Wat ziet een muis? Britse onderzoekers brachten het in beeld

Britse onderzoekers zijn erin geslaagd om de hersenactiviteit van muizen om te zetten in filmpjes die tonen wat het dier op dat moment zag, scherper dan ooit tevoren.

De onderzoekers bouwden eerst een computermodel dat voorspelt hoe neuronen reageren wanneer ze naar bepaalde beelden kijken. Vervolgens draaiden ze het proces om. In plaats van hersenactiviteit te voorspellen op basis van beelden, stelden ze de omgekeerde vraag: welke beelden horen bij deze hersenactiviteit?

“We beginnen met te voorspellen hoe biologische neuronen zouden reageren op een grijs scherm”, legt hoofdauteur van de studie Joel Bauer uit aan Scientias.nl. “Daarna passen we dat grijze scherm langzaam aan totdat de activiteit van de digitale tweelingen lijkt op die van hun biologische tegenhangers. Het resultaat zijn beelden die lijken op de beelden die de muizen te zien kregen.”

Twee keer zo scherp

Stilstaande beelden die op deze manier zijn gemaakt, waren meer dan twee keer zo scherp als wat met eerdere methoden werd bereikt. Ook bij bewegende beelden werden veel details zichtbaar. De filmpjes waren tot tien seconden lang en bevatten dertig beelden per seconde.

Wel was één enkel model niet genoeg. De onderzoekers trainden daarom zeven versies van hun digitale model en middelden de resultaten. Al bij het combineren van twee modellen sprong de kwaliteit met bijna 14 procent omhoog. Ook kon vooralsnog maar een klein deel van het gezichtsveld worden nagemaakt. “Voor dat kleine stuk werkten 4.000 tot 8.000 neuronen prima”, zegt Bauer. “Maar om het hele gezichtsveld te dekken, zouden we waarschijnlijk zo’n tien keer zoveel neuronen nodig hebben.”

Leestip: Wetenschappers creëren muizen met een ‘hybride brein’ dat deels muis, deels rat is

Waarom muizen en niet mensen?

De afgelopen jaren kregen soortgelijke reconstructies bij mensen veel aandacht. Onderzoekers slaagden erin om stilstaande beelden en zelfs korte filmfragmenten te herleiden uit menselijke hersenscans (fMRI). Maar die beelden zijn verre van perfect.

“fMRI is geweldig omdat het de activiteit van het hele brein tegelijk kan meten, maar met een lage resolutie en vrij langzaam,” zegt Bauer. “Bij muizen kunnen we opnametechnieken gebruiken die ons toegang geven tot vele duizenden neuronen met veel hogere snelheid, maar dan slechts uit een klein hersengebied.”

Daar komt bij dat methoden op basis van fMRI vaak leunen op dezelfde technologie die wordt gebruikt in beeldgeneratoren zoals Midjourney. Die vullen beelden aan op basis van geleerde patronen. Dat levert mooiere plaatjes op, maar je weet dan niet meer zeker of wat je ziet ook werkelijk door het brein werd geregistreerd. De methode van Bauer en collega’s doet dat bewust niet. Hun reconstructies zijn uitsluitend gebaseerd op de activiteit van de neuronen zelf.

Ziet het brein de werkelijkheid?

De gereconstrueerde films komen niet perfect overeen met het origineel. Er zijn momenten waarop de reconstructie subtiel verschilt van wat er werkelijk op het scherm stond. Maar dat hoeven geen fouten te zijn. Het brein werkt niet als een passieve camera. Het vult voorspelbare patronen aan en filtert voortdurend informatie op relevantie.

“Ik zou zeggen dat het waarschijnlijk een compromis is dat de biologie heeft gevonden tussen ons laten focussen op wat belangrijk is en snel kunnen reageren, ten koste van het maken van fouten”, zegt Bauer.

Kijken door andermans ogen

Met deze techniek komen experimenten binnen handbereik die tot nu toe niet mogelijk waren. Hoe verandert het beeld in het brein wanneer een dier leert dat bepaalde beelden belangrijk zijn? Wat gebeurt er met die ‘interne film’ wanneer het brein voorspellingen doet? En misschien het meest ambitieus: kunnen we ooit begrijpen hoe andere diersoorten de wereld zien?

Dat laatste hoopt Bauer zelf ook. “Maar als we even een stap terug doen: op dit moment kunnen we nog niet zeker weten dat wat we reconstrueren ook daadwerkelijk de bewuste waarneming van het dier is. We weten alleen dat dit is wat de hersenen representeren.”

Dat verschil is belangrijk. Hersenactiviteit in de visuele cortex weerspiegelt wat de ogen opvangen en hoe het brein die signalen verwerkt, maar dat is niet per se hetzelfde als wat een dier bewust ervaart. Om dat te testen, zouden toekomstige experimenten dieren moeten trainen om op de een of andere manier aan te geven wat ze waarnemen en dat is bepaald niet eenvoudig.

We schreven vaker over dit onderwerp, lees bijvoorbeeld ook Eén gen bepaalt of een muizenvader zijn jongen verzorgt of doodt en Doorbraak in stamcelonderzoek: muis met twee vaders is volwassen geworden. Of lees dit artikel: Het gesimuleerde brein van een fruitvlieg heeft nu een gesimuleerd lichaam.

Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast: