Groningse promovendus beloond met Huygens-stipendium
Wij mensen vinden het maar al te gewoon dat wij de wereld om ons heen kunnen zien zoals we hem zien. Maar als we de werking van het oog willen nabootsen in een computersysteem, blijkt pas hoe moeilijk dat feitelijk is. Onze hersenen, maar ook die van andere dieren, verrichten prestaties die die van huidige computers veruit overtreffen.Enkele weken terug promoveerde dr. J.H. van Hateren op een onderzoek naar de algemene principes van het zenuwstelsel. En dankzij een hem toegekend Huygens-stipendium mag hij voorlopig nog vijf jaar doorgaan met het ontrafelen van de geheimen van het neurale netwerk achter het insecten-oog.
Het probleem bij de nabootsing van het oog is niet zozeer het registreren van de beelden zelf: elke TV-uitzending maakt tegenwoordig wel gebruik van ’gedigitaliseerde’, oftewel voor. de computer geschikt gemaakte beelden. Het probleem zit hem meer in de ‘jmage-processing’: het op een intelligente manier verwerken en interpreteren van al die duizenden afzonderlijke lichtpunten tot een samenhangend beeld. Zoals zo vaak in de techniek kan het nuttig zijn om eens te kijken hoe dergelijke ingewikkelde problemen in de natuur’ zijn aangepakt en opgelost. Wat natuurlijk niet betekent dat die biologische oplossing op zichzelf al niet interessant genoeg zou zijn om aan een nadere blik te onderwerpen.
Mozaïek
Hans van Hateren werkt als promovendus bij de vakgroep Biofysica van de subfaculteit Natuurkunde; een vakgebied dat gekenmerkt wordt door de combinatie van theoretisch en experimenteel onderzoek. Want het is leuk als je een mooie theorie hebt bedacht, uiteindelijk zul je toch naar het beest zelf terug moeten om te kijken of het klopt. Van Hateren: “Dat is één van de charmes van dit vakgebied.”
Bij zijn speurtocht naar de werking van de hersenen is hij vooralsnog uitgekomen bij het insecten-oog. De reden daarvoor is tweeërlei. Ten eerste ligt onderzoek aan bijvoorbeeld levende katten, die wat betreft hun hersenwerking veel dichter bij de mens staan, op dit moment ethisch nog wat gevoeliger. Insecten daarentegen staan (nog) niet in de belangstelling van het Dierenbevrijdingsfront.
Ten tweede kan het verstandig, zelfs noodzakelijk zijn om, wil je ooit de werking van de menselijke hersenen begrijpen, te beginnen bij veel eenvoudiger zenuwstelsels. Een mens heeft globaal 10 miljoen keer zoveel zenuwcellen als een insect.
Daarnaast hebben insecten nog een ander voordeel: ze hebben zeer regelmatig opgebouwde samengestelde ogen, in tegenstelling tot de meeste zoogdieren (maar ook spinnen en inktvissen), die beschikken over enkelvoudige ogen, ook wel camera-ogen genoemd: Eén lens zorgt voor de juiste verdeling van de lichtstralen over de zintuigcellen in het netvlies.
Een samengesteld oog, ook wel facetoog genoemd, bestaat daarentegen uit een groot aantal afzonderlijke lensjes, elk met hun eigen zintuigcelletje. Elk lensje kijkt als het ware een andere kant op. Door het resultaat van al die kleine oogjes te combineren tot één groot mozaïek moet het insect zich een beeld zien te vormen van de buitenwereld.
Dat lukt overigens beter dan sommigen zich zullen realiseren: met 4000 verschillende richtingen kan een insect op een meter afstand tot op ruim anderhalve centimeter nauwkeurig zien: Ter vergelijking: een kat ziet tot op ca. 0.17 cm nauwkeurig, en een mens tot op ca. 0.03 cm.
‘Trucje’
De bijzondere interesse van Van Hateren voor het oog van de vlieg, behorend tot de orde der Diptera, is te verklaren door zijn interesse voor neurale netwerken: ingewikkelde schakelingen tussen verschillende zenuwcellen.
Het zijn díe schakelingen die biologische hersenen, ondanks de relatieve traagheid van de afzonderlijke zenuwcellen, tot nu toe verreweg superieur maken over computers. Die laatsten werken dan wel met veel snellere electronische signalen, ze moeten al hun acties ’serieel’, dat wil zeggen achter elkaar uitvoeren. Hersenen kunnen daarentegen enorm veel tegelijk doen: ze bevatten talloze ’parallelle’ schakelingen.
Het oog van de Diptera is in dit licht interessant, omdat er een extra ’trucje’ in is toegepast om, met evenveel facetjes, veel meer licht te kunnen opvangen. Dat kan zeer handig zijn, bijvoorbeeld om ook in de schemering nog iets te kunnen zien.
Elk facetje blijkt hier niet één, maar zéven zintuigcellen (receptoren) te bevatten, waarvan de buitenste zes zich in een vast patroon om de middelste heen hebben gegroepeerd. Je zou kunnen zeggen dat zo’n facetje zelf weer een primitief soort enkelvoudig oogje is geworden, dat slechts in zeven verschillende richtingen kan kijken. Maar om nu te voorkomen dat bij het combineren van al die oogjes alles door elkaar heen gaat lopen, is een goede coördinatie tussen de zintuigcellen onontbeerlijk, in de vorm van een neuraal netwerkje. Om dat te kunnen onderzoeken ontwikkelde Van Hateren een geheel nieuwe, in zijn ogen “unieke” methode.
Intact
Om te beginnen boort hij een klein gaatje achterin het ’schedeltje’ van de vlieg. Door dat gaatje gaat een dun slangetje, dat dit keer geen vloeistof maar licht aanvoert. Dit licht valt van achter naar voren door de facetjes van het oog, waarbij de afzonderlijke zintuigcelletjes optreden als lichtgeleiders, als waren het glasvezelkabeltjes. Daardoor worden ze aan de voorkant zichtbaar door een microscoop als oplichtende puntjes. Door nu op het zo zichtbaar gemaakte patroon van zintuigcellen van de voorkant zeer smalle lichtbundeltjes te projecteren, met behulp van een serie lenzen en spiegels, kan elke willekeurige zintuigcel apart gestimuleerd worden.
Het resultaat van deze stimulus, een electrisch signaaltje, kan nu met een in het oog geprikte flinterdunne glaselectrode worden opgevangen. De hele operatie vindt plaats op een intacte, dat wil zeggen levende vlieg, die ergens diep verscholen tussen de apparatuur met handen en voeten is vastgeplakt.
Dankzij deze techniek kon Van Hateren een deel van het neurale netwerkje ontrafelen. Het bleek dat elk van de zes aan de buitenkant liggende zintuigcellen in verbinding staat met de vijf cellen uit omringende facetjes, die licht uit één zelfde richting opvangen. Die verbindingen bestaan uit zogeheten ’electrische ‘synapsen’. Bovendien worden de signaaltjes van die zes uiteindelijk nog eens bij elkaar opgeteld tot één groter signaal in ’chemische synapsen’, wat met een mooi woord ook wel neurale superpositie heet.
Bio-chips
Op deze manier is nu een aardig beeld verkregen van de werking van de eerste stappen in de ‘image-processing’. Op andere Europese universiteiten, in Cambridge, Marseille en Berlijn, kijkt men naar andere schakels in het proces. Samen met de Groningse werkgroep is men verbonden in het project ‘Image processing in the Insect Retina and Lamina’.
Dankzij een speciale Europese subsidie voor reis- en verblijfkosten in het buitenland is er intensief contact tussen de onderzoekers in de verschillende landen. Bovendien zijn allen aangesloten op het Europese computer-netwerk EARN. Dat maakt het bijvoorbeeld mogelijk om meetresultaten van een collega uit Cambridge over te seinen naar Groningen, hier theoretisch te bewerken, en weer terug te sturen naar Engeland. Van Hateren: “Het is soms bijna of hij in de kamer hiernaast zit.”
Welke mogelijkheden zou de kennis van dit soort neurale netwerken nu op den duur kunnen opleveren, zonder het fundamentele karakter van het onderzoek aan te willen tasten? In eerste instantie is er toepassing in de ontwikkeling van speciale bio-chips, die de werking van neurale netwerken simuleren, zodat er ook meerdere acties tegelijk mee uitgevoerd kunnen worden.
De experimenten tot nu toe gedaan leveren inderdaad razendsnelle chips op. Zo snel zelfs, dat ze de menselijke hersenen lijken te kunnen gaan verslaan. Maar een beter begrip van de werking van oog en hersenen zal uiteindelijk ook leiden tot vooruitgang in de ’computer-image-processing’.
Het onderzoek van Van Hateren zou trouwens niet het eerste onderzoek naar insecten-ogen zijn dat toepassing vindt in de computerwereld. De ontdekking van een geribbeld, reflectiewerend laagje op het oog van motten leidde bijvoorbeeld tot de ontwikkeling van een speciaal soort compact disk.
Huygens-stipendium
Enige tijd geleden kreeg Van Hateren erkenning als veelbelovend onderzoeker door de toekenning van een ’Huygens-stipendium’; een persoonsgebonden vorm van onderzoeks-subsidie voor vijf jaar. Jaarlijks zal die aan 10 Nederlandse onderzoekers worden verstrekt door de stichting Zuiver Wetenschappelijk Onderzoek (ZWO). De gelukkige mag zelf weten bij welke universiteit het ontvangen subsidiegeld wordt opgemaakt.
Van Hateren wil die vijf jaar vooral gebruiken om verder in te gaan op de werking van neurale netwerken, een vakgebied dat tegenwoordig al wordt aangeduid als neuro-informatica.
In aanvulling op de door hem zelf ontwikkelde methodieken wil hij gebruik gaan maken van een nog recentere methode, waarbij het niet meer nodig is om electrische signalen van de zenuwcellen af te leiden met een electrode. Door spannings-afhankelijke kleurstoffen in de uitwendige membraan van de zenuwcellen in te brengen, kan na stimulatie het effect bij wijze van spreken door een microscoop worden bekeken. En dat biedt hem de nog ongekende mogelijkheid om tegelijkertijd naar een groter aantal zenuwcellen te kijken.