Stel je voor dat je op de bank tv zit te kijken. Jij kijkt naar voren en je kat zit naast je. In deze situatie zal een bepaalde groep neuronen − verantwoordelijk voor het naar voren kijken − herhaaldelijk vuren. Ineens springt je kat op tafel en draai jij je hoofd naar links. De 'naar voren gerichte' neuronen die eerst actief waren, vallen stil, terwijl een andere groep neuronen − verantwoordelijk voor het naar links kijken − actief wordt. Op deze manier kan ons brein onderscheid maken tussen de verschillende richtingen waarin we ons hoofd draaien.
Chaotische activiteit van neuronen
Wanneer je je hoofd in een bepaalde richting draait, zal de groep neuronen die geassocieerd wordt met die richting actief worden. Hoewel de hele groep actief is, laten individuele neuronen binnen deze groep chaotische en ongecoördineerde activiteit zien. Begrijpen hoe dit chaotische vuren van neuronen in ons brein leidt tot een betrouwbare weergave van onze hoofdrichting, is een belangrijke uitdaging. Een voorbeeld van dit gedrag is te zien op de cover van de nieuwste editie van SIAM Review, de belangrijkste uitgave van de Society for Industrial and Applied Mathematics, waarin het gezamenlijke onderzoek van Daniele Avitabile, Joshua Davis en Kyle Wedgwood gepubliceerd is.
De golven in kaart brengen
Daniele Avitabile (VU) zegt het volgende over deze ontdekking: "Chaotische hersenactiviteit is moeilijk te bestuderen. Het belangrijkste van deze ontdekking is het inzicht dat chaotisch gedrag ontleed kan worden in golven die eenvoudiger te volgen zijn. Vergelijkbaar met de activiteit in een turbulente pijpleiding laat chaotische hersenactiviteit regelmatige sprongen tussen golven zien, om vervolgens kort te blijven hangen bij elke golf. We hebben deze golven in kaart gebracht en daarmee een blauwdruk ontwikkeld die ons helpt om chaotische hersenactiviteit beter te begrijpen."
Vloeistofdynamica
"Wiskundige neurowetenschap heeft veel inzicht opgeleverd met betrekking tot het algemene probleem van hoofdrichtingen, maar het specifieke gedrag van individuele neuronen bleek lastig te beschrijven. We realiseerden ons dat we deze verschillende toestanden konden begrijpen door ze te zien als eenvoudige golven", zegt Avitabile.
Medeauteur Kyle Wedgwood (University of Exeter) voegt toe: "We zijn blij dat we een wiskundige link hebben kunnen leggen met het welbekende fenomeen turbulentie. We kijken ernaar uit om de overeenkomsten met vloeistofdynamica te gebruiken om onze kennis op het gebied van neurowetenschap verder uit te breiden. We willen onze theorie bijvoorbeeld testen door opnieuw te kijken naar hoofdrichtingen en daarbij gebruik te maken van nauwkeurigere beschrijvingen van het gedrag van individuele neuronen."