Wetenschappers hebben muizen verbonden door in hun hersenen te zappen met licht

Van geesten tot vleermuizen

Toen in de jaren 2000 onderzoek naar zogenaamde interhersensynchronisatie opkwam, verwierpen sommige wetenschappers het als parapsychologie, een trippy veld van de jaren zestig en zeventig dat beweerde bewijzen te vinden van geesten, het hiernamaals en andere wonderen van het paranormale.

In 1965, bijvoorbeeld twee ophthalmologists gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Science absurd studie van 15 paren van identieke tweelingen. Elke tweeling, met elektroden op hun hoofdhuid, werd in een aparte kamer geplaatst en gevraagd om op commando te knipperen. In twee van de paren, zo meldde de studie, vertoonde een tweeling onderscheidende patronen van hersenactiviteit terwijl de broer of zus in de andere kamer knipperde. De artsen noemden het ‘buitenzintuiglijke inductie’.

“De paper is hilarisch”, zegt Guillaume Dumas, een sociaal fysioloog aan de Universiteit van Montreal die al meer dan tien jaar hersen-tot-hersensynchronisatie bestudeert. In dat verre tijdperk, zei hij, “waren er veel artikelen met methodologisch twijfelachtige conclusies die beweerden interhersensynchronisatie met twee mensen aan te tonen.”

Sindsdien hebben echter veel geluidsstudies aangetoond dat er hersensynchronisaties ontstaan ​​tijdens menselijke interacties, te beginnen met een paper in 2002 waarin werd beschreven hoe gegevens van twee hersenscanners tegelijkertijd konden worden verzameld en samengevoegd terwijl twee mensen een competitief spel speelden. Hierdoor konden onderzoekers observeren hoe beide hersenen als reactie op elkaar werden geactiveerd. In een Science-paper in 2005 toonde deze ‘hyperscanning’-techniek correlaties van activiteit in de hersenen van twee mensen wanneer ze een spel speelden dat op vertrouwen was gebaseerd .

In 2010 gebruikte Dr. Dumas hoofdhuidelektroden om te ontdekken dat wanneer twee mensen spontaan elkaars handbewegingen imiteerden , hun hersenen gekoppelde golfpatronen vertoonden. Belangrijk is dat er geen externe metronoom was – zoals muziek of een spel om de beurt – die de paren ertoe aanzette om op elkaar af te stemmen; het gebeurde van nature in de loop van hun sociale interactie.

“Er is geen telepathie of spookachtig iets in het spel,” zei Dr. Dumas. Interactie met iemand anders is ingewikkeld en vereist een voortdurende feedbacklus van aandacht, voorspelling en reactie. Het is logisch dat de hersenen een manier hebben om beide kanten van die interactie – zowel jouw gedrag als dat van de ander – tegelijkertijd in kaart te brengen, hoewel wetenschappers nog steeds heel weinig weten over hoe dat gebeurt.

Later onderzoek toonde aan dat hersensynchronisatie afhing van de sociale relatie van de twee mensen. Vreemden en stellen lijken bijvoorbeeld verschillende niveaus van hersensynchronisatie te hebben. Een andere studie vond een grotere hersensynchronisatie tussen een leider en een volger dan tussen twee volgelingen.

Weizhe Hong wist niets van deze studies bij mensen toen zijn team een ​​paar jaar geleden op dezelfde soort synchronie stuitte tijdens het opnemen van hersencellen van muizen die interactie hadden. “Gedurende ongeveer zes maanden waren we er erg door in de war”, zegt Dr. Hong, een neurowetenschapper aan de Universiteit van Californië in Los Angeles. “Ik vond het gewoon te mooi om waar te zijn, te verrassend voor mij.”

In de meeste sociale interacties doen de twee op elkaar inwerkende dieren immers niet hetzelfde op hetzelfde moment; in een gesprek kan de ene persoon luisteren terwijl de ander praat. Het begreep hem dus niet meteen waarom zijn muizen zo’n robuuste neurale synchronie vertoonden. Maar nadat hij zich verdiept had in de wetenschappelijke literatuur, zei hij: “Ik realiseerde me, oh eigenlijk, er is 15 jaar geschiedenis van het bestuderen van menselijke synchronie.”

In hun experimenten registreerde het team van Dr. Hong deze synchronie in een deel van de hersenen dat de mediale prefrontale cortex wordt genoemd en dat was gekoppeld aan een reeks sociale gedragingen. Bepaalde neuronen in de hersenen van elk dier leken het eigen gedrag van het dier te coderen, terwijl de activiteit van andere cellen correleerde met het gedrag van het andere dier. Er was enige overlap tussen de twee groepen, wat suggereert dat bepaalde cellen op beide dieren reageerden. Deze bevindingen kunnen verband houden met eerdere studies van “spiegelneuronen”, die vuren wanneer een dier handelt of wanneer het die actie bij een ander dier waarneemt, hoewel die link verre van duidelijk is, zei Dr. Hong. “Of het nu spiegelneuronen zijn of niet, is zeker iets waar we erg in geïnteresseerd zijn,” voegde hij eraan toe.

Toen zijn team in 2018 naar de grote bijeenkomst van de Society for Neuroscience ging om hun voorlopige muisgegevens te delen, ontdekten ze dat wetenschappers van de University of California, Berkeley, verbluffend vergelijkbare resultaten hadden gevonden in sociaal interagerende vleermuizen. De muis- en vleermuisstudies zijn beide in 2019 gepubliceerd in Cell.

“We waren verbaasd en bemoedigd”, zei Dr. Hong. “Dit was al jaren niet meer gedaan, en nu deed iemand anders het bij een andere soort.”

Muizen manipuleren

De Noordwest-onderzoekers die de nieuwe studie in Nature Neuroscience uitvoerden, waren bekend met deze mens- en dierexperimenten op interbrain synchrony. “Het leek interessant en een beetje vreemd,” zei Dr. Kozorovitskiy. Ze dacht dat het fenomeen verder onderzocht kon worden met een nieuw hulpmiddel dat ze hadden ontwikkeld om de hersenen – en activiteiten – van dieren te manipuleren.

Hun hulpmiddel omvat optogenetica, een techniek die gebruik maakt van een klein LED-lampje, geïmplanteerd in de hersenen van een dier, om afzonderlijke groepen neuronen te activeren. (Een gen dat codeert voor een lichtgevoelig eiwit dat is afgeleid van algen, wordt eerst in de betreffende neuronen ingebracht om ze responsief te maken.)

Maar het bestuderen van sociaal gedrag met optogenetica was in het verleden moeilijk geweest omdat de lichtbron meestal via glasvezelkabels aan het hoofd van het dier was bevestigd, wat het normale gedrag van het dier verstoorde. Dus John Rogers, een biomedisch ingenieur bij Northwestern die gespecialiseerd is in bio-elektronica , ontwikkelde kleine draadloze apparaten die, eenmaal geïmplanteerd, op afstand kunnen worden bestuurd door een computer in de buurt.

“Omdat alles is geïmplanteerd, kunnen muizen zich natuurlijk gedragen en kunnen ze op een natuurlijke manier met elkaar omgaan”, zei Dr. Rogers. “Je hebt geen kabels die in de knoop raken en er is geen op het hoofd gemonteerde uitrusting” waar de muizen aan kunnen knagen.

De tool stelde onderzoekers ook in staat om meerdere apparaten – en meerdere dieren – tegelijkertijd onafhankelijk te besturen. Dr. Rogers en Dr. Kozorovitskiy gingen op zoek naar een manier om het te testen. Dr. Kozorovitskiy had de Cell-studie gezien die aantoonde dat muizen die interactie hebben, synchronie produceren in de mediale prefrontale cortex. Misschien, dacht ze, zou het optogenetische apparaat de omgekeerde relatie kunnen testen: als de hersenen van twee dieren gesynchroniseerd waren, zouden de dieren dan socialer worden?

Het antwoord, zoals meneer Wu dat afgelopen voorjaar ontdekte, was ja. De resultaten kunnen suggereren dat hersensynchronisatie een oorzakelijke aanjager is van sociaal gedrag – en meer is dan alleen een bijproduct van hersenen die soortgelijke activiteiten uitvoeren of soortgelijke gedachten denken in een gedeelde omgeving.

Maar er zijn nog veel meer experimenten nodig voordat wetenschappers met vertrouwen tot die conclusie kunnen komen. Bijna alle gegevens bij mensen zijn ook dubbelzinnig: neurale synchronie lijkt nauw verbonden te zijn met gedrag, maar dat betekent niet dat dit de oorzaak is. Die onzekerheid heeft ertoe geleid dat veel onderzoekers zich afvragen of synchronie er echt toe doet.

“Er is een overweldigende hoeveelheid bewijs dat we ons gedrag en onze fysiologische ritmes spontaan synchroniseren, en als we dat doen, werken we meer samen en gaan we elkaar beter vinden”, zegt Ivana Konvalinka, een cognitief wetenschapper aan de Technische Universiteit van Denemarken. -menselijke neurowetenschap. Maar, zei ze, “ondanks dat ik op dit gebied werk, ben ik er nog steeds niet helemaal van overtuigd dat het feit dat onze hersenen synchroon lopen enige functionele betekenis heeft.”

En toch, als hersen-tot-hersensynchronisatie een echte aanjager van sociale interactie blijkt te zijn, zou het een aantal zinvolle toepassingen kunnen hebben voor mensen die bijvoorbeeld worstelen met sociale angststoornissen. Verschillende niet-invasieve technieken, zoals transcraniële magnetische stimulatie, kunnen de hersenactiviteit van mensen stimuleren en worden getest als behandelingen voor een reeks psychiatrische stoornissen.

“Ik wil er niet te prescriptief of fantastisch over zijn, maar het menselijke socialiteitsspectrum is erg breed, en er is waarschijnlijk een subgroep van mensen die het niet erg zou vinden als het mogelijk was om hun niveau van socialiteit te beïnvloeden,” zegt Dr. zei Kozorovitskiy, erop wijzend dat velen van ons dit al elke keer doen als we vrienden ontmoeten in een bar.

Toch zei ze: “we kunnen niet eens beginnen na te denken over dat soort experimenten in klinische context totdat we veel meer begrijpen over wat er gebeurt.”