het precieze moment waarop zij geloofden dat de juiste prefrontale cortex het geheugen zou moeten updaten. Ze ontdekten dat als ze de puls precies 0.15 leverden seconden nadat de deelnemers de letters A of B zagen, ze niet in staat waren de juiste knop aan te raken. Ze waren dus in staat om de magnetische puls te gebruiken om het geheugenbijwerkproces te verstoren.
"We voorspelden dat als de puls werd afgeleverd aan het deel van de rechter prefrontale cortex waargenomen met behulp van fMRI, en op het moment dat de hersenen zijn informatie updaten zoals onthuld door EEG, dan zou het subject de informatie over A en B niet behouden, bemoeien met zijn of haar prestaties op de knop-duwen taak, "legde Cohen.
DOPAMINE ALS DE GATEKEEPER VAN ONS WERKGEHEUGEN
In het laatste deel van het experiment wilde het team van Cohen hun theorie testen dat de neurotransmitter dopamine verantwoordelijk is voor het labelen van nieuwe informatie en belangrijk is voor het bijwerken van werkgeheugen en doelen wanneer het de prefrontale cortex binnenkomt. Dopamine is een van nature voorkomende chemische stof waarvan bekend is dat ze een sleutelrol speelt in een aantal mentale processen zoals die welke betrekking hebben op motivatie en beloning.
Om dit te doen, gebruikte het team opnieuw de fMRI om een regio te scannen die de middenhersenen wordt genoemd en die dicht is bevolkt met gespecialiseerde zenuwcellen - ook bekend als dopaminerge kernen - die verantwoordelijk zijn voor het produceren van de meeste dopamine-signalen in de hersenen. De onderzoekers volgden de activiteit van deze dopamine-emitterende zenuwcellen terwijl deelnemers de taken uitvoerden en een significante correlatie vonden tussen hersenactiviteit in deze gebieden en in de rechter prefrontale cortex.
"Het opmerkelijke deel was dat de dopamine-signalen correleerden zowel met het gedrag van onze vrijwilligers en hun hersenactiviteit in de prefrontale cortex," verklaarde Cohen.
"Deze constellatie van bevindingen biedt sterk bewijs dat de dopaminerge kernen de prefrontale cortex in staat stellen vast te houden aan informatie die relevant is voor het updaten van gedrag, maar niet informatie die dat niet is."
Professor David Badre van Brown University, een specialist in cognitieve, linguïstische en psychologische wetenschappen, is van mening dat het werk van het team van Cohen een grote stap vooruit betekent in de poging van de wetenschap om te begrijpen hoe onze hersenen het werkgeheugen bijwerken.
;