Perspectieven op Neuroscience

Zoals gewoonlijk zijn de belangrijkste oorzaak voor vooruitgang in de natuurwetenschappen methodologische ontwikkelingen. Natuurlijk volgen conceptuele ontwikkelingen en lopen ze parallel, maar ik denk dat de enorme expansie van het veld van de neurowetenschappen werd veroorzaakt door een aantal methodologische doorbraken op het laagste niveau. Dit waren de vooruitgang op het gebied van moleculaire biologie en genetische engineering, die modelsystemen leverden voor het bestuderen van de ontwikkeling en het bestuderen van bepaalde ziekten.

Deze technieken leverden ook uiterst waardevolle hulpmiddelen op voor de biochemische en moleculaire identificatie van neuronen. We leerden over een graad van diversificatie van morfologisch ogenschijnlijk identieke neuronen die zijn uitgerust met verschillende moleculaire machineries. Dit alles hebben we te danken aan de ontwikkeling van de moleculaire biologie.

Een tweede belangrijke factor die ik denk was de ontwikkeling van niet-invasieve beeldvormingstechnologieën. Omdat dit ons in staat stelde om een groot aantal concepten over te dragen die zijn ontwikkeld in dierexperimenten naar onderzoek bij mensen. Dit is de functionele magnetische resonantie beeldvorming posititronen emissie tomografie.

Ook de introductie van de magneto encephalografie, die een veel betere ruimtelijke resolutie mogelijk maakte voor de analyse van elektrische activiteit in de hersenen, leidde tot een substantiële uitbreiding op het gebied. Toen dacht ik dat een niet onbelangrijke factor de beschikbaarheid was, de toenemende beschikbaarheid van enorme rekenkracht, want toen neurobiologie multi-site opnametechnieken ging toepassen, die ik essentieel acht voor de analyse van eigenschappen van neuronnetwerken, werden de gegevens steeds complexer en werd het steeds onmogelijk om de gegevens alleen te evalueren door ernaar te kijken, zoals in de klassieke tijden toen ik op het gebied begon, waren er nog geen computers. We moesten cross-correlatie-analyses uitvoeren door lange stroken papier uit te knippen en ze over de vloer te bewegen.

Dus de beschikbaarheid van rekenkracht heeft de systeemfysiologie sterk gevorderd. Ik denk dat het een grote invloed had op deze ontwikkelingen. En dan ten slotte, de beschikbaarheid van deze computerfaciliteiten stelde ons ook in staat om eigenschappen van neuronale netwerken op een theoretisch niveau te behandelen.

De dynamiek die neuronale netwerken vertonen is zo complex dat alleen modelleringsstudies en theoretische benaderingen ons in staat stellen om opgeleide hypothesen te formuleren. Ook voor het zoeken naar neuronale codes kunnen we niet verdergaan zonder deze zoektools. Dus ik denk dat al deze methodologische ontwikkelingen verantwoordelijk waren voor de grote expansie van de neurowetenschappen, die ik denk dat ongekend is in elke wetenschappelijke discipline.

Wat mijn eigen onderzoek betreft, zijn er twee delen in mijn biografie. Aanvankelijk bestudeerde ik ontwikkelingsprocessen in de hersenen. Ik was vooral geïnteresseerd in ontwikkelingsprocessen die postnataal door ervaring worden gevormd.

En de grondgedachte achter deze benadering was dat ik vond dat de organisatie van de volwassen hersenen zo complex is dat we beter de ontwikkelingsprincipes kunnen bestuderen en proberen er een betekenis aan te geven en te extrapoleren wat deze ontwikkelingsprocessen uiteindelijk zullen leiden tot. Maar toen veranderde een toevallige ontdekking die eigenlijk in dit laboratorium gebeurde waar we nu zitten mijn leven omdat ik onbedoeld ontdekte dat neuronen in de primaire visuele cortex van kittens die wakker waren en eigenlijk op de tafel achter me zaten te kijken naar een ronddrijvende raster, werden getraind in een zeer synchrone oscillerende activiteit die ik noch kon toeschrijven aan degradatie van de stimulus noch aan de belangrijkste schakelaar in Duitsland, 50 cycli, omdat het een oscillatie was in het 40 hertz-bereik. En dus zag ik voor het eerst dat ruimtelijk verdeelde neuronen hun activiteit met zeer hoge precisie in het millisecondenbereik over vrij grote afstanden konden coördineren.

En dit bracht het idee op dat misschien tijd wordt gebruikt als een coderingsruimte voor de coördinatie van verdeelde neuronale reacties. En ik vond deze optie zo interessant dat ik besloot het zo geliefde veld van de ontwikkelingsneurobiologie te verwaarlozen en de meeste van onze inspanningen te investeren in de verdere analyse van dit fenomeen. En dit is nu bijna 15 jaar geleden of meer.

En sindsdien hebben we het grootste deel van onze tijd besteed aan multi-site opnamen en het zoeken naar ruimte-tijdelijke patenten in verdeelde neurale netwerken omdat het onze vaste overtuiging is dat informatie niet alleen wordt gecodeerd in de ontladingssnelheid van neuronen zoals klassiek wordt aangenomen en bevestigd, maar dat aanvullende informatie wordt gecodeerd in de nauwkeurige tijdelijke relaties tussen de individuele ontladingen van neuronen, waarbij nulfase-meren correlaties. Dus nauwkeurige samenvalling is waarschijnlijk slechts het topje van de ijsberg. Maar een belangrijk topje omdat synchrone activiteit bijzonder interessant is in neuronale netwerken omdat het gemakkelijk propageert, synchroniserende reacties zijn een middel om de salience van neuronale reacties met grote temporale positie te verhogen.

Het kan worden gedaan op een spike-by-spike basis. En de aanvankelijke hypothese was dat deze synchronisatie wordt gebruikt in perifere stadia van sensorische verwerking om relaties te leggen tussen kenmerken die worden verwerkt door ruimtelijk verdeelde neuronen. Sindsdien zijn veel meer laboratoria betrokken bij het zoeken naar synchronisatie-verschijnselen.

Het begon ik denk ik in Europa met collega's zoals RI die EEG-technieken toepasten om synchrone oscillerende activiteit in de hersenen te beoordelen en deze activiteiten te relateren aan cognitieve functies. En sindsdien is de rol van oscillaties en synchronie op een zeer controversiële manier besproken. Aanvankelijke twijfels dat dit fenomeen zou kunnen bestaan, zijn nu allemaal tegengesproken ik denk, en we zijn nu allemaal bezig met het zoeken naar functionele gevolgen.

En er is een hele waaier van hypothesen over wat dat zou kunnen betekenen. Weerspiegelt de accumulatie van deze enorme hoeveelheid gegevens waarmee we tegenwoordig worden geconfronteerd en waar we zeer grote moeite mee