Volwassen ratten leren infrarood licht waar te nemen dankzij een breinprothese.
Dit artikel is gepubliceerd in NRC Handelsblad van vrijdag 15 februari 2013
Duisternis is slechts een toevallige afwijking van ons gemankeerde lichaam. Duisternis is alleen maar duister omdat onze ogen ongevoelig zijn voor infrarood licht, licht met een iets langere golflengte dan het rode licht dat we wel kunnen zien. Als onze ogen ook gevoelig waren voor infrarood licht, dan zouden we de wereld ’s nachts waarnemen alsof we door een infraroodcamera keken. In een pikdonker bos zou een mens opeens oplichten alsof hij met fluorescerende markeerstiften was beschilderd. Het zou voelen alsof we opeens een zesde zintuig hadden. Precies dat overkomt nu de rat.
Zoals alle zoogdieren, kunnen ook ratten van nature geen infrarood licht waarnemen. Maar in het online tijdschrift Nature Communications van 12 februari 2013 laten professor Miguel Nicolelis en twee collega’s van de Duke University (VS) zien dat ratten dankzij een breinprothese binnen een maand infrarood licht leren waar te nemen.
De onderzoekers trainden zes ratten voor een eenvoudige visuele taak. Ze plaatsten de ratten in een ronde kamer met drie poortjes, die een eindje uit elkaar langs de wand staan. Boven elk poortje zit een LED-lampje. Bij elke proef springt een willekeurig lampje aan. Wanneer de rat zijn neus in het poortje duwt, wordt hij beloond met een slokje water. Binnen een maand leren de ratten om hun neus in het bijbehorende poortje te duwen, telkens wanneer een lampje aan gaat.
Na een maand kregen de ratten een breinimplantaat. In het hersengebiedje dat de tastsignalen van de snorharen verwerkt, werden micro-elektroden ingebracht die verbonden waren met een infrarooddetector op het voorhoofd de rat. Wanneer de rat zijn hoofd richt op een infrarood lampje, dan zet de detector het infraroodlicht om in een elektrisch signaal waarmee de micro-elektroden het ‘tastgebiedje’ in het rattenbrein elektrisch stimuleren. De infrarooddetector is zo ingesteld dat de frequentie van het elektrische signaal toeneemt wanneer de rat dichter bij de infraroodbron komt.
Vervolgens vervingen de onderzoekers de drie LED-lampjes door drie infraroodlampjes en herhaalden het experiment. In eerste instantie duwden de ratten hun neus in een willekeurig poortje, welke infrarood lampje er ook aan ging. Ze gedroegen zich alsof ze het nieuwe breinsignaal nog steeds interpreteerden als een tastsignaal afkomstig van de snorharen. En snorharen merken niets van infrarood. Geleidelijk leerden de ratten echter het nieuwe breinsignaal te associëren met het infrarode licht. Ze gingen hun hoofd zo bewegen alsof ze actief zochten naar het infrarode lampje. Na een maand hadden alle ratten geleerd om hun snuit in het poortje van het actieve infraroodlampje te duwen.
Toen Nicolelis en zijn collega’s maten op welke signalen enkele duizenden hersencellen in het tastgebiedje reageerden, ontdekten ze dat de hersencellen nu niet alleen op het infrarode licht reageerden, maar nog steeds ook op tastsignalen van de snorharen. Het tastgebiedje was nu een ‘tast-plus-infrarood’gebiedje geworden; een soort gedwongen synesthesie. Zo flexibel blijkt een brein dus te zijn.
Tot nu toe concentreerde het onderzoek naar breinprotheses zich op het kunstmatig herstellen van een kapotte functie. Zo kon een volledig verlamde vrouw vorig jaar, dankzij een implantaat in het bewegingsgebiedje van haar brein, een robotarm aansturen, een drinkbeker vastpakken en voor het eerst sinds haar verlamming weer zelfstandig drinken. Nicolelis is al meer dan een decennium een pionier op dat terrein. De infraroodprothese voor ratten is het eerste voorbeeld van een breinprothese die een nieuwe functie aan het lichaam toevoegt.
Maar waarom zou het moeten blijven bij infrarooddetectie? “Wij zouden brein-machine-interfaces kunnen maken die voor willekeurig welke fysische energie gevoelig zijn”, zegt Nicolelis in een persbericht van de Duke University. “Het zou ook kunnen voor magneetvelden, radiogolven of ultrageluid.” Voor een hypersensitief cyberbrein zou het hele elektromagnetische- en geluidsspectrum een open boek worden.
Internet
Het Lab van Miguel Nicolelis: www.nicolelislab.net
Video’s van het experiment: www.nature.com/ncomms/index.html
