Hoe de hersenen de subjectieve ervaring van tijd creëren
Iedereen heeft wel eens het gevoel gehad dat de tijd inderdaad 'vliegt' als we plezier hebben. Waarom voelt het anders aan, afhankelijk van wat we ermee doen? Nieuw onderzoek onderzoekt de neurologische mechanismen die de subjectieve ervaring van tijd vormen.
Ruimte en tijd zijn nauw met elkaar verbonden - niet alleen in de natuurkunde, maar ook in de hersenen.
Deze intieme verbinding wordt duidelijker als we kijken naar hoe onze hersenen episodische herinneringen vormen.
Episodische herinneringen zijn autobiografische herinneringen, dat wil zeggen herinneringen aan specifieke gebeurtenissen die iemand op een bepaald punt in tijd (en ruimte) is overkomen.
De herinnering aan die eerste kus, of aan het glas wijn dat je vorige week met je vriend deelde, zijn beide voorbeelden van episodische herinneringen. Semantische herinneringen daarentegen verwijzen naar algemene informatie en feiten die onze hersenen kunnen opslaan.
Episodische herinneringen hebben een uitgesproken "waar" en "wanneer" -component, en neurowetenschappelijk onderzoek toont aan dat het hersengebied dat ruimtelijke informatie verwerkt dicht bij het gebied ligt dat verantwoordelijk is voor de ervaring van tijd.
Concreet onthult een nieuwe studie het netwerk van hersencellen die coderen voor de subjectieve ervaring van tijd, en deze neuronen bevinden zich in een hersengebied dat grenst aan dat waarin andere neuronen de ruimte coderen.
De nieuwe studie werd uitgevoerd door onderzoekers van het Kavli Institute for Systems Neuroscience in Trondheim, Noorwegen. Albert Tsao is de hoofdauteur van het artikel, dat nu in het tijdschrift wordt gepubliceerd Natuur.
Neuronen die veranderen met tijd
Meer dan een decennium geleden ontdekten twee van de onderzoekers die aan de recente studie werkten - May-Britt Moser en Edvard Moser - een netwerk van neuronen, rastercellen genaamd, die verantwoordelijk waren voor het coderen van de ruimte.
Dit gebied wordt de mediale entorinale cortex genoemd. In de nieuwe studie hoopten Tsao en collega's dat ze een vergelijkbaar netwerk van hersencellen zouden vinden dat tijd codeert.
Dus gingen ze op zoek naar de neuronen in een hersengebied dat grenst aan de mediale entorinale cortex (waarin rastercellen werden ontdekt). Dit gebied wordt de laterale entorinale cortex (LEC) genoemd.
Aanvankelijk waren de onderzoekers op zoek naar een patroon, maar hadden ze moeite om er een te vinden. "Het signaal veranderde voortdurend", zegt co-auteur Edvard Moser, een professor aan de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie, ook in Trondheim, Noorwegen.
Dus de onderzoekers veronderstelden dat het signaal misschien niet alleen in de loop van de tijd veranderde, maar dat het veranderde met tijd.
"Tijd [...] is altijd uniek en veranderlijk", zegt prof. Moser. “Als dit netwerk inderdaad voor tijd codeerde, zou het signaal moeten veranderen met tijd om ervaringen vast te leggen als unieke herinneringen. "
Dus gingen de onderzoekers op zoek naar de activiteit van honderden LEC-neuronen in de hersenen van knaagdieren.
Ervaring heeft invloed op LEC-tijdcoderingssignalen
Om dit te doen, registreerden Tsao en collega's urenlang de neurale activiteit van ratten, gedurende welke tijd de knaagdieren werden onderworpen aan een reeks experimenten.
In één experiment renden de ratten rond in een doos waarvan de wanden van kleur veranderden. Dit werd 12 keer herhaald, zodat de dieren tijdens het experiment "meerdere temporele contexten" konden definiëren.
Het team onderzocht de neuronale activiteit in de LEC, waarbij onderscheid werd gemaakt tussen de hersenactiviteit die veranderingen in de muurkleur registreerde en die welke het verloop van de tijd registreerde.
"[Neuronale] activiteit in de LEC definieerde duidelijk een unieke tijdelijke context voor elk tijdperk van ervaring op de tijdschaal van minuten", schrijven de auteurs.
De resultaten van het experiment "wijzen naar de LEC als een mogelijke bron van tijdelijke contextinformatie die nodig is voor episodische geheugenvorming in de hippocampus", voegen de onderzoekers toe.
In een ander experiment waren de ratten vrij om door open ruimtes te dwalen en te kiezen welke acties ze moesten ondernemen en welke ruimtes ze moesten verkennen om stukjes chocolade te zoeken. Dit scenario werd vier keer herhaald.
Medeauteur van de studie Jørgen Sugar vat de bevindingen samen met de woorden: "Het unieke karakter van het [neuronale] tijdsignaal tijdens dit experiment suggereert dat de rat een zeer goede tijd- en tijdelijke opeenvolging van gebeurtenissen had gedurende de 2 uur dat het experiment duurde."
"We konden het signaal van het tijdcoderingsnetwerk gebruiken om precies bij te houden wanneer in het experiment verschillende gebeurtenissen hadden plaatsgevonden."
Jørgen Sugar
Ten slotte verplichtte een derde experiment de knaagdieren om een meer gestructureerd pad te volgen, met beperktere opties en minder ervaringen. In dit scenario moesten de ratten naar links of naar rechts draaien in een doolhof, terwijl ze op zoek waren naar chocolade.
"Met deze activiteit zagen we het tijdcoderende signaal van karakter veranderen van unieke sequenties in de tijd naar een zich herhalend en gedeeltelijk overlappend patroon", legt Tsao uit.
"Aan de andere kant", vervolgt hij, "werd het tijdsignaal preciezer en voorspelbaarder tijdens de repetitieve taak."
"De gegevens suggereren dat de rat een verfijnd begrip had van de tijdelijkheid tijdens elke ronde, maar een slecht begrip van de tijd van ronde tot ronde en van het begin tot het einde tijdens het experiment."
Hoe LEC-neuronen ervaring coderen
Volgens de auteurs van de studie: "Wanneer de ervaringen van dieren werden beperkt door gedragstaken om gelijk te worden bij herhaalde proeven, werd de codering van de temporele stroom door de proeven verminderd, terwijl de codering van tijd ten opzichte van het begin van proeven werd verbeterd."
Zoals Tsao en zijn collega's concluderen: "De bevindingen suggereren dat populaties van [LEC] neuronen de tijd inherent vertegenwoordigen door de codering van ervaring."
Met andere woorden, zeggen de onderzoekers, de LEC "neurale klok" werkt door ervaring te organiseren in een precieze opeenvolging van verschillende gebeurtenissen.
“Onze studie laat zien hoe het brein tijd begrijpt als een gebeurtenis wordt ervaren […] Het netwerk codeert niet expliciet tijd. Wat we meten is eerder een subjectieve tijd afgeleid van de voortdurende stroom van ervaringen. "
Albert Tsao
Volgens de wetenschappers suggereren de bevindingen dat door het veranderen van de activiteiten en de ervaring, men het tijdsignaal van LEC-neuronen kan veranderen. Dit verandert op zijn beurt hoe we tijd zien.
Ten slotte suggereren de resultaten dat episodische herinneringen worden gevormd door ruimtelijke informatie van de mediale entorinale cortex te integreren met informatie van de LEC in de hippocampus.
Hierdoor kan "de hippocampus een uniforme weergave opslaan van wat, waar en wanneer".
