Ons brein creëert onbewust een systeem van representaties dat ons in staat stelt onszelf in de ruimte te lokaliseren en huidige gebeurtenissen te koppelen aan herinneringen. Elementen zoals ramen, deuren, meubelopstellingen en de plaatsing van boeken worden direct in onze geest geregistreerd. Wanneer we een kamer via een gang verlaten, ontstaat er een mentale kaart, geweven door de elektrische activiteit van honderden neuronen, die zich in ons bewustzijn vormt. Deze kaart helpt ons veranderingen in textuur van muren waar te nemen, signalen te identificeren die onze locatie aangeven, en te herkennen dat het passeren van een deur ons terugbrengt naar dezelfde kamer vanaf de tegenovergestelde zijde, wat suggereert dat de gang circulair is. Op dit moment sluit ons brein een cyclus, waarbij de mentale representaties van het begin en einde van de reis met elkaar worden verbonden.
Een recente studie, gepubliceerd in het tijdschrift *Neuron*, heeft voor het eerst aangetoond dat informatie over onze omgeving geometrisch is georganiseerd in het brein. Onderzoekers analyseerden de activiteit van honderden neuronen in de hippocampus, een gebied dat cruciaal is voor geheugen en navigatie. In het geval van de kamer en de gang neemt deze representatie de vorm aan van driedimensionale ringen. Telkens wanneer een muis door de gangen van een doolhof navigeert, activeren zijn neuronen langs een traject dat een volledige cirkel voltooit in een abstracte ruimte: een ring die de gehele ervaring van de reis vertegenwoordigt.
Fascinerend is dat niet alle neuronen gelijk bijdragen. Sommige coderen zeer specifieke sensorische informatie, zoals de textuur van de vloer, de aanwezigheid van een beloning, of de richting van bochten in het doolhof. Andere daarentegen registreren en gebruiken informatie die extern is aan het doolhof om de representatie te organiseren, waarbij ze vertrouwen op signalen uit de bredere omgeving, zoals de locatie ten opzichte van de kamer waarin het zich bevond of de positie van een referentieobject, om een stabiele oriëntatie te behouden. Deze verschillende neuronale populaties vormen parallelle ringen in de ruimte van de neuronale activiteit, maar dienen verschillende functies. Wanneer alles correct functioneert, werken ze gecoördineerd om stabiliteit aan de ervaring te bieden.
Echter, als iets ons desoriënteert, zoals rondgedraaid worden of de ogen bedekt krijgen terwijl we ergens anders heen worden geleid, komen andere mechanismen in het spel. In dergelijke gevallen blijft een van deze representaties vaststaan en fungeert als een intern kompas, wat helpt de perceptie van de omgeving te handhaven. Andere neuronen oriënteren zich opnieuw om de verandering te representeren. Deze mentale heroriëntatie geeft ons de zekerheid dat we georiënteerd zijn. De ruimte is de gebruikelijke container voor onze ervaringen. Het feit dat het brein zijn structuur met precieze geometrische vormen codeert, opent nieuwe wegen om te begrijpen hoe we denken, herinneren en ons oriënteren in de wereld.
Het onderzoek naar de geometrie en topologie van hersenactiviteit is een opkomend veld dat wiskunde en datawetenschap combineert met de meest geavanceerde bio-engineering tools toegepast op hersenonderzoek. Tegenwoordig kunnen we neurontypen identificeren op basis van hun genetische profiel, zoals exciterende, inhiberende en dopamine-producerende neuronen, en deze modificeren om fluorescerende eiwitten tot expressie te brengen die ons in staat stellen hun activiteit in realtime te visualiseren en te controleren. Deze benaderingen maken een veel dieper begrip mogelijk van hoe het brein zijn interne kaarten construeert. Elke ontdekking helpt niet alleen de biologische fundamenten van geheugen en oriëntatie te ontcijferen, maar effent ook de weg voor nieuwe toepassingen in neurotechnologie, kunstmatige intelligentie en, misschien ooit, in de behandeling van neurologische aandoeningen waarbij deze kaarten verslechteren, zoals Alzheimer.
Het onderzoek naar de geometrische structuur van de hippocampus, zoals gepubliceerd in *Neuron*, onthult dat de hersenen inderdaad gebruik maken van geometrische principes, zoals hyperbolische geometrie, om ruimtelijke informatie te representeren. Dit suggereert dat de hersenen efficiënt omgaan met informatie door deze op een gestructureerde, geometrische manier te organiseren. Deze bevindingen kunnen ook helpen verklaren waarom bepaalde neurologische aandoeningen, zoals Alzheimer, leiden tot desoriëntatie en problemen met ruimtelijke navigatie, aangezien de onderliggende mechanismen voor het creëren van deze 'kaarten' verstoord raken. De ontwikkeling van neurotechnologieën, die gericht zijn op het begrijpen en beïnvloeden van hersenfuncties, biedt potentieel nieuwe wegen voor zowel het verbeteren van ons begrip van deze processen als voor het ontwikkelen van behandelingen voor aandoeningen die het ruimtelijk geheugen en de navigatie beïnvloeden.