Jarenlang werd gedacht dat hersengebieden vooral communiceren via ritmes die in dezelfde frequentie meebewegen. Maar onderzoek van Vinck en collega's laat zien dat dit beeld te beperkt is. Hersendynamiek is namelijk heterogeen, breedbandig en vaak helemaal niet ritmisch. Bovendien bleken veel gemeten interacties vooral het gevolg van lineaire signaaloverdracht, vergelijkbaar met het doorsturen van hetzelfde signaal, en dus geen echte integratie van informatie.
In het NONLIN-project draait het daarom om iets anders: non-lineaire, synergetische interacties. Die kunnen zwakke inputs enorm versterken, informatiebronnen combineren en nieuwe dynamische toestanden creëren, precies de eigenschappen die volgens Vinck nodig zijn om fenomenen zoals aandacht, werkgeheugen en perceptie te verklaren.
Open source
Vinck ontwikkelt nieuwe wiskundige methoden en voorspellende neurale netwerkmodellen die lineaire en non-lineaire interacties voor het eerst duidelijk van elkaar kunnen scheiden. Deze worden getest op uitzonderlijk rijke bestaande datasets: grote intracraniële metingen bij mensen en niet-menselijke primaten, in samenwerking met internationale partners. Daarmee wil het team fundamentele kennis verzamelen om bijvoorbeeld nieuwe biomarkers voor hersenziekten te ontdekken of nieuwe stadia van bewustzijn ontdekken wat van belang is om zorg voor een patient wel of niet door te zetten. Alle tools worden open source beschikbaar gesteld.
Unieke kweekvijver in Nijmegen voor onderzoek én onderwijs
Het onderzoek vindt plaats binnen het Donders Centre for Neuroscience (DCN), waar computationele en experimentele neurowetenschap uitzonderlijk sterk zijn geïntegreerd. Dat sluit perfect aan bij het NONLIN-project, dat zowel wiskundige modellering als complexe invasieve hersenmetingen omvat. Vinck is bovendien workpackage leader binnen het nationale Dutch Brain Interface Initiative (DBI²), waar vergelijkbare principes worden onderzocht in de context van hersenstimulatie en epilepsie.
Vinck benadrukt ook het belang van onderwijs: “De Neurophysics-master is een unieke combinatie van fysica, wiskunde, computationele neurowetenschap en AI. Dit vormt de ideale voorbereiding voor toekomstige promovendi die aan NONLIN zullen gaan werken. Via deze master stroomden al meerdere toptalenten het lab binnen.”
Wetenschappelijke basis: reeks toonaangevende publicaties
De grant bouwt voort op een indrukwekkende reeks artikelen in toptijdschriften zoals Neuron en Nature Communications, waarin Vincks groep de beperkingen van bestaande theorieën aantoonde en nieuwe fundamentele principes van hersencommunicatie formuleerde.
Met NONLIN zet het Donders Institute opnieuw een grote stap in het ontrafelen van de dynamische, non-lineaire architectuur van het denkende brein.