Maar hoe doet het brein dat? Deze vraag staat centraal in een recente publicatie in Nature Neuroscience van Julius Koppen, die dit onderzoek uitvoerde tijdens zijn promotie, en Devika Narain, universitair hoofddocent aan het DCN en verbonden aan het Erasmus MC.
Vertrouwen op ervaring in een onvoorspelbare wereld
“De wereld om ons heen zit vol onzekerheden,” legt Narain uit. In situaties die niet helemaal voorspelbaar zijn, vertrouwen we op wat we eerder hebben meegemaakt. Op een mistige dag heb je bijvoorbeeld vaak wel een idee van de snelheidslimieten op bekende wegen.
Veel onderzoekers, waaronder wetenschappers van het DCC, zoals Prof. Floris De Lange en Prof. Pieter Medendorp, bestuderen hoe eerdere ervaringen ons gedrag sturen. Zij gebruiken vaak wiskundige modellen, zoals Bayesiaanse theorieën, om dit te beschrijven. Tot nu toe was er weinig direct bewijs dat hersencellen zulke kennis echt opslaan. Dit onderzoek laat zien dat dat wel zo is, zelfs bij simpel bewegingen zoals het knipperen van je oog.
Knipperen en voorspellen
In hun onderzoek bestudeerden ze een bekend gedrag bij muizen, dat Pavloviaans leren wordt genoemd. Een muis leert te knipperen na een lichtsignaal, omdat het leert dat er een luchtpufje volgt. In het experiment veranderden de onderzoekers het moment waarop het luchtpufje kwam als een waarschijnlijkheidsverdeling. Het kwam dus niet altijd op hetzelfde tijdstip. Dit maakte het minder voorspelbaar.
Het resultaat? De muis paste haar knipperen aan op de veranderende waarschijnlijkheden. “Het oog sluit niet op één exact moment,” zegt Narain. “Het volgt een complex patroon dat laat zien hoe vaak een knipper verwacht wordt op verschillende momenten.”
Narain geeft een herkenbaar voorbeeld: “Als je vaak met dezelfde persoon tennist, leer je waar hun service meestal landt.” Het is niet altijd precies dezelfde plek, maar je leert het algemene patroon en past je spel daarop aan. Op dezelfde manier leert het oogknippersysteem het patroon van het luchtpufje en past het de beweging van het ooglid aan.
Eerdere kennis in het brein
De onderzoekers gingen nog een stap verder en keken waar de kennis in het brein wordt opgeslagen. Ze ontdekten dat Purkinje-cellen in het cerebellum deze patronen opslaan. Het cerebellum helpt bij beweging en coördinatie, en Purkinje-cellen zorgen ervoor dat bewegingen soepel en goed getimed zijn, zoals knipperen.
“We laten zien dat deze cellen herinneringen opslaan van patronen in hoe vaak iets gebeurt,” legt Narain uit. “Het brein leert van eerdere ervaringen en past bewegingen daarop aan om onzekerheid te verminderen.” Dit is bijzonder, omdat het laat zien dat individuele hersencellen zulke patronen echt kunnen opslaan.
Een brein dat voorspelt
De onderzoekers ontdekten ook iets onverwachts. Wanneer onzekerheid groot is, maken de Purkinje-cellen een extra signaal. “Het leek alsof het brein een manier vond om de onzekerheid te minimaliseren,” legt Koppen uit. “Het maakt als het ware zijn eigen voorspelling.” Dit soort voorspellend signaal was nog nooit eerder gezien en laat zien hoe het brein toch goed kan reageren in een wereld vol verassingen.
Het hernieuwen van een bestaande kijk op leren
Dit werk kan zorgen voor meer aandacht voor theorieën die werken met kansen en patronen, zoals Bayesiaanse modellen. “Zelfs simpele systemen reageren al op patronen in de wereld,” zegt Narain. “Hopelijk helpt dit om complex gedrag beter te begrijpen en aandoeningen te behandelen die beweging of mentale gezondheid beïnvloeden.
De volgende stap is om te onderzoeken of dit mechanisme ook een rol speelt bij complexere keuzes. Zoals Narain samenvat: “Het brein vindt voortdurend manieren om verrassingen voorspelbaar te maken, en we beginnen pas net te begrijpen hoe dat werkt.”