Ratten hebben een verbeeldingskracht, suggereert nieuw onderzoek

Nu hebben onderzoekers van de Janelia Research Campus van HHMI ontdekt dat dieren ook over een verbeeldingskracht beschikken.

Een team van de Lee en Harris-laboratoria ontwikkelde een nieuw systeem dat virtual reality en een brein-machine-interface combineert om de innerlijke gedachten van de rat te onderzoeken.

Ze ontdekten dat dieren, net als mensen, kunnen nadenken over plaatsen en objecten die zich niet vlak voor hen bevinden, en hun gedachten kunnen gebruiken om zich voor te stellen dat ze naar een locatie lopen of een object op afstand naar een specifieke plek verplaatsen.

Wanneer knaagdieren plaatsen en gebeurtenissen ervaren, worden net als mensen specifieke neurale activiteitspatronen geactiveerd in de hippocampus, een deel van de hersenen dat verantwoordelijk is voor het ruimtelijk geheugen. Uit de nieuwe studie blijkt dat ratten vrijwillig dezelfde activiteitspatronen kunnen genereren en dit doen om afgelegen locaties op afstand van hun huidige positie terug te roepen.

“De rat kan inderdaad de representatie van plaatsen in de omgeving activeren zonder daarheen te gaan”, zegt Chongxi Lai, een postdoc bij de Harris and Lee Labs en eerste auteur van een artikel waarin de nieuwe bevindingen worden beschreven. “Zelfs als zijn fysieke lichaam vaststaat, kunnen zijn ruimtelijke gedachten naar een zeer afgelegen locatie gaan.”

Dit vermogen om zich locaties voor te stellen die verder verwijderd zijn van de huidige positie is van fundamenteel belang voor het herinneren van gebeurtenissen uit het verleden en het voorstellen van mogelijke toekomstige scenario’s. Daarom laat het nieuwe werk zien dat dieren, net als mensen, een vorm van verbeeldingskracht bezitten, aldus de auteurs van het onderzoek.

“Voorstellen is een van de opmerkelijke dingen die mensen kunnen doen. Nu hebben we ontdekt dat dieren het ook kunnen, en we hebben een manier gevonden om het te bestuderen”, zegt Albert Lee, voorheen groepsleider bij Janelia en nu HHMI-onderzoeker. in het Beth Israel Deaconess Medical Center.

Een nieuwe brein-machine-interface

Het project begon negen jaar geleden toen Lai als afgestudeerde student bij Janelia aankwam met een idee om te testen of een dier kon denken. Zijn adviseur, Janelia Senior Fellow Tim Harris, stelde voor dat Lai door de gang zou lopen om met Lee te praten, wiens laboratorium soortgelijke vragen had.

Samen werkten de laboratoria aan de ontwikkeling van een systeem om te begrijpen wat dieren denken: een realtime ‘gedachtendetector’ die neurale activiteit kon meten en kon vertalen wat deze betekende.

Het systeem maakt gebruik van een brain-machine interface (BMI), die een directe verbinding biedt tussen hersenactiviteit en een extern apparaat. In het systeem van het team brengt de BMI een verband tot stand tussen de elektrische activiteit in de hippocampus van de rat en zijn positie in een 360 graden virtual reality-arena.

De hippocampus slaat mentale kaarten op van de wereld die betrokken zijn bij het herinneren van gebeurtenissen uit het verleden en het voorstellen van toekomstige scenario’s. Geheugenherinnering omvat het genereren van specifieke hippocampale activiteitspatronen die verband houden met plaatsen en gebeurtenissen. Maar niemand wist of dieren deze activiteit vrijwillig konden controleren.

Met de BMI kunnen de onderzoekers testen of een rat de activiteit van de hippocampus kan activeren door alleen maar aan een locatie in de arena te denken zonder er fysiek naartoe te gaan – in wezen detecteren of het dier zich kan voorstellen dat hij naar de locatie gaat .

Het onderzoeken van de innerlijke gedachten van de rat

Toen ze hun systeem eenmaal hadden ontwikkeld, moesten de onderzoekers het ‘gedachtenwoordenboek’ creëren waarmee ze de hersensignalen van de rat konden decoderen. Dit woordenboek verzamelt hoe activiteitspatronen eruit zien als de rat iets ervaart – in dit geval plaatsen in de VR-arena.

De rat wordt ingezet in het VR-systeem, ontworpen door Shinsuke Tanaka, een postdoc in het Lee Lab. Terwijl de rat op een bolvormige loopband loopt, worden zijn bewegingen vertaald op het 360 graden scherm. De rat wordt beloond als hij naar zijn doel navigeert.

Tegelijkertijd registreert het BMI-systeem de hippocampale activiteit van de rat. De onderzoekers kunnen zien welke neuronen worden geactiveerd wanneer de rat door de arena navigeert om elk doel te bereiken. Deze signalen vormen de basis voor een real-time hippocampale BMI, waarbij de hippocampale activiteit van de hersenen wordt vertaald in acties op het scherm.

Vervolgens ontkoppelen de onderzoekers de loopband en belonen ze de rat voor het reproduceren van het hippocampale activiteitenpatroon dat verband houdt met een doellocatie. In deze ‘Jumper’-taak – genoemd naar een gelijknamige film uit 2008 – vertaalt de BMI de hersenactiviteit van het dier in beweging op het virtual reality-scherm. In wezen gebruikt het dier zijn gedachten om naar de beloning te navigeren door eerst na te denken over waar hij heen moet om de beloning te krijgen. Dit denkproces is iets dat mensen regelmatig ervaren. Wanneer ons bijvoorbeeld wordt gevraagd om boodschappen op te halen bij een bekende winkel, kunnen we ons voorstellen welke locaties we onderweg zullen passeren voordat we ooit het huis verlaten.

In de tweede taak, de ‘Jedi’-taak – een knipoog naar Star Wars – verplaatst de rat een object alleen door gedachten naar een locatie. De rat is op een virtuele plaats gefixeerd, maar ‘verplaatst’ een object naar een doel in de VR-ruimte door de hippocampale activiteit ervan te controleren, zoals iemand die op kantoor zit zich zou kunnen voorstellen een kopje naast de koffiemachine te nemen en deze met koffie te vullen . De onderzoekers veranderden vervolgens de locatie van het doel, waardoor het dier activiteitspatronen moest produceren die verband hielden met de nieuwe locatie.

Het team ontdekte dat ratten hun hippocampale activiteit precies en flexibel kunnen controleren, net zoals mensen dat waarschijnlijk doen. De dieren zijn ook in staat deze activiteit in de hippocampus vol te houden, waarbij ze hun gedachten vele seconden op een bepaalde locatie vasthouden – een tijdsbestek dat vergelijkbaar is met het tijdsbestek waarin mensen gebeurtenissen uit het verleden opnieuw beleven of nieuwe scenario’s bedenken.

“Het verbazingwekkende is hoe ratten leren nadenken over die plek, en over geen enkele andere plek, gedurende een zeer lange periode, gebaseerd op ons, misschien naïeve, idee van de aandachtsspanne van een rat”, zegt Harris.

Het onderzoek toont ook aan dat BMI kan worden gebruikt om de activiteit van de hippocampus te onderzoeken, wat een nieuw systeem oplevert voor het bestuderen van dit belangrijke hersengebied. Omdat BMI steeds vaker wordt gebruikt in protheses, opent dit nieuwe werk volgens de auteurs ook de mogelijkheid om nieuwe protheses te ontwerpen die op dezelfde principes zijn gebaseerd.