Jong brein ontwikkelt tijdens groei al pieken

Gekweekte netwerken van neuronen vertonen, na een korte periode van groei, regelmatig grote activiteit zonder dat ze extern worden geprikkeld. Deze `bursts' hebben alles met de groei te maken en nog weinig met leergedrag: voor geheugenwerking is het netwerk nog te jong. Voor het eerst is dit 
nu ook gesimuleerd in netwerken van 10.000 tot 50.000 neuronen. De simulaties geven inzicht in de rol die het groeiproces speelt bij de eerste activiteiten. Onderzoekers van het MIRA Instituut van de Universiteit Twente publiceerden er recent over in PLOS ONE. 

`Losse' neuronen, die nog geen onderlinge verbindingen hebben, gaan snel uitlopers, axonen en dendrieten, vormen waarmee ze zich verbinden met andere neuronen. Na een week begint het gevormde netwerk al actief te worden. Dat hebben de onderzoekers waargenomen in netwerken die gekweekt zijn met 
neuronen uit jonge rattenhersenen, in kweekbakjes met elektroden op de bodem die de elektrische activiteit registreren. Het netwerk groeit daarbij zoveel mogelijk in het platte vlak: als het ook `de hoogte in' (3D) zou groeien, is moeilijk vast te stellen wat je nu eigenlijk meet. Na een week 
is te zien dat neuronen actief worden, gaan `vuren', en dat die activiteit als een `burst' door het hele netwerk trekt. 

Spontaan 

Of deze bursts ook te maken hebben met de ontwikkeling van een langere-termijngeheugen, via zogenaamde synapsen die sterker worden, was de vraag. Deze geheugenwerking begint zich na drie weken te ontwikkelen. Voor het eerst is nu veel rekenkracht ingezet om grotere netwerken (10.000 tot 50.000 
neuronen) door te rekenen en blijkt dat de bursts ook ontstaan in de eerste weken van groei. De simulaties tonen een verband aan tussen de groei van het netwerk en de start van de bursts en komen goed overeen met de waarnemingen. De burst loopt als een `'wave'' door het netwerk, razendsnel. 
Net als in de experimenten werd het netwerk niet van buitenaf geprikkeld. Wel zijn er in de simulaties bepaalde typen neuronen die als `pacemaker' een proces op gang brengen, zoals in werkelijkheid ook gebeurt. 

Simulatie van de groei van 10000 neuronen tot een netwerk. In C zijn de axonen en dendrieten geaccentueerd die de verbindingen vormen. 

Binnen een tiende seconde trekt de burst van elektrische activiteit door het neurale netwerk. 

Totaalontladingen 

Een levensecht simulatiemodel dat tegelijk de groei en de activiteit berekent, geeft meer inzicht in de werking van een `brein' van beperkte omvang. Bursts zijn uitingen van gecoordineerde actie in netwerken en worden algemeen gezien als bouwstenen van onze hersenwerking; bij verstoring van de 
cooerdinatie tussen netwerken kunnen ze ontaarden in totaalontladingen zoals bij hersenafwijkingen als stroke, of epileptische aanvallen. Een van de boeiende onderzoeksvragen in de groep van prof Wim Rutten is ook of je de kunstmatig gekweekte breinen kunt koppelen aan bijvoorbeeld robots, 
omdat ze efficienter leren dan bestaande algoritmen. Dankzij goede simulaties is ook het aantal proeven, met levende neurale netwerken, terug te brengen.

© Nieuwsbank