Elke nacht, in miljarden hersenen, in de schedels van zoogdieren en vogels, cascaderen langzame activiteitsgolven door de neuronen in een ritme dat al millennia wordt herhaald. Het is de gemeenschappelijke beat van hersenen in hun diepste slaap.
De alomtegenwoordigheid en uniformiteit van deze ‘langzame golven’ spreekt van een diepgaand belang, zegt HBP-wetenschapper Maurizio Mattia van het Istituto Superiore di Sanità (het Italiaanse NIH) in Rome.
Hij beschrijft het moment waarop hij zich realiseerde dat dit een gemeenschappelijk ritme in de biologie was. “Als natuurkundige dacht ik, toen ik dit zag, dit is geen biologie, dit is natuurkunde. Ik dacht, dit is absoluut merkwaardig. Dit is de voetafdruk van iets dat heel, heel goed werkt. Iets dat nodig is in alle soorten en in de evolutie.”
Slow waves verschijnen wanneer de hersenen in diepe slaap zijn en zijn waargenomen bij zoogdieren en vogels, en mogelijk ook bij reptielen. Mattia beschrijft de golven als cascades van activiteit die zich door de hersenen bewegen met een consistent ritme (ongeveer 1 Hz, over de soorten heen).
Deze ritmische oscillaties komen voor op het niveau van enkele neuronen, maar wanneer ze over de hersenen worden bekeken door iEEG (intracranieel EEG) lijken ze op een golf die zich met ongeveer 30 mm per seconde door de hersenen beweegt.
“Ze zijn niet zoals de golven die je in water ziet. Je hebt een prikkelbaar medium, dus het is als een brand in een bos. Wanneer je het vuur voor het eerst aansteekt, zal het zich als een golf voortplanten, totdat je al het hout hebt verbrand en dan zal het ophouden. Dit is als de periode van inactiviteit in de hersenen, maar het bos groeit weer en dan heb je een nieuwe golf. Dit is wat er in de hersenen gebeurt. Het gebruikt alle beschikbare middelen om de actiepotentialen van de neuronen af te vuren, daarna heb je een hersteltijd nodig. Vuur en stilte, vuur en stilte.”
De volledige functie en het doel van deze langzame golven wordt niet volledig begrepen, maar zij hebben duidelijk een belangrijke rol. Er zijn steeds meer aanwijzingen dat dit ritme nodig is om een evenwicht in de hersenen te reproduceren. Tijdens het waken produceren de hersenen afval en deze golven lijken de hersenen te reinigen, zegt Mattia.
“Je kunt overleven zonder wakker te zijn, maar je zult zeker sterven als je niet slaapt. Je moet deze langzame golven hebben om de hersenen in een gezonde conditie te houden.”
Lage golven zijn ook gekoppeld aan geheugen en leerconsolidatie.
“Het golffront is niet een willekeurig golffront. Het wordt bepaald door de structuur die het in de hersenen aantreft. Stel je veel mensen voor die naast elkaar langs een strand lopen. Wanneer sommigen zacht zand vinden zullen zij langzamer lopen, anderen zullen sneller lopen op het hardere zand. Dit verschil in terrein zal worden weergegeven in de vorm van de lijn van de wandelende mensen.
“Dus terugkomend op het geheugen, deze langzame golven volgen de netwerk paden en versterken deze paden. Min of meer.”
In die zin is het bijna een soort herhaling, vergelijkbaar met leren, dat de paden die gedurende de dag worden gebruikt lijkt te versterken door ze vele malen te herhalen.
Mattia beschrijft langzame golven als een soort Rosetta steen van de neurowetenschappen, waarbij de verschillende talen de verschillende dieren zijn en de inhoud de langzame golf is. Daarom zijn ze nuttig, niet alleen om de hersenen te begrijpen, maar misschien ook om hersensimulaties te maken. Kunnen we dit gemeenschappelijke kenmerk van alle hersenen repliceren in een simulatie?
“We proberen te begrijpen op welke manier een bepaald netwerk van neuronen, in-silico of in-vivo in staat zijn om dezelfde ritmes te creëren en door dit in verschillende contexten te nemen, kunnen we een machine bouwen die zich kan gedragen als een echt brein,” zegt Mattia.
“Als je eenmaal een brein in-silico hebt gemaakt dat deze ritmes heeft, nou, dan is dit een goed startpunt om te zien hoe het zich gedraagt als het wakker wordt gemaakt.”
Maurizio Mattia werkt in de Systems and Cognitive Neuroscience (Subproject 3) component van het Human Brain Project.