Waar ben ik? Ons interne GPS

Peter MolemanArtikelen, Geheugen6 Comments

Waar ben ik? Ons interne GPS | Peter Moleman

Londonse taxichauffeurs moeten naar elke straat in London kunnen rijden zonder op een kaart te kijken en zonder TomTom. En ze moeten ook alle restaurants, postkantoren, winkels en meer kennen in heel London voor ze een licentie krijgen. Hoe krijgen ze dat voor elkaar? In onze hersenen zit een ingenieus GPS (Global Positioning System), veel slimmer dan het GPS in onze smartphone. Voor ons GPS is de hippocampus belangrijk. Dat is een structuur diep in de hersenen die de vorm van een zeepaardje, hippocampus, heeft.

De plattegrond in onze hersenen

Ons GPS werd bij toeval ontdekt. John O’Keefe was geïnteresseerd in geheugen en plaatste daarom elektroden in de hippocampus van ratten. De hippocampus is immers de zetel van het geheugen (Zie Herinneren van een gebeurtenis verandert je geheugen)

Met zo een elektrode kon hij de activiteit van een enkel neuron in de hippocampus meten. Tot zijn verrassing bleek de activiteit van een neuron samen te hangen met de plek waar de rat zich bevond. Kijk maar naar de volgende video.

Je ziet een rat rondlopen in een vierkante kooi (het is versneld afgedraaid, dus het lijkt rennen). De rode stippen zijn de plekken waar de electrode de activiteit -het vuren- van het neuron registreert. Aan het eind zie je links onder de plek gekleurd waar dat neuron het meest vuurde. Op andere plekken van de vierkante kooi vuren andere neuronen. Deze neuronen, cellen noemde John O’Keefe “place cells”. Het leek erop dat in de hippocampus zo een soort plattegrond van de omgeving werd gemaakt. Maar dat bleek al gauw ingewikkelder.
Als zo een place cell vuurt als de rat zich op een bepaalde plek bevindt, waar komt de informatie over die plek dan vandaan? Die moet via de zintuigen binnenkomen: ogen, oren, neus. Maar de hippocampus heeft geen verbinding met de zintuigen of met hersengebieden waar die signalen binnenkomen, zoals de visuele cortex. De belangrijkste invoer in de hippocampus komt uit een stuk cortex dat tegen de hippocampus aan ligt, de entorhinale cortex. Onderzoekers die met John O’Keefe samenwerkten, het echtpaar Moser 1, plaatsten daarom elektroden in de mediale entorhinale cortex (MEC). Ze zagen een neuron vuren op bepaalde plaatsen, niet op één plaats, maar op plaatsen die een patroon vormen, een zeshoekig raster.
Die neuronen heten daarom “grid cells”, raster cellen. De video laat de registratie van één grid cell zien.

Video van een rat met registratie van een “grid cell”, een raster cel
Fig. 1 Schematische weergave van de plekken waarop een “grid cell”, raster cel vuurt.

De plattegrond bevat informatie over emoties en intenties

Maar hoe zit het dan met die “place cells” in de hippocampus? De hippocampus is veel meer dan een GPS. Allereerst wordt in de hippocampus “waar” gecombineerd met “wat”. Als de rat een stukje chocolade in de kooi heeft gevonden, rent hij de volgende dag meteen naar die plek. Hij heeft “waar” gecombineerd met “wat”. De informatie over dingen, een stukje chocolade bijvoorbeeld, wordt uit een ander deel van de entorhinale cortex aan de hippocampus geleverd, namelijk uit de laterale entorhinale cortex (LEC). Dus de MEC levert de informatie voor de orientatie en de LEC levert de informatie over het voorwerp.
Maar nu komt iets bijzondere van ons interne GPS pas. Bekijk het volgende plaatje.

Fig. 2 De zelfde “Place cell” (Cell I) vuurt (is actief) op andere plaatsen in kamer I dan in kamer 2

Je ziet hier in kleur weergegeven op welke plek één bepaald neuron, één “place cell”, vuurde, net zoals in het plaatje bij de video in het begin. Dat neuron vuurt als de rat linksboven in een ronde “kamer” is. Maar zet je de rat in een andere “kamer”, de driehoek, dan vuurt datzelfde neuron, maar nu rechtsonder in die kamer. Dus dit neuron vuurt op verschillende plaatsen in verschillende omgevingen. Het wordt nog gekker. Als je in plaats van lekkere chocolade iets vies neerlegt, verandert de plek waar dat neuron vuurt. Een place cell is dus niet verbonden met één vaste plek. Dat komt doordat het vuren van een place cell niet alleen te maken heeft met de plek, maar ook met allerlei voor de rat belangrijke gegevens over die plek. Niet alleen waar dat stukje chocolade lag, maar ook dat hij dat lekker vond. Dus niet alleen plek en ding, maar ook de bijbehorende emoties en intenties.

Autobiografisch geheugen en plattegrond

En dan kom ik terug bij “de hippocampus is immers de zetel van het geheugen”. Dat is niet helemaal juist, het moet zijn: de hippocampus is immers de zetel van het autobiografisch geheugen. In de hippocampus wordt kennis over plaatsen, dingen en emoties bij elkaar gebracht en de tijdvolgorde vastgelegd. De samenbindende elementen zijn dus het “waar’ en “wanneer”. De daarvoor nodige “plattegrond” wordt geleverd door de mediale entorhinale cortex (MEC) met zijn “grid cells”, rastercellen. Je zou kunnen zeggen dat ons levensverhaal in de hippocampus bij elkaar wordt gehouden door, of verankerd wordt in de plek waar het gebeurde. Daarom kan een bepaalde geur je ineens terugbrengen in de huiskamer van je grootouders, je ziet die kamer weer voor je. Ga maar eens na: de meeste herinneringen roepen beelden op van de plek waar het gebeurde. En het verklaart ook een heel effectieve techniek om feiten die niets met elkaar te maken hebben te onthouden: de “method of loci”. Als je een boodschappenlijst wilt onthouden moet je in gedachten door je huis lopen en je voorstellen dat de verschillende boodschappen aan onderdelen van je huis vastzitten. In de winkel loop je dan in gedachten dezelfde route door je huis en zie je alle boodschappen voor je. De drievoudig geheugen wereldkampioen wist zo in een half uur ruim 4.000 binaire getallen -die in willekeurige volgorde stonden- te onthouden 2.
Ons interne GPS is dus veel geavanceerder dan een GPS op een smartphone. Het is volledig geïntegreerd met ons geheugen, emoties, intenties en doelgericht handelen.

Bronnen

Poucet, B. and V. Hok (2017). “Remembering goal locations.” Current Opinion in Behavioral Sciences 17: 51-56.

Bird, C. M. (2017). “The role of the hippocampus in recognition memory.” Cortex 93: 155-165.

Ekstrom, A. D. and C. Ranganath (2017) Space, Time and Episodic Memory: the Hippocampus is all over the Cognitive Map. bioRxiv DOI: 10.1101/150177

Stachenfeld, K. L., M. M. Botvinick, et al. (2017) The hippocampus as a predictive map. bioRxiv DOI: 10.1101/097170

Knierim, J. J. (2015). “The hippocampus.” Current Biology 25(23): R1116-R1121.

Knierim, J. J. (2015). “From the GPS to HM: Place cells, grid cells, and memory.” Hippocampus 25(6): 719-725.

Moser, M.-B. and E. I. Moser (2015). “Where Am I? Where Am I Going?” Scientific American 314(1): 26-33.

Eichenbaum, H. and N. J. Cohen (2014). “Can we reconcile the declarative memory and spatial navigation views on hippocampal function?” Neuron 83(4): 764-770.

Colgin, L. L., E. I. Moser, et al. (2008). “Understanding memory through hippocampal remapping.” Trends in Neurosciences 31(9): 469-477.

Freeman, W.J. III (2000). How brains make up their minds. Columbia University Press. ISBN 978-0-231-12008-1, p. 104

Bower, G.H. (1970). “Analysis of a mnemonic device.” American Scientist 58: 496-499.

Voetnoten
  1. May-Britt en Edvard Moser kregen samen met John O’Keefe de Nobelprijs 2014 voor fysiologie en geneeskunde 
  2. Zie Method_of_loci of Mnemotechniek en TED talk by Joshua Foer 

6 Comments on “Waar ben ik? Ons interne GPS”

  1. Hi Peter: zo”n dertig jaar geleden bracht ik lange tijd door op zekere plaats in de bush in Malawi. Ik leerde er de weg goed kennen. In NL zag ik in gedachten die weg nog vaak en ook telkens als ik er weer eens was reed ik er zonder problemen heen; ik kende niet alleen de kronkels van de zandweg, de reuzen termietenheuvels, maar zelfs ook hoe op de achtergrond de heuvels eruit zagen. Totdat.. ik er na nog een paar jaar terugkwam en naar dezelfde plek wilde…ik begon te dwalen…alles was anders… de weggetjes waren omgelegd en geasfalteerd, de termietenheuvels zag ik niet meer…de heuvels leken anders. Mijn GPS was in de war … Het land was ”civilized”geworden en gestroomlijnd…. en dat was er op vele plaatsen zo. Ik moest dus her-programmeren. En dat geldt natuurlijk niet alleen voor zo”n topografisch geval. In het hele leven moeten zo vaak dingen worden bijgesteld;” wennen” heet dat geloof ik. Maar wonderbaarlijk hoe de mens zich aanpast. Ons interne archief kan zich fantastisch aanpassen. (neuron moet telkens weer ”vuren” op ”andere plaatsen”). Zullen er nog wel eens over plaatsen. Groeten. Ger

  2. Peter, Interessant maar wel behoorlijk ingewikkeld! Een bijpassende inhoudelijke vraag kan ik (nog) niet formuleren. Maar waarom heet (noem jij?) het een ZEShoekig raster, terwijl in de tekeningen te zien is dat bij elke zeshoek er een rasterpunt binnen de zeshoek ligt. Het is, zoals het getekend is, een DRIEhoekig raster. Of heeft die zeshoek een speciale betekenis of functie die zo”n driehoek niet kan hebben?

    1. Beste Jan, laat horen wat er ingewikkeld is. Ik vind het ook ingewikkeld, maar hoopte dat ik de essentie begrijpelijk had uitgelegd. Die zeshoeken overlappen elkaar. Ze -o.a. echtpaar Moser- hebben, wiskundig, bewezen dat een zeshoek de meest efficiënte manier is om topografisch een gebied vast te leggen. Je ziet de activiteit van één cel, terwijl het bij de topografie, plattegrond, gaat om de samenspraak (een netwerk) van vele cellen.

      1. Peter, Eerst maar even over de zeshoeken: kennelijk gaat het om de plaatsbepaling van één neuron, dan is er logica in het gebruiken van zeshoeken omdat die inderdaad precies het neuron omvatten. Mijn indruk was dat het om een vorm van samenwerkende cellen ging. Nu over dat ingewikkelde: ik denk dat een groot deel ervan ”m zit in de geloofwaardigheid voor een leek van de redeneringen. Enerzijds neem je aan dat het allemaal wel zal kloppen, maar waarom zijn ”ze” er zo zeker van? Bij filmpje 1: dat neuron vuurt inderdaad het vaakst in die linkeronderhoek, maar toch ook heel vaak elders, misschien in totaal zelfs wel vaker elders! Waarom zou dat dan PLAATSbepalend zijn en niet bijvoorbeeld reagerend op iets van een bepaalde omstandigheid, of voor mijn part een lichaamsfunctie van het beestje zelf? Hoe komt die entorhinale cortex aan informatie, en welke informatie(bron) dan? Dat die cel (of het neuron? of zijn die toch hetzelfde?) in verschillende ruimtes op verschillende plaatsen vuurt, ja nogal logisch! Je kan niet voor elke plek in elke ruimte waar je ooit bent geweest een aparte neuron geactiveerd hebben en houden. In je woonkamer weet je waar een stoel staat, dat onthou je langdurig. Als je een paar dagen in een hotelkamer bivakkeert, dan weet je ook waar daar de stoel staat, maar na een paar dagen elders ben je dat (meestal) weer vergeten. Dus het geheugenplekje voor ”plaats van stoel” wordt herhaaldelijk ingezet. Dat stukje over ”iets vies in plaats van de chocola” is erg cryptisch. Vuurt hetzelfde neuron nu op een andere plaats of vuurt een ander neuron nu op die plaats en wat zegt dat dan? Niet gek toch dat er dan een andere reactie komt. Uiteindelijk ging het je erom te laten zien dat onze eigen GPS veel uitgebreider en ingewikkelder is dan de digitale versie. Dat is prachtig, maar, zoals alles in het brein, is het schier onbegrijpelijk en dat geldt eigenlijk ook al voor de digitale versie, dus geen wonder dat ik er moeite mee heb. Wel een wonder dat het werkt!

        1. Ha Jan, ik heb in de tekst enkele kleine wijzigingen gezet, zodat hopelijk duidelijker is dat het om één neuron gaat (neuron = cel in dit geval). Dan nu over ingewikkeld: er zijn vele honderden publicaties uit vele onderzoekgroepen over dit onderwerp. Dus ”ze” weten heel goed wat er klopt en wat nog onbekend is. Maar dat helpt jou niet verder, want daarmee is niet gezegd dat mijn uitleg geloofwaardig is. Bij filmpje 1: als je niets verandert in die ruimte, vuurt dat neuron elke keer dat je die rat erin zet op dezelfde plaats. Dus als er aan/in het beest iets verandert, verandert de plaats van vuren niet. Daarom werd het een place cell genoemd. Nu denk je dat in de hippocampus een soort plattegrond wordt gemaakt. Dat blijkt echter niet zo, die wordt in de mediale entorhinale cortex (MEC) gemaakt. (Die wel verbindingen heeft met informatie uit de zintuigen, zoals de ogen, de neus etc). De activiteit van een place cell in de hippocampus heeft te maken met de plaats én andere gegevens (dingen, emoties etc). Maar de plaats blijft het samenbindend element, niet het ding (stoel bijvoorbeeld). Jij tracht nu die informatie over een enkele cel -place cell of grid cell- in verband te brengen met ingewikkelde herinneringen, zoals ”plaats van stoel”. Dat kan niet. En inderdaad is EEN bedoeling van mijn bericht om te laten zien dat dat niet kan. Daarbij heb ik in mijn uitleg een stap overgeslagen. Alle herinneringen zijn gebaseerd op de activiteit van gigantische netwerken van neuronen. Wat de functie van een enkel neuron in zo een netwerk is, is onbekend. Voor zover ik weet is er geen wetenschapper die dat weet, wel zijn tientallen onderzoekers ermee bezig. Enig idee hoe zulke netwerken functioneren kan je vinden in ”Gezichten herkennen”. Of dat netzo gaat in de hippocampus is een open vraag. Daarmee hangt ook samen dat de activiteit van dat neuron in filmpje 1 niet tot exact één plaats beperkt is. Alle hersenprocessen zijn stochastisch en niet deterministisch. Als je de activiteit van grote aantallen neuronen bekijkt (in wiskundige termen, dus exact!) blijkt dat het gaat om de plek waar dat neuron het meest actief is. Dus geen wonder dat je er moeite mee hebt. En misschien had ik het anders uit moeten leggen. Eigenlijk is mijn probleem dat ik wil begrijpen en daarna uitleggen hoe de hersenen als geheel werken. Hoe hangen de processen op cellulair niveau samen met de processen op hoger niveau, bijvoorbeeld netwerken, of nog hoger: geheugen, of nog hoger: emoties (ik weet niet eens of dat nog hoger is). En dat kan eigenlijk nog nauwelijks en daar struikelde jij terecht over.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *