Hoe dierenhersens een supercomputer maken

Drie resusapen zitten 'zachtzinnig vastgebonden' in afzonderlijke kamertjes. Ze staren naar hun eigen scherm. Zonder dat ze het weten, werken ze samen om een computeropdracht uit te voeren. Doel is om met hun brein een virtuele apenarm aan te sturen, zodat die een steeds verspringend doelwit raakt. Lukt dat, dan krijgen ze een slokje vruchtensap. Krijgt de drie-eenheid meer voor elkaar dan de eenzame aap?

De drie hoeven de beweging dus alleen maar te visualiseren. Om ze te laten samenwerken, plantte de Braziliaanse hersenonderzoeker Miguel Nicolelis breinchips in hun hoofd. Naaldenbedden om precies te zijn, die de activiteit van een paar honderd neuronen in het motorische gedeelte van de hersenen meten. Een computer leest die activiteit af en vertaalt het naar beweging op het scherm. Niet direct, maar via de computer zijn de apen met elkaar verbonden.

Ieder van hen is verantwoordelijk voor een gedeelte van de geanimeerde beweging. De computer berekent daar het gemiddelde van. Zo ontstaat er één bewegende computerarm. Alleen dat samengevoegde eindresultaat krijgen de apen voor ogen: een samenspel van hun eigen breinactiviteit en die van hun collega's.

En dat samenwerkingsverband is inderdaad effectiever dan het gevisualiseer van een eenzame aap, schreef Nicolelis deze zomer in Nature Scientific Reports. Het doelwit wordt accurater geraakt.

Miguel Nicolelis van Duke University Medical Center staat bekend om zijn werk met breinchips. Vorig jaar nog hielp hij een verlamde man een exoskelet aan te sturen met zijn gedachten. Zo kon de 29-jarige Braziliaan Juliano Pinto de symbolisch eerste trap van het WK-voetbal geven in zijn thuisland. Alleen maar door te visualiseren hoe zijn verlamde benen in beweging kwamen. De futuristische experimenten van Nicolelis kunnen misschien helpen met het aansturen van apparaten, wanneer het lichaam dat zelf niet meer kan. Nicolelis stopte niet bij de samenwerkende apen. In een andere, tegelijk gepubliceerde studie koppelde hij drie rattenbreinen aan elkaar. Konden rattenbreinen ook samenwerken?

Twee breinchips per rat bracht het onderzoeksteam in, één in elke hersenhelft. De ratten konden nu de hersenactiviteit van hun soortgenoten ontvangen, en hun eigen hersenactiviteit terugsturen. Een soort internet voor dierenhersens. Lukt het de ratten hun hersenactiviteit op elkaar af te stemmen, die te synchroniseren, dan krijgen ze als beloning een slok water: ze zijn gemotiveerd om op één lijn te zitten.

Het team van Nicolelis wilde weten of het rattentrio samen kon voorspellen of het ging regenen. Om daar achter te komen, werd informatie over de weersomstandigheden nagebootst. Nicolelis stuurde elektrische pulsjes naar de ontvangende breinchips van de knaagdieren. Die zaten ingebed in het sensorisch gedeelte. Via dat gedeelte ervaart mens en dier aanraking en andere zintuiglijke informatie. Door de elektrische pulsjes voelde het voor de ratten of de temperatuur of de luchtdruk steeg. Op basis van die gegevens kunnen ratten normaal gesproken een beetje inschatten of het gaat regenen: een hogere luchttemperatuur en lagere luchtdruk wijzen doorgaans op regen, aldus de onderzoekers in Nature.

Eén rat kreeg de temperatuurschommelingen door, de andere twee leerden over het verloop van de luchtdruk. Ze moesten dit klimatologische probleem dus samen zien op te lossen.

Tot zijn tevredenheid zag Nicolelis dat de gekoppelde 'superrat' een betere weerman was dan de 'alleenstaande' rat. De klimatoloogjes voorspelden na de koppeling in 41 procent van de gevallen wanneer het tijd was om naar het afdakje te gaan. Een veel hoger percentage dan wanneer ze in het wilde weg hadden gegokt, of dan wat een eenzame rat kon voorspellen. Die hadden het gemiddeld slechts in 17 procent van de gevallen goed.

Cruciaal voor het samen nadenken is dat de rattenhersens op het zelfde moment actief zijn in hetzelfde hersengebied. 'Maar hoe de ratten dat op elkaar afstemmen, weten we niet, en de ratten zelf ook niet', zegt Paul Tiesinga, hersenwetenschapper aan de Radboud Universiteit en niet betrokken bij Nicolelis' onderzoek. 'Als de ratten bij toeval aan hetzelfde denken ziet de computer dat in de metingen, en geeft ze een beloning.' Kennelijk deed ik iets goed, denkt de rat, en wordt zo geconditioneerd om zijn hersenactiviteit gelijk te stellen aan dat van de rest.

Waarschijnlijk leidt het inbrengen van breinchips bij mensen ook tot een verhoogde rekenkracht. Maar zulk onderzoek krijgen wetenschappers niet snel langs de ethische commissie.

Volgens Nicolelis zou het apen- en rattenexperiment weleens het begin van nieuwe ICT-toepassingen kunnen zijn. Komt de supersnelle dierencomputer er nu aan? 'Dat zie ik niet zo snel gebeuren', zegt Tiesinga. 'Uit één rat haal je misschien één bit aan informatie. Wel is het zo dat je die allemaal aan elkaar kunt koppelen met Nicolelis' methode.' Als de Braziliaan een enorme rattenkolonie met elkaar verbindt loopt de rekenkracht aardig op. Maar of dat ook zijn ambitie is, weet Tiesinga niet. 'Ik kan niet in zijn hersens kijken.'