Het voorzien van gevaar of het voorbereiden op een beweging is niet zomaar een instinctieve reactie, maar het resultaat van een complexe berekening. Revolutionair onderzoek, uitgevoerd door Radboud Universiteit en Erasmus Medisch Centrum en gepubliceerd in Nature Neuroscience, toont aan dat ons brein statistiek gebruikt om de toekomst te voorspellen.
Door muizen te observeren die waarschijnlijkheidstests ondergingen, ontdekten de onderzoekers een specifiek patroon in de kleine hersenen, waar informatie over het verleden wordt opgeslagen en verwerkt volgens het Bayesiaanse inferentiemodel. Deze ontdekking plaatst de Purkinje-cellen in het middelpunt van ons vermogen om ons te oriënteren in een onzekere wereld.
Bayesiaanse inferentie: het interne kompas van de hersenen
Het concept van Bayesiaanse inferentie is gebaseerd op een eenvoudig idee: we werken onze voorstellingen van de toekomst voortdurend bij op basis van nieuwe informatie die we ontvangen. Tot nu toe werd deze theorie voornamelijk gebruikt om algemeen menselijk gedrag te beschrijven. Dit onderzoek bewijst dat dit mechanisme fysiek is ingebed in onze neurale circuits.
Onderzoekers leerden muizen om de luchtstroom op het oog te voorzien na een lichtflits. Door het tijdstip van de luchtstroom willekeurig te maken, maar wel volgens een bepaalde statistische logica, ontdekten ze dat de muizen niet alleen leerden te knipperen, maar dit op een complexe manier deden, waarbij ze het sluiten van de oogleden aanpasten aan de waarschijnlijkheidsverdeling die ze tijdens eerdere experimenten hadden geleerd.
Purkinje-cellen: de klok van het cerebellum
Het cerebellum, gelegen aan de achterkant van de schedel, wordt traditioneel geassocieerd met evenwicht en motoriek. Dit onderzoek toont echter aan dat het ook een complex centrum voor tijdsberekeningen is. De hoofdrolspelers in dit proces zijn de Purkinje-cellen — grote neuronen met een dicht vertakkingsnetwerk.
Door de activiteit van deze cellen te registreren, merkte het team van Devika Narain op dat ze hun elektrische signalen aanpassen naarmate de muis de statistieken van het experiment leert kennen.
Nog verbazingwekkender: wanneer de activiteit van deze cellen kunstmatig wordt onderdrukt, verdwijnt het voorspelbare gedrag van de muis onmiddellijk. De muis reageert nog steeds op de luchtstroom, maar verliest het vermogen om deze te voorzien.
Omgaan met het onvoorspelbare: het compensatiesignaal
Een van de meest opmerkelijke resultaten van het onderzoek betreft het omgaan met volledige onzekerheid. Toen de onderzoekers de luchtstroom extreem moeilijk voorspelbaar maakten (de waarschijnlijkheden waren zeer verspreid), gaf het brein van de muizen niet op. Het genereerde een specifiek intern signaal om het ‘eerste mogelijke interval’ van de gebeurtenis te voorspellen.
Dit mechanisme van interne compensatie toont aan dat de hersenen chaos niet accepteren. Zelfs in omstandigheden van extreme onvoorspelbaarheid creëren neuronen een standaardvoorspelling om het lichaam te beschermen. Dit suggereert dat zelfs voor eenvoudige motorische reflexen, zoals knipperen, ons zenuwstelsel gebruikmaakt van geavanceerde statistische instrumenten om de onzekerheid van de buitenwereld te compenseren.
Op weg naar een nieuw begrip van statistisch denken
Dit onderzoek opent de weg naar een beter begrip van hoe het menselijk brein complexe gegevens verwerkt. Het kan helpen bij het verbeteren van diagnostische modellen voor neurologische aandoeningen waarbij de tijdsperceptie of het voorspellend vermogen verstoord is.
Voor het Nederlandse team is de volgende stap het begrijpen hoe dit compensatiemechanisme zich op de lange termijn aanpast aan veranderende omstandigheden. Door de taal van de Purkinje-cellen te ontcijferen, hopen de wetenschappers ooit het hele netwerk in kaart te brengen dat ons in staat stelt het volgende moment te ‘zien’ nog voordat het zich voordoet.
