Context is de sleutel tot een nieuwe theorie over beweging en geheugen

Hoe komt het dat een chef-kok zijn mes kan hanteren om een vis te fileren of een druif te schillen en dat hij een hakmes even efficiënt kan hanteren als een schilmesje? Zelfs degenen onder ons die minder bedreven zijn in de keuken leren in de loop van hun leven een verbazingwekkend aantal verschillende voorwerpen handig te hanteren, van schoenveters tot tennisrackets.

Dit vermogen om voortdurend nieuwe vaardigheden te verwerven, zonder oude te vergeten of er minder bedreven in te worden, komt van nature bij de mens voor. Maar zelfs voor de meest geavanceerde kunstmatige intelligentiesystemen van tegenwoordig is het een grote uitdaging. Wetenschappers van de Universiteit van Cambridge en Columbia University hebben nu een nieuwe wiskundige theorie ontwikkeld en experimenteel geverifieerd die verklaart hoe het menselijk brein deze prestatie levert, zo schrijven zij in een persbericht. Het COntextual INference (COIN) model stelt dat het identificeren van de huidige context de sleutel is om te leren hoe we ons lichaam moeten bewegen.

Mechanisme in je hersenen

Het model beschrijft een mechanisme in de hersenen dat voortdurend probeert de huidige context te achterhalen. De theorie suggereert dat deze voortdurend veranderende overtuigingen over de context bepalen hoe bestaande herinneringen moeten worden gebruikt; en of nieuwe herinneringen moeten worden gevormd. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature.

“Stel je voor dat je tennist met een ander racket dan normaal, of dat je overschakelt van tennis naar squash”, zegt co-senior auteur Dr. Daniel Wolpert van Columbia University. “Onze theorie onderzoekt hoe je hersenen zich aanpassen aan deze situaties en of je ze als verschillende contexten moet behandelen.”

Volgens het COIN-model onderhouden de hersenen een repertoire van motorische herinneringen. Elk geassocieerd met de context waarin het werd gecreëerd. Zoals squashen versus tennis spelen. Zelfs voor een enkele zwaai van het racket kunnen de hersenen uit vele herinneringen putten. Elk in verhouding tot de mate waarin de hersenen geloven dat zij zich op dat moment in de context bevinden waarin die herinnering werd gecreëerd.

Updaten van herinneringen

Dit gaat in tegen de traditionele opvatting dat slechts één geheugen tegelijk wordt gebruikt. Om de prestatie bij de volgende zwaai te verbeteren, werkt het brein ook alle geheugens bij. Opnieuw afhankelijk van zijn overtuiging over de huidige context. Wanneer de context van de beweging als nieuw wordt beoordeeld (de eerste keer dat we squash spelen na jaren tennis, bijvoorbeeld), maken de hersenen automatisch een nieuw geheugen aan voor die context. Dit zorgt ervoor dat we eerder gemaakte herinneringen, zoals het geheugen voor tennissen, niet overschrijven.

Dit onderzoek kan leiden tot betere fysiotherapiestrategieën om mensen met blessures te helpen hun lichaam weer te gebruiken. Vaak gaan de verbeteringen die in de praktijk van een fysiotherapeut worden gezien, niet over in verbeteringen in de echte wereld.

Therapeutische gevolgen

“Met een beter begrip van hoe de context het motorisch leren beïnvloedt, kun je nadenken over hoe je de hersenen kunt stimuleren om wat ze leren te generaliseren naar contexten buiten de fysiotherapiesessie”, zegt eerste auteur Dr James Heald. “Een beter begrip van de basismechanismen die ten grondslag liggen aan de contextafhankelijkheid van geheugen en leren zou therapeutische gevolgen kunnen hebben op dit gebied.

“Wat ik opwindend vind, is dat de principes van het COIN-model ook kunnen generaliseren naar vele andere vormen van leren en geheugen. En niet alleen de herinneringen die ten grondslag liggen aan onze beweging”, zegt co-senior auteur professor Máté Lengyel van Cambridge’s Department of Engineering. “Het spontaan terugkeren van schijnbaar vergeten herinneringen, vaak getriggerd door een verandering in onze omgeving, is bijvoorbeeld waargenomen bij zowel motorisch leren, als bij posttraumatische stressstoornis.”

Nieuw model

Oefen met een tennisracket, en de hersenen vormen motorische geheugens over hoe je je arm en de rest van je lichaam bewoog, die je service na verloop van tijd verbeteren. Maar leren is niet zo simpel als alleen maar betere herinneringen maken om bewegingen preciezer te maken, aldus de onderzoekers. Anders zou de opslag van een tennisspeler kunnen verbeteren tot het punt waarop hij nooit meer een bal buiten de lijnen slaat.

De echte wereld en ons zenuwstelsel zijn complex. Hersenen hebben te maken met veel variabiliteit. Hoe onderscheidt het brein deze ruis – deze willekeurige fluctuaties – van nieuwe situaties? En hoe begrijpt het dat een iets lichter tennisracket nog steeds kan worden bediend met behulp van eerdere herinneringen aan een tennisracket? Maar dat een tafeltennisbatje een heel ander soort voorwerp is waarvoor je van voren af aan moet beginnen?

Het antwoord, volgens het COIN-model, zou Bayesiaanse inferentie kunnen zijn, een wiskundige techniek die wordt gebruikt om met onzekerheid om te gaan. Bij deze methode wordt nieuw bewijs statistisch gewogen in het licht van eerdere ervaringen, zodat iemands overtuigingen in een veranderlijke wereld kunnen worden bijgesteld. In het COIN-model is een context een vereenvoudigende veronderstelling dat, in een gegeven reeks omstandigheden, bepaalde acties waarschijnlijker tot bepaalde gevolgen zullen leiden dan andere. De aanvaarding door de nieuwe theorie van de rol die onzekerheid speelt bij motorisch leren is vergelijkbaar met de wijze waarop de kwantumfysica het universum ziet in termen van waarschijnlijkheden in plaats van zekerheden, zo merkten de wetenschappers op.

Experimenten

De onderzoekers stelden het COIN-model op de proef met gegevens van eerdere experimenten, maar ook met nieuwe experimenten, waarbij vrijwilligers interacteerden met een robothandvat. Deelnemers leerden het handvat te gebruiken om een doel te bereiken, terwijl het handvat op verschillende manieren terug duwde. Vrijwilligers die leerden het handvat te bedienen terwijl het naar links duwde, hadden bijvoorbeeld meer moeite om het handvat te bedienen toen het van gedrag veranderde en naar rechts duwde, dan vrijwilligers die begonnen met een handvat dat naar rechts duwde.

Het COIN-model verklaart dit effect, dat anterograde interferentie wordt genoemd. “Hoe langer je de ene taak leert, hoe minder waarschijnlijk het is dat je met de tweede taak in een nieuwe context komt”, zei Wolpert. “Je vormt nog steeds een motorisch geheugen van de tweede taak. Maar je gebruikt het nog niet omdat je hersenen nog steeds vastzitten in de eerste context.”

Herinneringen

Het model voorspelde ook dat een aangeleerde vaardigheid opnieuw kan opduiken. Zelfs nadat latere training deze lijkt te hebben uitgewist. Dit spontane herstel wordt gezien bij veel andere vormen van leren dan alleen motorisch leren. Zo is spontaan herstel in verband gebracht met uitdagingen bij de behandeling van posttraumatische stressstoornis. Daarbij kunnen contexten spontaan traumatische herinneringen oproepen.

Wetenschappers verklaren spontaan herstel gewoonlijk door zich te beroepen op twee verschillende leermechanismen. In het ene worden snel aangeleerde herinneringen snel vergeten. In het andere worden langzaam aangeleerde herinneringen langzaam vergeten, en kunnen zo weer opduiken. Het COIN-model daarentegen suggereert dat er slechts één leermechanisme is in plaats van twee afzonderlijke. Herinneringen die ogenschijnlijk verdwenen zijn, komen weer terug als ze op de juiste manier worden geprikkeld: de overtuiging dat de context opnieuw is opgedoken. De onderzoekers bevestigden dat in hun lab met nieuwe experimenten.

Interessant? Lees ook het IO-artikel Je eigen huid als hardloopcoach