Twee stellen hersenen zijn beter dan één
De koppen bij elkaar steken werkt letterlijk. Meerdere ratten of apen waarvan de hersenen aan elkaar worden gekoppeld, voeren taken beter uit dan één dier. De volgende stap is nagaan of een gezond brein verloren functies in een beschadigd brein weer aan de praat krijgt.
Een organische computer, zo noemen neurobioloog Miguel Nicolelis (Duke University) en zijn collega's hun enigszins griezelige uitvinding. Bij tests met ratten en apen hebben ze de hersenen van meerdere dieren aan elkaar gekoppeld om na te gaan of en hoe zo'n 'multibrein' of 'netwerk van hersenen' presteert. Meestal beter dan één stel hersenen, zo blijkt.
De dieren slagen erin hun hersenen 'in te stellen' op die van anderen en zo een arm op een computerscherm te bewegen of patronen te herkennen. Meestal doen de hersennetwerken het samen beter dan één individu, zo schrijft het team in het vakblad Scientific Reports. Nicolelis koppelde in 1999 al een rattenbrein aan een robotarm. In 2014 was hij de man achter de 29-jarige verlamde Juliano Pinto die de aftrap van de wereldbeker voetbal gaf met een door zijn hersenen aangestuurd exoskelet.
Ook is hersencommunicatie tussen twee mensen al aangetoond. In 2004 kwamen wetenschappers al met een videogame dat een duo zo speelt. Via een MRI-scan en aaneengeschakelde hersenactiviteit konden ze leren hoe ze samen een bal in een doel konden 'trappen'.
Maar nu heeft Nicolelis aangetoond dat direct met elkaar verbonden breinen samen taken kunnen uitvoeren en elkaars zwakke schakels daarbij verbeteren. "Spectaculair", zegt professor neurofysiologie Wim Vanduffel (KU Leuven). "Tien jaar geleden had ik dit niet mogelijk geacht. Nu wordt duidelijk dat meerdere hersenen effectief kunnen samenwerken en zo beter presteren."
Nicolelis en co. plantten bij vier ratten twee elektrodes in. Een ervan geeft een signaal in telkens hetzelfde deel van iedere hersenpan, de andere registreert activiteit in telkens een ander deel. Wanneer de ratten een elektrische impuls krijgen, registreert een computer hoe hun hersenen reageren. Wanneer ze gelijk en synchroon reageren, krijgen ze een beloning. Zo leren de dieren reageren als één brein.
Kennis doorgeven
In een experiment moesten ze synchroon reageren op één elektrische impuls en niet synchroon wanneer ze twee kortere impulsen kregen. Wanneer ze samenwerkten, hadden ze het in 87 procent van de pogingen goed, een stuk beter dan bij de individuele tests. Bovendien kunnen ze de kennis aan elkaar doorgeven. De wetenschappers leerden één rat de juiste reactie aan, en koppelden die aan twee andere ratten. Aanvankelijk reageerde enkel de eerste rat altijd juist, maar de tweede en derde pikten dat snel op.
Vanduffel: "In een geheugenexperiment leerden de wetenschappers een eerste rat het onderscheid te maken tussen twee prikkels. De hersenactiviteit van die eerste rat, noodzakelijk om het verschil tussen de impulsen 'te onthouden', werd als het ware doorgegeven aan de volgende ratten alsof het over één stel hersenen ging. De ratten wisselden dus onderling informatie uit over wat ze meemaakten en hoe ze best als één hersenteam reageerden om opnieuw een beloning te krijgen."
Bij telkens drie apen plantten de wetenschappers ook elektrodes in om de signalen van enkele honderden zenuwcellen op te pikken. De apen werden 'aangesloten' op elkaar en op een computer die een apenarm liet zien. De dieren moesten die bewegen om een bal te raken, enkel op basis van hun hersenactiviteit. De computer combineerde daarbij telkens de input van de meerdere breinen.
Op den duur werkten de apen, ook dankzij beloning, perfect samen. In een tweede test leerde één dier de verticale bewegingen, één de horizontale en een derde de bewegingen in 3D. Opnieuw bleek dat de dieren het samen meestal beter doen dan apart. En vooral: wanneer een van de drie slabakt, compenseren de anderen omdat hun hersenen gekoppeld zijn.
Beroerte
Dat schept mogelijkheden voor toepassing bij de mens, waarbij het gezonde stel hersenen het beschadigde deel bij iemand die bijvoorbeeld ten dele verlamd is terug aan de praat krijgt. Die piste is Nicolelis' volgende doel. Na een beroerte of hersenbeschadiging opnieuw leren bewegen is nu een lang en lastig proces. De pionier wil nu nagaan of gezonde hersenen een beroertepatiënt opnieuw kunnen leren de benen te bewegen.
"Ik raak er steeds meer van overtuigd dat dat in de verre toekomst zal lukken", zeg Vanduffel. Het belangrijkste probleem is dat een elektrode in de hersenen bepaald ingrijpend is. "Bij sommigen gebeurt dat al om bepaalde hersenfuncties te controleren. Maar het is wachten op methodes om de hersensignalen op te vangen die preciezer zijn dan de EEG (de electromagnetische meting van hersenactiviteit die nu al bij videogames wordt gebruikt, BDB) en minder invasief dan de elektrodes."