Laten we een brein bouwen

De wereld zit vol verrassend gedrag: bevers die dammen bouwen, zangvogels die zingen, spinnen die webben weven en jij die dit artikel leest.

Al deze gedragingen worden aangestuurd door het vuren van neuronen in de hersenen. Maar hoe precies creëren verzamelingen neuronen dit complexe gedrag?

Dit is een enorme vraag waar onderzoekers nog steeds aan werken. Maar in de afgelopen halve eeuw hebben neurowetenschappers enkele stukjes van deze puzzel opgelost. In dit artikel bouwen we een klein wezentje, een 'spark' genoemd, en we geven het een heel eenvoudig brein. Zoals je zult zien, kan zelfs dit kleine brein rijk en onverwacht gedrag voortbrengen.

Lichteters

Stel dat deze spark zich voedt met licht. Zijn doel in het leven is om het licht te bereiken.

De licht-hongerige spark heeft een manier nodig om de wereld waar te nemen. Daarom geven we hem een rudimentair oog: een enkel neuron dat helderheid detecteert en dit omzet in elektrische impulsen.

Hij heeft ook een manier nodig om te bewegen. Daarom geven we hem een ander neuron dat een vin kan laten bewegen. Door het eerste sensorische neuron te verbinden met het tweede motorische neuron, hebben we ons eerste neurale circuit geassembleerd.

De anatomie van een spark

Met dit eenvoudige circuit beweegt de spark zijn vin in proportie tot de hoeveelheid licht. Maar kan hij het licht ook vinden?

Als de sparks toevallig in de richting van het licht staan, worden ze ernaartoe getrokken. Maar de meeste tijd missen ze hun doel. Over tijd zien hun paden er willekeurig uit; slechts een paar paden kruisen het licht. Duidelijk kunnen we het beter aanpakken.

Een oog toevoegen

Dit is het probleem: hoewel de spark kan versnellen, kan hij niet sturen. Met één oog en één vin beweegt hij slechts in één richting. We hebben echter nodig dat hij kan draaien.

Wat gebeurt er als we hem een tweede oog en een tweede vin geven?

Met twee ogen kan de spark nu waarnemen of het licht zich links of rechts bevindt. Nu beweegt hij echter op een vreemde manier: in plaats van naar het licht te sturen, stuurt hij er juist vanaf! Als je niet wist hoe hun breinen werken, zou je kunnen denken dat ze bang zijn voor het licht.

Waarom vermijden ze het licht? Als het licht zich links van de spark bevindt, detecteert het linkeroog meer helderheid. Dit betekent dat de linkervin sneller beweegt, wat ervoor zorgt dat de spark naar rechts draait, weg van het licht. Omgekeerd, als het licht zich rechts bevindt, wijkt hij naar links uit.

Een gekruiste verbinding

Er is echter een slimme manier om deze spark juist naar het licht te laten sturen. Alles wat we hoeven te doen is de verbindingen kruisen. Dat wil zeggen: we verbinden het linkeroog met de rechtervin, en het rechteroog met de linkervin.

Met deze eenvoudige wijziging in de bedrading kan hij eindelijk naar het licht sturen. Maar als je deze sparks een tijdje observeert, merk je dat er een nieuw probleem is. Hoewel ze het licht kunnen bereiken, vertragen ze niet wanneer ze in de buurt komen. In plaats daarvan razen ze erop af als kometen die op de zon storten. Nu zou je kunnen denken dat ze het licht aanvallen.

Inhibitie (remming)

Waarom vallen ze het licht aan? Het probleem ligt in het type verbinding dat we hebben gebruikt.

Om te begrijpen waarom, moeten we teruggaan naar onze oorspronkelijke spark. Herinner je je dat de vin sneller bewoog wanneer het licht helderder werd? Dat komt omdat het oog en de vin verbonden waren met een excitatoire verbinding: een verbinding waarbij meer input leidt tot meer output.

Als het licht een voedselbron was, zou deze spark erop afstormen, maar hij zou niet stoppen om van zijn lunch te genieten. In plaats daarvan willen we dat de spark vertraagt naarmate hij het licht nadert. Dat is, we willen dat zijn beweging wordt geremd (geïnhibeerd) door het licht.

We kunnen dit oplossen door de excitatoire verbinding te vervangen door een inhibitoire verbinding: een verbinding waarbij meer input leidt tot minder output.

• Met de oorspronkelijke excitatoire verbinding schiet de spark voorbij het licht.
• Met de inhibitoire verbinding vertraagt hij en komt hij rustig tot stilstand.

Het licht vinden

Laten we nu de oorspronkelijke spark met twee ogen terugbrengen, maar ditmaal met inhibitoire verbindingen tussen de ogen en de vinnen.

Nu beweegt de vin die zich dichter bij het licht bevindt langzamer, terwijl de vin aan de tegenovergestelde zijde sneller beweegt. Dit zorgt ervoor dat de spark naar het licht toe draait.

Hij kan nu eindelijk naar het licht sturen en tot stilstand komen. Ze bewegen alsof ze magnetisch worden aangetrokken door het licht. Nu zou je kunnen denken dat ze van licht houden.

We hebben nu vier zeer verschillende gedragingen gezien, elk bereikt door kleine wijzigingen in het neurale circuit van onze virtuele wezentjes:

• Aantrekking
• Angst
• Agressie
• Liefde

(Opmerking: er is een kleine hoeveelheid ruis aan de simulatie toegevoegd om de paden organischer te laten ogen.)

Als je wezens zou zien die zich zo gedragen in de natuur, zou je hen waarschijnlijk een rudimentaire intelligentie toeschrijven. Maar we hebben zojuist laten zien hoe deze schijnbare intelligentie van onderaf ontstaat, met slechts vier neuronen en twee verbindingen. Er is geen magie aan het werk; gedrag komt voort uit neurale circuits. En als een brein met slechts vier neuronen dit alles kan, stel je dan eens voor wat jouw brein kan bereiken met bijna 100 miljard neuronen.

Variatie toevoegen

We kunnen dit nog een stap verder tillen. In alle simulaties tot nu toe hadden de sparks identieke breinen. Maar de biologie zit vol variatie: geen twee breinen zijn hetzelfde.

Als we toestaan dat de sterkte van de verbindingen tussen neuronen varieert, kan elke spark anders reageren op het licht. Ze hebben nu verschillende voorkeuren: de gelere sparks lijken meer van licht te houden, terwijl de roodere sparks een voorzichtige afstand bewaren.

Net zoals een thermostaat een voorkeurstemperatuur instelt, bepaalt de bedrading van hun brein nu hun voorkeur voor licht. Als je goed kijkt, zie je hier de rudimentaire basis van hoe onze hersenen voorkeuren coderen, zoals een liefde voor pittig eten of een afkeer van stinkende kaas.

Natuurlijk is de biologie veel complexer dan deze vereenvoudigde sparks. We hebben hen bewust zeer eenvoudige breinen gegeven, zodat we kunnen begrijpen hoe elk onderdeel werkt. Hun breinen zijn bovendien bevroren in de tijd. In werkelijkheid kunnen breinen leren: ze passen hun bedrading aan om nieuwe vaardigheden te verwerven, zoals leren lopen, fietsen of piano spelen.

In het volgende artikel bekijken we dit leerproces in actie en zien we hoe deze sparks hun breinen herbedraden om het licht te vinden.

***

Bronnen en achtergrond De sparks in dit artikel zijn gebaseerd op een serie gedachte-experimenten van de neurowetenschapper Valentino Braitenberg, beschreven in zijn eigenzinnige boek uit 1984: Vehicles: Experiments in Synthetic Psychology.

Hoewel de sparks met één oog er vreemd uitzien, is het mogelijk dat jij en ik afstammen van een één-ogig, cyclops-achtig wezen dat 560 miljoen jaar geleden leefde.