Wetenschappers snijden een raam in de hersenen van een muis en schijnen er vervolgens een laser op om hallucinaties te veroorzaken.
Dat is raar - maar de resultaten van de studie, die vandaag (18 juli) in het tijdschrift Science is gepubliceerd, waren nog vreemder. Het is opmerkelijk dat de onderzoekers ontdekten dat, terwijl muizen vele miljoenen neuronen of hersencellen hebben, het laserlicht slechts ongeveer 20 van hen hoefde aan te raken om de muis ertoe te verleiden een patroon op de muur te herkennen dat er niet echt was.
Deze resultaten inspireerden de onderzoekers om de zelden geuite vraag te stellen: waarom struikelen muizen (en mensen) niet constant?
"Een muizenbrein heeft miljoenen neuronen; een menselijk brein heeft vele miljarden", zei senior studie auteur Karl Deisseroth, een neurowetenschapper en psychiater aan de Stanford University, in een verklaring. "Als slechts twintig of zo een perceptie kunnen creëren, waarom hallucineren we dan niet altijd door valse willekeurige activiteit?"
Deze ongelooflijke mentale gevoeligheid suggereert dat zoogdierenhersenen misschien nog fijner afgestelde machines zijn dan eerder werd gedacht, voegde Deisseroth toe, in staat om te reageren op extreem lage aantallen hersencellen zonder te afgeleid te raken door willekeurig misplaatste neuronen. Hoewel in het huidige experiment alleen werd gekeken naar de herkenning van eenvoudige visuele patronen, is het mogelijk dat complexere mentale sensaties, zoals emoties of herinneringen, eveneens worden beheerst door een verrassend klein aantal hersencellen.
Struikelen op lasers
Hoe laat je een muis hallucineren zonder, bijvoorbeeld, psychedelische drugs te laten slippen? Voor dit experiment gebruikten de onderzoekers een techniek die optogenetica wordt genoemd - in wezen het inbrengen van lichtgevoelige genen in de hersenen van een dier die ervoor zorgen dat bepaalde neuronen vuren wanneer ze worden blootgesteld aan bepaalde golflengten van licht.
De techniek is in eerdere studies gebruikt om muizen in hongerige "zombies" te veranderen en ratten te helpen hun cocaïnegewoonten te schoppen. Hier werd het gebruikt om te leren hoe de hersenen van muizen reageren wanneer verschillende patronen van horizontale en verticale lijnen worden getoond - en om te zien of die neurale reacties puur opnieuw kunnen worden gecreëerd door kleine groepen neuronen te pulseren met gericht licht.
De onderzoekers bereikten deze taak door een letterlijk raam in de schedels van de muizen te snijden (compleet met transparante ruit en alles). Deze operatie heeft de visuele cortex blootgelegd - het hersengebied dat verantwoordelijk is voor het verwerken van visuele informatie bij zowel muizen als mensen. De wetenschappers plaatsten ook genen in de muizen om twee verschillende eiwitten te produceren, een die ervoor zorgde dat neuronen groen oplichtten wanneer ze werden geactiveerd en een andere die ervoor zorgde dat neuronen vuren wanneer ze werden blootgesteld aan een specifiek infrarood laserlicht.
Vervolgens toonden de onderzoekers de muizen een patroon van bewegende parallelle lijnen en trainden ze om een watertuit te likken wanneer de lijnen perfect verticaal of perfect horizontaal waren. Dankzij de groen oplichtende eiwitten zagen de wetenschappers precies welke neuronen afvuurden toen de muizen de verschillende lijnoriëntaties herkenden en erop reageerden. Hierdoor konden de onderzoekers een speciaal, 3D "hologram" van laserlicht ontwikkelen dat op precies de juiste plekken in de hersenen van de muis kon worden afgevuurd om alleen die neuronen te targeten die betrokken waren bij het herkennen van horizontale of verticale lijnen.
Nu, voor de "hallucinaties". Geleidelijk aan toonden de onderzoekers dat de muizen de projecties van de horizontale en verticale lijnen steeds zwakker maakten, terwijl ze met hun speciale laser de juiste neuronen in de hersenen van de muizen activeerden. Aan het einde van het experiment stopten de onderzoekers met het volledig tonen van de muizenlijnen - maar toen de laser de neuronen raakte die verantwoordelijk waren voor het zien van horizontale of verticale lijnen, reageerden de muizen nog steeds door de juiste watertuit te likken.
Was dit een echte hallucinatie? 'Zagen' de muizen de onzichtbare lijnen echt? Het is onmogelijk om zeker te weten, zei Deisseroth in een nieuwsartikel bij het onderzoek. Het afvuren van hersencellen en gedragsreacties van knaagdieren op het laserlicht zagen er echter precies zo uit als 'tijdens natuurlijke waarneming', zei Deisseroth. In feite zorgde het laserlicht ervoor dat de hersenen van de muizen reageerden op een specifieke visuele stimulus die er niet was.
Opmerkelijk genoeg, schreven de onderzoekers, waren ze in staat om deze specifieke neurale reacties in hun muizen te activeren door zich te richten op 10 tot 20 neuronen - een fractie van een procent van het miljoenenbedrag van de muizen.
'We weten niet hoeveel cellen er nodig zijn om een meer uitgebreide gedachte, zintuiglijke ervaring of emotie in een persoon op te wekken,' zei Deisseroth, 'maar het is waarschijnlijk een verrassend klein aantal, gezien wat we zien in de muis."
