Neurowetenschappers gebruiken wiskundige modellen om na te bootsen hoe de hersenen geuren verwerken.
Weten hoe de hersenen reageren op geuren kan helpen bij het bestrijden van ziektes
Door Natalie Sabin
11 mei 2022 C Je weet dat ingewikkelde vergelijkingen kunnen voorspellen welk verhaal er in je nieuwsfeed verschijnt of welke TikTok video je als volgende gaat bekijken. Maar je weet misschien niet dat wiskunde ons kan helpen begrijpen wat er in de hersenen gebeurt als we iets ruiken.
Onderzoekers van het Del Monte Institute for Neuroscience aan de Universiteit van Rochester bouwen complexe wiskundige modellen die precies dat doen C en als ze vooruitgang blijven boeken, kan hun werk helpen in de strijd tegen ziekten van het zenuwstelsel, zoals Alzheimers en Parkinsons.
Geur ontcijferen
Elk aroma waarmee je in contact komt, veroorzaakt reacties in je hersenen. Geloof het of niet, maar die reacties kunnen worden gecodeerd in getallen.
Een ruwe vergelijking is het zicht en de kleuren die we zien in videospelletjes en op computerschermen. Computerprogrammeurs hebben tientallen jaren gewerkt om de miljoenen kleuren die je in de echte wereld ziet, om te zetten in 1-en en 0-en die een machine kan begrijpen.
Langdurige gamers hebben dit zien gebeuren toen systemen zich ontwikkelden van 8-bit Nintendos en Ataris tot 64-bit PlayStations en Xboxen tot de nog complexere en gedetailleerdere visuele displays van vandaag. In elk stadium zorgde de groeiende bitgrootte voor meer precisie en meer detail.
Momentopname of Symfonie?
Om een wiskundig model voor geur te bouwen, heb je alleen toegang nodig tot extreem krachtige rekenkracht, kennis van het Hodgkin-Huxley model (de ruggengraat van veel vergelijkingen in de neurowetenschappen), een catalogus van de overvloed aan onderzoek naar geur, en om echt, echt slim te zijn.
Vergelijkingen fungeren als een wiskundige spotlight om delen van de hersenen te belichten die anders misschien niet duidelijk zijn, legt Krishnan Padmanabhan, PhD, uit, een universitair hoofddocent neurowetenschappen aan de Universiteit van Rochester en hoofdauteur van een nieuwe studie over het olfactorische systeem van de hersenen, of het reukzintuig.
Geur is een van die minder goed begrepen delen van de hersenen, zegt Padmanabhan.
In de laatste 30 jaar zijn er meerdere theorieën geweest over hoe geur wordt verwerkt, zegt hij. In één model worden reacties op geuren weergegeven als een momentopname. In andere modellen evolueren de patronen in de tijd, als een symfonie.
Padmanabhan en zijn team wilden begrijpen waarom er zoveel theorieën over geur bestaan in de wetenschappelijke literatuur en wilden meer inzicht krijgen in welke theorieën waar zijn.
Dus bouwden hij en zijn team een computersimulatie, met alleen vergelijkingen, die vergelijkbaar is met het systeem van de hersenen voor geur. Vervolgens veranderden zij de vergelijkingen om theorieën te testen over hoe de hersenen werken wanneer zij een geur aantreffen.
De bevindingen (voor nu)
De resultaten suggereren dat de manier waarop de hersenen geur verwerken afhangt van wat ze op dat moment moeten begrijpen.
Onze bevindingen onthullen dat deze verschillende modellen eigenlijk verschillende kanten van dezelfde medaille kunnen zijn, zegt Padmanabhan. In plaats van dat de hersenen een specifieke aanpak kiezen om geur te verwerken, kan het zijn dat de hersenen schakelen tussen verschillende strategieën om geuren in de omgeving te interpreteren.
Met andere woorden, de hersenen passen hun reactie aan op wat er in de wereld om ons heen gebeurt. Dat is goed, want het is de taak van de hersenen om het evenwicht in het lichaam te bewaren en ons in leven te houden in allerlei situaties, dus flexibiliteit helpt de hersenen om dienovereenkomstig te reageren. (De onderzoekers hebben geen specifieke geuren geprogrammeerd, maar dat kunnen ze in de toekomst wel doen, zegt Padmanabhan).
Het werk heeft ook implicaties voor de gezondheid. Veranderingen in de reukzin zijn in verband gebracht met hersenaandoeningen zoals Parkinson en de ziekte van Alzheimer. Mettertijd zou een beter begrip van deze veranderingen kunnen leiden tot betere opsporing en behandeling.
Maar vooralsnog is Padmanabhans model een klein maar belangrijk stukje in het ontcijferen van de grotere puzzel van hoe de hersenen werken.
Net zoals 8-bit graphics leidden tot 16-bit, en vervolgens tot de fotorealistische beeldschermen die we vandaag de dag zien, kan Padmanabhans model helpen de basis te leggen voor grotere en meer geavanceerde ontwikkelingen in de toekomst.
Dit onderzoek gaat over het gebruik van de taal van de wiskunde om de hersenen te bestuderen, zegt Padmanabhan, maar het is ook het gebruik van de dingen die we weten over de hersenen om betere manieren te vinden om vergelijkingen te schrijven en systemen te bouwen voor computergebruik op het gebied van neurowetenschappen.
