Mapping space, episodes and values in the hippocampus - Congratulations Dr. De Haas!

On June 28, Dr. Naomi De Haas successfully defended her PhD thesis. Well done, Naomi!

Here is her summary of her work (in Dutch):

Net zoals waarschijnlijk alle promovendi, moest ik veel obstakels overwinnen om mijn scriptie af te ronden. Eén ding vond ik echter minder erg: het wonen en werken in Nijmegen. Dat komt natuurlijk omdat Nijmegen een aantal erg leuke cafés heeft. Maar ook doordat het, waar je ook woont, minder dan een kwartier duurt om naar je werk te fietsen. Ik vind het echter vooral leuk vanwege het jaarlijkse meerdaagse openluchtfestival. Miljoenen bezoekers uit de hele wereld verzamelen zich dan in deze middelgrote stad om te feesten. Ik heb erg mooie herinneringen aan dit evenement. Zo denk ik wel eens terug aan het moment dat ik met mijn vrienden aan de rand van de rivier zit. Het is een warme zomeravond en wij zitten in een massa van vrolijke mensen naar het vuurwerk te kijken. Maar, die massa mensen brengt soms ook wat problemen met zich mee. Kijk, de eigenlijke oorsprong van het festival is een vierdaagse mars. De deelnemers moeten elke dag een andere (extreem lange) route wandelen. Als gevolg daarvan wordt elke dag een andere reeks straten afgesloten voor het grote publiek. Dit geeft mij (en vele, vele anderen) de uitdaging om elke dag opnieuw een omweg naar het kantoor te plannen.

Op dit punt zou je je kunnen afvragen waarom ik dit verhaal vertel. En verder hoe dit alles in verband staat met het onderwerp van mijn scriptie. Ik heb een heel specifiek hersengebied bestudeerd: de hippocampus. Wat mij fascineert aan de hippocampus is dat hij betrokken is bij zeer verschillende aspecten van dit verhaal. Zo weten wij dat de hippocampus belangrijk is voor het onthouden van gebeurtenissen. Denk maar weer terug aan mijn herinnering bij de rivier. Waar ik samen met mijn vrienden naar het vuurwerk kijk. Tegelijkertijd speelt de hippocampus een grote rol voor het oplossen van navigatieproblemen. Bijvoorbeeld de fietstocht van mijn huis naar het kantoor. Dat brengt mij tot de kern van dit proefschrift: hoe ondersteunt de hippocampus blijkbaar verschillende functies als geheugen en navigatie? Hiervoor heb ik samen met mijn collega’s drie experimenten uitgevoerd.

In het eerste experiment hebben we de mentale kaarten die de hippocampus vormt van onze omgeving onder de loep genomen. Denk terug aan het verhaal: ik fiets vaak van mijn huis naar kantoor. Hiervoor heb ik een mentale kaart van Nijmegen (of in ieder geval delen daarvan) nodig. Als ik een kaart van Nijmegen voor je zou leggen, zou ik een rechte lijn kunnen trekken tussen mijn huis en het kantoor. Dit is de Euclidische afstand. Ik zou ook de route kunnen tekenen die ik moet fietsen om naar het kantoor te komen. Dit is de route afstand. Nota bene kon ik mijn regulaire route zelfs aanpassen toen ik tijdens het festival nieuwe wegversperringen tegenkwam. Waaruit blijkt dat deze mentale kaart ook flexibel moet zijn. In de eerste studie hebben we gekeken naar representaties in de hippocampus van deze verschillende afstandsmetingen en hoe deze worden bijgewerkt wanneer er snelkoppelingen of omwegen worden ingevoerd. Om navigeren uit het echte leven in het lab na te bootsen, lieten we de deelnemers een computerspel spelen. Zij moesten hun weg vinden in een grote virtuele stad. Zo konden we manipuleren welke routes de deelnemers van de ene naar de andere locatie konden nemen. Met behulp van functionele kernspintomografie (fMRI) hebben we gemeten hoe de hippocampus een mentale kaart van deze virtuele omgeving vormt en bijwerkt. Onze resultaten tonen aan dat de hippocampus zowel de Euclidische als de route afstand tussen belangrijke locaties kan coderen. Daarnaast liet het zien dat de mentale kaarten van de hippocampus kunnen worden geupdatet wanneer deelnemers nieuwe routes moesten bedenken om op hun bestemming te komen.

In het tweede experiment hebben we op hetzelfde moment gekeken naar hippocampale verwerking van navigatie en het episodisch geheugen. We hebben twee tegengestelde ideeën getest. Een idee is dat de hippocampus dezelfde coderingsmechanismen gebruikt bij navigatie als bij het episodisch geheugen. Het tweede idee gaat ervanuit dat verschillende subregio's in de hippocampus betrokken zijn bij een van de beide functies. De vraag is of de hippocampus mijn herinnering van het vuurwerk op dezelfde manier verwerkt als mijn fietstocht naar kantoor. Of zijn er verschillende delen van de hippocampus die voor het ene coderen, maar niet voor het andere? Om deze vraag te beantwoorden hebben we de ruimtelijke en episodische relaties tussen items gemanipuleerd. Tijdens een navigatietaak verschenen er items op twee verschillende locaties in een virtuele stad. Hierdoor waren items die op dezelfde locatie verschenen meer ruimtelijk verbonden dan items die op verschillende locaties verschenen. Gelijkwaardig verschenen de items in twee verschillende verhalen tijdens een episodische taak. Dit betekent dat items die in hetzelfde verhaal verschenen meer episodisch verbonden waren dan items die in verschillende verhalen verschenen. We gebruikten opnieuw fMRI om te meten hoe de hippocampus deze ruimtelijke en episodische relaties verwerkt. Onze resultaten ondersteunen het idee dat de hippocampus episodische en ruimtelijke relaties integreert en op dezelfde manier verwerkt. Maar we vonden geen bewijs, dat verschillende subregio’s van de hippocampus navigatie meer verwerken dan geheugen of vice-versa.

In het derde en laatste experiment wilden we een stap verder gaan dan geheugen en navigatie. Wij stelden de vraag of de hippocampus dezelfde mechanismen ook gebruikt voor andere cognitieve functies. Tot nu hadden we onderzocht hoe de hippocampus een kaart vormt van onze werkelijke en fysieke omgeving. Nu testten we het idee dat de hippocampus bovendien ook 'abstracte' kaarten vormt van verschillende aspecten van onze wereld. Dit kan ik het makkelijkste uitleggen met weer het voorbeeld van de Nijmeegse zomerfeesten. Tijdens dit evenement heb je veel verschillende podia. Op deze verschillende plekken wordt tegelijk live muziek gespeeld. Ik moet dus mijn opties afwegen om te beslissen naar welke act ik wil gaan. Er kunnen verschillende criteria zijn die mijn beslissing beïnvloeden. Zoals hoe leuk ik de muziekstijl van de act vind. Of hoe druk het zal zijn. Gezien het feit dat ik erg klein ben, vooral voor Nederlandse begrippen, is dit ook een belangrijk criterium. Er zijn meerdere manieren om deze twee criteria af te beelden. Een daarvan is het tekenen van een tweedimensionale abstracte ruimte. Daarbij geeft de ene as weer hoe leuk ik de muziekstijl vind. De tweede as geeft daarnaast aan hoe groot de kans is dat ik het podium kan zien. In het derde experiment wilden we het idee testen dat de hippocampus dezelfde mechanismen kan toepassen die hij gebruikt om de fysieke ruimte te representeren om zo'n abstracte ruimte te representeren. Tijdens het experiment associeerden de deelnemers items met twee soorten (numerieke) waarden. Net als in het voorbeeld vertegenwoordigde elk type waarde één as van een tweedimensionale “waarde-ruimte”. Vervolgens hebben we met fMRI getest of de hippocampus afstanden in zo'n waarde ruimte kan weergeven. Net zoals in het eerste experiment, waarbij we ontdekten dat de hippocampus afstanden in een virtuele stad kan coderen. We vonden echter geen bewijs dat de hippocampus de mechanismen die we in het eerste experiment vonden, toepast op een abstracte waardenruimte.

Samengevat: wij weten dat de hippocampus belangrijk is voor zowel navigeren als herinneren. Het werk van dit proefschrift versterkt het idee dat de hippocampus vergelijkbare mechanismen gebruikt om deze twee functies te ondersteunen. Het laat zien dat de hippocampus flexibele kaarten vormt. En dat deze kaarten ruimtelijke en episodische informatie kunnen integreren. Het suggereert dus dat de hippocampus mijn herinnering aan het vuurwerken mijn fietstocht naar kantoor inderdaad op dezelfde manier verwerkt.

Tot slot ontstond de vraag of de hippocampus ook andere, meer abstracte functies in deze mentale kaarten kan verwerken. In mijn laatste experiment kon ik geen bewijs vinden voor representaties van abstracte kaarten in de hippocampus. Daarom denk ik dat dit wel een interessante vraag is voor toekomstig onderzoek. Onder welke specifieke omstandigheden vormt de hippocampus mentale kaarten en onder welke niet?