Hoe ons brein de weg weet

Wetenschappers ontdekken hoe de hersenen een betrouwbare kaart van de omgeving maken.

Plaatsneuronen verklaren hoe mensen de weg kunnen vinden in een stad die ze eerder hebben bezocht.
Plaatsneuronen verklaren hoe mensen de weg kunnen vinden in een stad die ze eerder hebben bezocht.

Waar zit het besef van waar je bent en waar je naartoe gaat? De hersenen van mens en dier beschikken over speciale neuronen die die informatie bijhouden. De ontdekkingen daarvan worden dit jaar beloond met de Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde. De helft van de 880.000 euro prijzengeld gaat naar de Amerikaans-Britse neurowetenschapper John O’Keefe, de andere helft naar het Noorse onderzoekersechtpaar May-Britt en Edvard Moser.

O’Keefe ontdekte in 1971 diep in de hersenen van ratten, in de hippocampus, zogeheten ‘plaatsneuronen’: zenuwcellen die specifiek actief worden als het dier in de buurt van één bepaalde plek komt. De Mosers borduurden daarop voort en ontdekten ruim dertig jaar later later in een aanpalend hersengebied (de entorinale schors) ‘rasterneuronen’. Die geven de hersenen onafhankelijk van de waarneming een soort coördinatenstelsel waarmee de plaats van objecten in de ruimte bepaald kan worden. Samen leveren deze systemen een cognitieve kaart van de omgeving op, een gps avant la lettre.

De weg terugvinden

„Hiermee is een enorm succesverhaal in de neurowetenschappen beloond”, zegt hersenwetenschapper Francesco Battaglia van het F.C. Donders Instituut van de Radboud Universiteit in Nijmegen, die de drie laureaten persoonlijk kent. „Veel neurofysiologisch werk wordt gedaan aan de verwerking van zintuiglijke informatie en de aansturing van beweging. Maar dat zijn relatief eenvoudige hersenprocessen. Het ontrafelen van het oriëntatievermogen in de hersenen raakt echter aan cognitie. Dat is het belangrijkste, maar tegelijkertijd het meest raadselachtige fenomeen van de menselijke hersenen.”

Die plaatsneuronen en rasterneuronen spelen een belangrijke rol in het navigatievermogen van ratten, waardoor ze bijvoorbeeld in een doolhof verstopt voedsel kunnen terugvinden. Dergelijke systemen blijken ook bij apen en mensen te bestaan. Die ontdekking werd onder meer bij epilepsiepatiënten gedaan die voorafgaand aan een operatie elektroden in hun hersenen kregen om de precieze bron van hun epileptische aanvallen te identificeren. Door hen bij wijze van experiment in een virtuele omgeving te laten 'rondwandelen’ bleek dat ook zij plaatscellen in hun hippocampus hadden, die specifiek vuurden als ze in de buurt van een bepaalde plaats kwamen. Ook voor het bestaan van rasterneuronen bij mensen bestaan aanwijzingen.

Deze fundamentele neurologische systemen verklaren hoe mensen de weg kunnen vinden in een huis, straat of stad die zij eerder hebben bezocht, of zich kunnen herinneren op welke plaats zij precies stonden bij een belangrijke gebeurtenis. De plaatsneuronen leren binnen luttele seconden vaste punten in een omgeving herkennen. Tijdens de slaap worden deze ervaringen door de hippocampus opnieuw afgespeeld, in precies dezelfde volgorde als in de ervaring van daarvoor. „De hippocampus treedt zo op als een leraar voor hersengebieden in de hersenschors die de informatie vastleggen”, vertelt Battaglia, die zelf onderzoek doet op dit terrein. „Het heeft alles te maken met hoe wij kunnen leren en dingen kunnen onthouden.”

En met hoe dat verstoord kan raken, voegt hij toe: „Interessant is dat juist de hippocampus en de entorinale schors hersengebieden zijn die aangetast raken bij alzheimer. Wellicht kunnen we hier aanwijzingen vinden hoe de ziekte ontstaat en hoe we daarin iets kunnen verbeteren.”

Het vierde echtpaar

Hoewel Battaglia de Nobelprijs voor O’Keefe en de Mosers „dik verdiend” vindt, wijst hij erop dat niet te snel voorbij moet worden gegaan aan het werk van anderen. De Canadese neurobioloog Bruce McNaughton stond bijvoorbeeld aan de wieg van de techniek waarmee in diep gelegen hersengebieden honderden neuronen tegelijk gemeten konden worden. Dat was cruciaal voor de ontdekking van de rastercellen door de Mosers, die deze techniek tijdens hun sabbatical in het lab van McNaughton leerden gebruiken.

Het is nu de vierde keer in de geschiedenis dat een onderzoekersechtpaar met de Nobelprijs wordt beloond. Eerder waren dat Pierre en Marie Curie (Natuurkunde, 1903, voor hun onderzoek naar radioactieve straling), Frédéric Joliot en Irène Joliot-Curie (Scheikunde, 1935, voor de synthese van nieuwe radioactieve elementen) en Carl en Gerty Cori (Geneeskunde, 1947, voor de ontdekking hoe glycogeen wordt afgebroken). Opvallend is dat ook deze echtparen net als de Mosers hun Nobelprijs deelden met een derde laureaat en dat de koppels samen de helft van de prijs kregen.