Cyriel Pennartz is professor en hoofd van de afdeling Cognitive and Systems Neuroscience (CSN) aan de Universiteit van Amsterdam, Swammerdam Institute for Life Sciences. Daarnaast heeft Cyriel een coördinerende rol in het Human Brain Project, een groot project gefinancierd door de EU naar vernieuwend onderzoek, ondersteunende methoden en technologie voor de neurowetenschappen.

Achtergrond                                      

Cyriel is neurowetenschapper en gepromoveerd aan de Universiteit van Amsterdam. Hij leidt de CSN onderzoeksgroep, waarbij het voornaamste doel is om hersensystemen die betrokken zijn bij geheugen, waarneming en bewustzijn beter te begrijpen. Om dit te onderzoeken worden verschillende onderzoeksmethoden gecombineerd om het gedrag van neuronen tijdens leer- processen en perceptie in kaart te kunnen brengen.

Kun je iets vertellen over de hersensystemen waar de CSN onderzoeksgroep onderzoek naar doet?

Onze groep doet vooral onderzoek naar hoe neurale netwerken functioneren voor slaap en geheugen, perceptie en bewustzijn. Voor slaap en geheugen doen wij voornamelijk onderzoek naar de temporale kwab en een hierin gelegen structuur, de hippocampus. Tijdens slaap kunnen wij dan actieve geheugensporen volgen met elektrofysiologie. Wat wij zien is dat de cellen tijdens het slapen steeds opnieuw patronen afspelen, ook wel replay genoemd. Dit zien wij dan aan een ‘burst’ van een grote groep cellen die steeds opnieuw activeren, maar dan 20 keer zo snel als in wakkere staat. Dit proces speelt een rol bij consolidatie, een belangrijk proces voor geheugen waarbij informatie dat vaak genoeg herhaald wordt, sterker wordt opgeslagen.

Bij waarneming en bewustzijn kijken wij voornamelijk naar de sensorische cortex en hippocampus. Hierbij zijn voornamelijk de interacties tussen modaliteiten belangrijk. Bijvoorbeeld: wanneer je een geluid hoort kun je dit misschien nog niet goed plaatsen, maar wanneer je er ook een beeld bij hebt dan meestal wel. De samenwerking tussen deze modaliteiten, maar ook de afzonderlijke bijdrage van modaliteiten onderzoeken wij. In hoeverre is waarneming afhankelijk van beeld, en in hoeverre van geluid, en hoe beïnvloeden ze elkaar? En kunnen modaliteiten functies van elkaar overnemen? Dit zijn belangrijke vragen waar onze onderzoeksgroep zich op richt.

Wat gebeurt er als deze systemen niet goed functioneren?

Als de hippocampus beschadigd raakt, dan valt je verhalende (episodische) geheugen uit. Dat betekent dat je nog wel je gewoontes hebt, dus motorische functies en reageren op eenvoudige prikkels (bijvoorbeeld reflexen) lukken dan nog wel, maar je bent niet meer in staat om te vertellen wat je hebt meegemaakt.
Van slaap weten we dat te weinig slaap (slaapdeprivatie) leidt tot geheugen defecten. Dat zien wij bijvoorbeeld ook bij onderzoek waarbij de replay wordt gestopt tijdens slaap; er vindt dan zwakkere consolidatie plaats, waardoor informatie eerder verloren gaat.
Het verlies van, of schade aan visuele systemen (bijvoorbeeld de occipitaalkwab) zorgt voor blindheid. Wat dan interessant is voor bewustzijn is dat bepaald visueel gedrag wel kan ontstaan; visueel gedrag zonder zicht als het ware. Dit wijst ook weer op interactie tussen verschillende modaliteiten. We weten nog niet precies hoe dit werkt, maar kunnen hier wel veel van leren door het uitschakelen van specifieke sensorische banen, bijvoorbeeld in diermodellen. Onderzoek naar deze interactie tussen modaliteiten met mensen laat zien dat deze interactie anders is voor mensen met autisme. Een ander voorbeeld waarbij deze interactie juist sterker is, is bij synesthesie. Bij synesthesie zien mensen ook kleuren bij letters bijvoorbeeld. Verschillende sensorische input wordt dan gesynthetiseerd tot iets dat ‘normaal’ niet het geval is. Een ander voorbeeld waarbij de multi-sensorische uitwisseling versterkt is, zien wij bijvoorbeeld bij hersenactiviteit en LSD gebruik, waar sensorische input ‘erbij’ wordt gehallucineerd.

Waarom is onderzoek naar hersensystemen belangrijk?

Onderzoek naar het verwerken en opslaan van sensorische informatie is fundamenteel interessant, maar het is ook belangrijk voor verschillende patiëntengroepen. Het geheugen kan te zwak worden (bijvoorbeeld bij dementie) of te sterk (bijvoorbeeld bij posttraumatische stressstoornis of angststoornis). Daarnaast is hersenonderzoek binnen deze systemen ook belangrijk, bijvoorbeeld bij aangeboren blindheid. Hierin onderzoeken wij of een andere modaliteit bepaalde functies kan overnemen, bijvoorbeeld auditieve modaliteiten als vervanging voor gezichtsvermogen.  Daarnaast dient deze onderzoekslijn een belangrijke functie voor artificial intelligence (AI). Als wij de werking tussen hersengebieden beter begrijpen, dan kunnen wij hier AI modellen op baseren. Dit gebeurt bijvoorbeeld bij nieuwe projecten binnen het Human Brain Project. Bij beroertes en het uitvallen van functies onderzoeken wij dan of brain-machine interface prothesen bepaalde functies kunnen overnemen. Hiervoor worden neuromorphic devices gemaakt; dit zijn modellen op chips waarbij hersenprocessen worden nagebootst, bijvoorbeeld met neuronen, elektronische synapsen en actiepotentialen.

Kun je iets vertellen over belangrijke bevindingen uit je onderzoek?

Voor geheugen en slaap is een van onze belangrijke bevindingen dat de hippocampus dient als een startmotor in replay processen en consolidatie. Wat wij hebben gevonden is in welke volgorde deze processen plaatsvinden; het begint in de hippocampus en daarna volgen het striatum en andere structuren, bijvoorbeeld in de temporaalkwab. In het kader van perceptie vonden wij dat een visuele prikkel een vroege en late activiteit opwekt, welke allebei een belangrijke rol spelen bij het zien. De eerste golf van activiteit is dan belangrijk voor het detecteren van de sensorische input, en de tweede golf om te kunnen onderscheiden of de input auditief of visueel is.  Ook is gebleken dat het gehoorsysteem en visuele systeem elkaar sterk beïnvloeden – veel sterker dan vroeger werd vermoed.

Tot slot: Hoe ziet de toekomst van deze onderzoekslijn eruit?

Ik denk dat we in de 21e eeuw veel vooruitgang zullen boeken in het begrijpen van de relatie tussen hersenactiviteit en bewustzijn (perceptie, dromen en ook verbeelding). Verder zal veel onderzoek zich richten op AI en brain machine interfaces. In korte tijd zijn er veel belangrijke ontwikkelingen op dit gebied geweest. Maar, met al deze snelle ontwikkelingen gaan ook ethische vraagstukken gepaard. In hoeverre willen we het menselijk brein nabootsen? Dus, als wij meer weten van bewustzijn, moeten we dat dan ook nabootsen voor robots? Zullen zij dan ook pijn ervaren en andere menselijke processen overnemen? Is het wel verantwoord om robots te maken die pijn kunnen lijden?

Afbeelding verkregen via iStock