Hoe communiceren cognitieve en sensorische hersengebieden met elkaar? Deze vraag willen we met ons project beantwoorden en is belangrijk om te begrijpen hoe ons zicht ons denken beïnvloedt, en hoe ons denken bepalend is voor wat we zien. Deze interacties tussen de ‘cognitieve’ prefrontale en de visuele en parietale hersenschors achteraan in het brein gebeurt op verschillende niveaus (macro-, meso- en microschalen), maar er is weinig bekend over de organisatie van informatiestromen op deze verschillende niveaus. We stellen voor om meerdere geavanceerde methoden te gebruiken, die zich elk op één schaal richten, om dit probleem schaal-overschrijdend te bestuderen. Deze methoden omvatten hoge-resolutie functionele magnetische beeldvorming (fMRI), 3D- functionele echografie, en afleidingen van neurale activiteit. We zullen bovendien tijdelijk de activiteit van zeer kleine onderverdelingen van de prefrontale cortex verstoren om de neurale antwoorden in kleine gebieden achteraan in de hersenen specifiek te beïnvloeden. Dit zal de neurale banen onthullen die cognitieve met visuele signalen laten interageren. Deze reeks hulpmiddelen zal baanbrekende inzichten opleveren in de interactie tussen het denkende en het ziende brein.

Alle dieren zullen getraind worden in de gedragstaken door middel van positieve beloning. Meer specifiek zullen de dieren worden getraind om naar visuele prikkels, zoals een film en allerlei beelden te kijken, en met hun handen twee knoppen te bedienen of vast te houden. Oogbewegingen worden met een camera geregistreerd en handbewegingen met optische vezels. De dieren bepalen volledig zelf hoe lang ze werken en hoeveel ze drinken tijdens de testen. Deze tijdsduur varieert van dier tot dier, omdat ze dit zelf bepalen, en kan verschillende uren bedragen. Registraties van de elektrische impulsen afgevuurd door de zenuwcellen -door middel van micro-elektrodes-, en functionele magnetische beeldvorming (fMRI) -door middel van MRI-scanners, of functionele ultrasound beeldvormingstechnieken (fUSI) zijn pijnloos. De dieren worden intensief getraind voor aanvang van de sessies met niet-invasieve functionele magnetische beeldvorming (fMRI en fUSI). Meestal worden de dieren 3-5 dagen gescand, met verschillende weken (3-5) tussen de opeenvolgende fMRI scan sessies. De MRI sessies duren daardoor een ~1-2-tal jaar. Na de MRI scans, worden de elektrofysiologische of ultrasound beeldvormingsstudies aangevat, evenals de omkeerbare perturbatie experimenten om functionele netwerken te onderzoeken. Deze onderzoeken duren elk ~ 1 jaar. fUSI sessies kunnen dagelijks gebeuren. Omdat het noodzakelijk is om het hoofd te immobiliseren gedurende de metingen, wordt bij alle dieren een implantaat op het hoofd bevestigd. Dit implantaat veroorzaakt geen pijn en kan op het einde van het experiment verwijderd worden. Bij de dieren wordt onder verdoving een opening in de schedel aangebracht om micro-elektrodes in de hersenen aan te brengen of om een opening te hebben voor de ultrasound beeldvorming. Hersenactiviteit kan zeer lokaal en tijdelijk worden uitgeschakeld door ofwel met infrarood licht cellen te activeren, ofwel door andere receptoren tot expressie te laten komen die geactiveerd worden door een molecule dat plaatselijk wordt ingespoten en aan die receptoren kan binden. Hiermee zullen we bestuderen wat de invloed van het aan-of uitgeschakelde gebied is op de activiteit in andere gebieden van een functioneel hersennetwerk.

Om de onderzoeksvragen te kunnen beantwoorden, zijn invasieve technieken nodig die niet bij gezonde mensen gebruikt kunnen worden. De niet-invasieve hersenonderzoekstechnieken die momenteel bij gezonde mensen gebruikt worden, zoals functionele beeldvorming met MRI-scanners, infraroodspectroscopie en elektro-encefalogrammetingen, zijn niet geschikt om de functionele architectuur van de hersenschors met de vereiste ruimtelijke en tijdsresolutie te bestuderen. Onderzoek in vitro of met celculturen kan deze vragen ook niet beantwoorden, omdat de functies die we bestuderen een volledig hersennetwerk vereisen. We hebben nog te weinig kennis over hoe de hersenen deze functies ondersteunen om een compleet computermodel te kunnen maken.