Een nieuw wiskundig raamwerk beschrijft hoe de hersenen ritme verwerken en een maat vasthouden. Het onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Chaos, biedt een potentieel nieuw middel om complexe hersenaandoeningen zoals schizofrenie en de ziekte van Parkinson, die vaak worden gekenmerkt door een verstoord ritme, te begrijpen en te diagnosticeren.

"Mensen en andere dieren synchroniseren met ritmische gebeurtenissen in hun omgeving. De hersenmechanismen die aan dit vermogen ten grondslag liggen, worden echter nog steeds slecht begrepen", zegt hoofdauteur Charles Schroeder, universitair hoofddocent aan het Center for Neural Science en de afdeling Psychologie van de New York University. "Ons model biedt inzicht in hoe de hersenen zowel op beat gebaseerde synchronisatie als flexibele aanpassingen aan tempoveranderingen in de omgeving bereiken."

Het wiskundige model van Schroeder en zijn team richt zich op de rol van de basale ganglia, een hersenstructuur die betrokken is bij motorische controle en leren. De wetenschappers combineerden hun wiskundige analyse met gedragsgegevens uit een eerder onderzoek om experimentele ondersteuning te bieden voor de voorspellingen van hun model.

Het model suggereert dat de hersenen twee gekoppelde neurale populaties hebben:de ene vertegenwoordigt een regelmatige, op beat gebaseerde timing (een metronoomachtig mechanisme), en de andere, een instelbare neurale oscillator waarmee de hersenen hun interne ritme flexibel kunnen aanpassen aan externe ritmeveranderingen.

De experimentele validatie van het model kwam tot stand door een muzikale taak uitgevoerd door menselijke proefpersonen. Deelnemers luisterden naar een reeks tonen waarvan het ritme geleidelijk in snelheid toe- of afnam, en ze tikten met hun vingers op de maat. Onderzoekers maten de nauwkeurigheid van het tikken van de deelnemers en ontdekten dat deze nauw overeenkwam met de voorspellingen van het model:individuen werden aanvankelijk vertraagd ten opzichte van de daadwerkelijke tel, maar pasten zich uiteindelijk aan en tikten nauwkeurig naarmate het tempo veranderde.

"Een opvallende bevinding was dat mensen de neiging hadden om tijdens tempo-overgangen te synchroniseren met de verwachte in plaats van met de werkelijke maat", merkt Schroeder op. "Dit suggereert dat de hersenen actief de toekomstige locatie van de beat voorspellen, in plaats van er simpelweg op te reageren."

De auteurs zeggen dat hun model – de eerste wiskundige beschrijving van de gekoppelde neurale populaties waarvan men denkt dat ze ten grondslag liggen aan op beat gebaseerde synchronisatie – het potentieel heeft om een ​​breed scala aan gedragingen te helpen verklaren, van dansen en muziek tot sociale coördinatie en taalverwerking.

"Wij geloven dat de dubbele oscillatorarchitectuur inzicht zal verschaffen in hoe neurale processen zich afstemmen op en zich aanpassen aan ritmische sensorische input, wat cruciaal is voor het begrijpen van een reeks cognitieve functies", zegt Schroeder.