Steuncellen in de hersenen helpen mogelijk bij het herkennen van veranderende situaties
Je hersenen bestaan niet alleen uit neuronen. Er zit ook een heel ander soort cel tussen: de astrocyt. Deze steuncel werd lange tijd gezien als een soort huishoudelijke hulp voor neuronen, die vooral zorgt voor voeding en opruimwerk. Maar wat als astrocyten ook actief meedenken bij het leren van nieuwe situaties?
Een team van onderzoekers bouwde een computermodel om deze vraag te onderzoeken. Ze maakten een kunstmatig netwerk dat neuronen combineert met astrocyten, opgebouwd naar het voorbeeld van hoe deze cellen in echte hersenen zijn georganiseerd. Dit model moest een lastige taak leren: een omgeving waarin de regels steeds veranderen, zonder dat je vooraf weet wanneer dat gebeurt. Je kunt dat vergelijken met een spelletje waarbij de winnende strategie steeds verschuift, en jij dat alleen kunt merken doordat je beloningen anders binnenkomen dan verwacht.
Bewijs stapelen tot de knop omgaat
De onderzoekers ontdekten dat de astrocyten in hun model een cruciale rol spelen bij het opmerken van zo'n regelverandering. Ze doen dit niet in één keer, maar bouwen langzaam bewijs op. Zolang er twijfel is over de situatie, blijft het systeem in de oude modus. Pas als er genoeg aanwijzingen zijn dat de regels echt zijn veranderd, schakelt het netwerk over naar een nieuwe manier van reageren.
Dit gebeurt via twee mechanismen die de onderzoekers precies konden aanwijzen. Ten eerste zorgen beloningen voor kleine verschuivingen in de "stabiele toestand" van het netwerk, waarbij het systeem als het ware naar een andere hoek van zijn mogelijke gedragspatronen wordt geduwd, afhankelijk van de situatie. Ten tweede zijn deze stabiele toestanden niet even diep of vast: hoe onvoorspelbaarder de omgeving is, hoe minder het systeem aan zijn huidige gedrag vasthoudt. Dat verklaart waarom het netwerk soms een tijdje bij oud gedrag blijft hangen, ook als de situatie al is veranderd, wat de onderzoekers "gedragsmatige plakkerigheid" noemen.
Samen vormen deze twee mechanismen wat de onderzoekers een "hybride automaat" noemen: een systeem dat onzekerheid opstapelt tot een omslagpunt, waarna het gedrag van de neuronen abrupt verandert. Astrocyten fungeren hierbij als een soort geheugen dat bewijs verzamelt over de tijd, terwijl neuronen razendsnel reageren op het hier en nu.
Wat betekent dit (nog) niet: Dit is een computermodel, geen meting in een levend brein. Het onderzoeksteam laat zien dat astrocyten in theorie deze rol kunnen vervullen, gebaseerd op wat we al weten over hun biologie. Het bewijst niet dat astrocyten in echte hersenen dit exacte mechanisme ook daadwerkelijk gebruiken. Verder onderzoek in dierlijke of menselijke hersencellen is nodig om te bevestigen of deze theorie klopt.
Toch is dit een interessante stap. Jarenlang lag de focus in hersenonderzoek vooral op neuronen, die elektrische signalen razendsnel doorgeven. Astrocyten werken op een tragere tijdschaal en zouden daardoor uitstekend geschikt kunnen zijn om trends over langere tijd bij te houden, zoals "verandert de situatie structureel, of is dit toeval?". Dit model geeft een concreet, wiskundig idee over hoe die samenwerking tussen snelle neuronen en langzamere astrocyten eruit zou kunnen zien.
Bron: A neural-astrocyte architecture implements a hybrid automaton for evidence accumulation