Hoe zien baby's de wereld?

Heather Kosakowski houdt een baby vast die op het punt staat te worden gescand in een fMRI-machine van het McGovern Institute for Brain Research. CAITLIN CUNNINGHAM

Het is Ursula's derde keer in de functionele MRI-machine. Heather Kosakowski, een promovendus in de cognitieve neurowetenschappen, hoopt slechts twee kostbare minuten aan gegevens van haar sessie te krijgen. Hoewel Ursula is geboekt om haar hersenen twee uur lang te laten scannen, is het verre van zeker. Haar eerste twee sessies, ook geboekt voor elk twee uur, leverden samen slechts acht minuten bruikbaar materiaal op.

De taak grenst aan het onmogelijke. Kosakowski heeft Ursula nodig om zowel wakker te blijven, geprojecteerde beelden van gezichten en scènes te bekijken, als heel stil, idealiter seconden of zelfs minuten per keer. Elke beweging en beweging vertroebelt de MRI-scan, verduistert het beeld en maakt het onbruikbaar. Maar Ursula heeft de neiging om te kronkelen en dan onvermijdelijk in slaap te vallen - precies wat je zou verwachten van een baby van zes maanden oud.

Het scannen van de hersenen van baby's terwijl ze wakker zijn, is ongelooflijk moeilijk en tijdrovend, en er is altijd een risico dat een sessie helemaal geen gegevens oplevert. Een gemotiveerde volwassene is in staat om twee uur perfect stil te blijven zitten, wat hersenbeelden oplevert die lezen als een open boek. Ursula's sessies produceren iets dat meer lijkt op een boek dat is verscheurd en in een rivier is gegooid. Kosakowski, die gezamenlijk wordt geadviseerd door de professoren cognitieve neurowetenschappen Nancy Kanwisher '80, PhD '86, en Rebecca Saxe, PhD '03, moet de bruikbare secties zorgvuldig uitvissen en aan elkaar naaien voordat ze het verhaal dat ze onthullen kan lezen.

Heather is waarschijnlijk de meest bekwame persoon op dit moment in het verkrijgen van functionele MRI-gegevens van hoge kwaliteit van menselijke baby's, zegt Kanwisher, de Walter A. Rosenblith-hoogleraar Cognitive Neuroscience.

Als Kosakowski niet de twee minuten aan stilstaande hersenbeelden krijgt die ze nodig heeft, is het mogelijk dat Ursula's twee eerdere bezoeken voor niets zijn geweest. Maar als ze een duidelijke fMRI-meting kan krijgen, zal ze een stap dichter bij het beantwoorden van een van de meest diepgaande vragen in de moderne neurowetenschap zijn: wat zijn de fysieke fundamenten van de menselijke geest?

Een verre droom

Kosakowski is geen onbekende in het overwinnen van obstakels. Haar jeugd werd gekenmerkt door het soort instabiliteit dat elke vorm van hoger onderwijs onbereikbaar maakte. Haar vader zat in het leger, dus haar familie verhuisde veel. Toen scheidden haar ouders en namen de moeilijkheden toe. Toen ze ongeveer zeven was, verhuisden zij en haar moeder naar een daklozenopvang en op 11-jarige leeftijd werd Kosakowski in een pleeggezin geplaatst in West-Massachusetts. Een bachelordiploma hebben was altijd mijn droom, zegt ze, maar ze noemt haar eerste poging op de universiteit een akelige mislukking.

Kosakowski met baby Ursula na haar fMRI-scan.

RACHEL FRITTS

Ik stopte, ik was dakloos en had geen baan, en toen maakte ik mijn auto total loss en dacht ik, wat ga ik doen met mijn leven? herinnert ze zich. Ze besloot bij het Korps Mariniers te gaan, maar hoopte dat ze op een dag een tweede kans zou krijgen op de universiteit.

Na een aantal jaren in het leger, verliet Kosakowski de mariniers en keerde terug naar Massachusetts, waar hij zich parttime inschreef aan het Massachusetts Bay Community College. Misschien, dacht ze, was een bachelor toch niet zo ver weg. Ze zette haar zinnen op Smith College, waar ze werd opgenomen. Maar rond de tijd dat ze dat nieuws kreeg, kreeg ze ook nog een ander: ze was zwanger.

Kosakowski ging die herfst nergens naar de universiteit, maar haar leergierigheid bleef bestaan. Haar natuurlijke nieuwsgierigheid vond een uitlaatklep in haar baby, Hannah, die in oktober werd geboren. Ze zag Hannah voor het eerst gras ervaren in de lente, verheugd over hoe ze reageerde op dit vreemde nieuwe materiaal dat de grond bedekte. Terwijl Hannah haar omgeving verkende, bleef Kosakowski zich afvragen hoe de dingen er vanuit haar perspectief uitzagen. Wat ervoer ze? Hoe begreep ze de wereld om haar heen?

Toen Hannah twee was, kreeg Kosakowski een baan bij een non-profitorganisatie die zich bezighield met het versnellen van onderzoek naar multiple sclerose, waardoor ze de kans kreeg om een ​​neurowetenschappelijke conferentie bij te wonen. Daarna was ik een beetje hooked, zegt ze. Ik had zoiets van, oké, wat ik echt wil doen, is onderzoek, en om onderzoek te doen, heb ik een diploma nodig. Ik moet terug naar school.

Kosakowski werd toegelaten tot Wellesley College - een school die ze jaren eerder had afgeschreven omdat het zo competitief was. Ze raakte gefascineerd door neurowetenschappen en overstelpt haar professoren met vragen totdat iemand zei: Heather, op sommige van de vragen die je stelt, weet niemand het antwoord. Je zou een doctoraat moeten halen.

Ik bleef maar scannen

Net toen Kosakowski afstudeerde aan Wellesley, was Saxe op zoek naar een manager voor haar laboratorium, dat een van de weinige laboratoria ter wereld was die baby's in MRI's bestudeerde terwijl ze wakker waren - en bijgevolg een van de enige die Kosakowski's vragen konden beantwoorden over de aard van kindercognitie. Ze solliciteerde naar de functie en kreeg die.

Toen haar pleegzus een baby kreeg, ging Kosakowski naar Saxe en vroeg of ze kon leren hoe ze de fMRI kon gebruiken om de hersenen van de baby te scannen. Ik denk dat ze dacht dat ik gewoon mijn nichtje zou scannen en er klaar mee was, zegt Kosakowski. Maar ik bleef maar scannen en ze zei nooit dat ik moest stoppen. Saxe, onder de indruk van Kosakowski's werk en vastberadenheid, stemde ermee in haar aan te nemen als afstudeerstudent. In 2017 zegde ze haar baan als labmanager op en begon haar eerste semester als promovendus aan het MIT.

Kanwisher herinnert zich nog de eerste keer dat ze Kosakowski een baby zag scannen in de MRI. Ze overwoog om met Kosakowski en Saxe samen te werken aan hun babystudie, maar aanvankelijk was ze zeer sceptisch. Deze jongen gilt als een gek. De moeder is zenuwachtig. Het geheel is stressvol. En dit gaat maar door en Heather geeft niet op, zegt ze. Dan - boem. De wolken verdwijnen, het kind lacht, Heather stopt het kind in de MRI-scanner en even later scant ze prachtige gegevens. Alleen al het doorzettingsvermogen, de vaardigheid, is spectaculair.

Kosakowski's huidige onderzoek richt zich op hoe de hersenen van baby's van slechts twee tot negen maanden oud reageren op korte video's van gezichten of lichamen - en hoe dat verschilt van hun reactie op scènes zonder mensen. Ze is de eerste die bewijs vindt voor dit soort specialisatie bij kinderen onder de vijf jaar. De informatie waar ze naar op zoek is, kan alleen worden gemeten met fMRI. Magnetische resonantie beeldvorming stelt onderzoekers in staat om hoge resolutie foto's te maken van dwarsdoorsneden van de hersenen. Functionele MRI voegt hier nog een laag aan toe, namelijk het opnemen van hersenbeelden activiteit live. Wanneer neuronen in een deel van de hersenen bijzonder actief zijn, neemt de bloedstroom toe om dat gebied van brandstof te voorzien. Dit komt naar voren als een lichtpuntje op fMRI-scans.

Onderzoekers hebben decennialang fMRI gebruikt om te bewijzen dat delen van het volwassen brein zeer gespecialiseerd zijn voor bepaalde taken, en om precies te bepalen welke gebieden gespecialiseerd zijn voor welke functies. De geest en de hersenen hebben al deze structuur. We zijn niet alleen algemeen slim. We zijn op heel specifieke manieren slim over heel bepaalde dingen die mensen doen, zegt Kanwisher. Als je naar de structuur kijkt, zie je deze reeks van tientallen hersengebieden, elk die een heel onderscheidend, ander ding doet ... Het is onmogelijk om daar naar te kijken en je niet af te vragen: 'Hoe is die structuur bedraad?'

Wanneer volwassenen bijvoorbeeld naar gezichten kijken, licht een deel van de hersenen op dat het spoelvormige gezichtsgebied of FFA wordt genoemd. Met andere woorden, als onderzoekers volwassenen in MRI-machines stoppen en ze afbeeldingen van zowel gezichten als objecten laten zien, zal de FFA alleen op gezichten reageren. Het parahippocampale plaatsgebied (PPA) reageert het sterkst op afbeeldingen van scènes. Kanwisher noemde de FFA zelf na het leiden van het team dat het in 1997 ontdekte, en ze leidde de inspanning om de PPA in 1998 te lokaliseren en te beschrijven. Zij en haar collega's ontdekten ook het hersengedeelte dat bekend staat als het extrastriate body area (EBA), dat reageert sterk aan foto's van lichaamsdelen, in 2001.

[Heather] scant de jongste wakkere mensen die iedereen kan scannen en vraagt ​​welke structuur zich binnen een paar maanden na de geboorte in de hersenen bevindt, zegt Kanwisher. En dat is slechts een van de meest opwindende vragen in de psychologie, neurowetenschappen en diepe filosofie: wat is de structuur van onze geest en waar komt deze vandaan?

Voorlopige resultaten van Kosakowski's onderzoek leveren het sterkste bewijs tot nu toe dat sommige functies van onze hersenen misschien eerder aangeboren dan aangeleerd zijn. Baby's hebben ook selectieve reacties op gezichten, lichamen en scènes in de FFA, EBA en PPA, zegt Kosakowski. Niemand heeft dat ooit eerder gevonden. En het was totaal niet te verwachten dat we dat zouden vinden.

In deze hersenscans die zijn vastgelegd van een baby die video's van gezichten en scènes bekijkt, tonen rood en geel activiteit gerelateerd aan het bekijken van gezichten en blauw toont activiteit gekoppeld aan scènes.

HEATHER KOSAKOWSKI

De covid-19-pandemie heeft echter zijn eigen uitdagingen met zich meegebracht. De fMRI-sessies moesten worden opgeschort en ze heeft het afgelopen jaar een groot deel van haar gegevens thuis geanalyseerd. Covid-19 heeft een grote impact op me gehad omdat ik fulltime thuis werk en ook een alleenstaande ouder ben – op dezelfde manier als veel gezinnen met kinderen, zegt Kosakowski. Ze hoopt de kans te krijgen meer baby's te scannen om hun auditieve verwerking te bestuderen voordat ze in mei 2022 afstudeert. Maar Ursula's sessie eind 2019 blijkt een van haar laatste kansen te zijn geweest om waardevolle gegevens voor haar proefschrift te krijgen.

Tijdens die sessie was Ursula in de scanner in slaap gevallen, maar Kosakowski was opgewekt toen het inpakte. Ze was er vrij zeker van dat ze de gegevens had weten te bemachtigen - en ze zou later bevestigen dat ze gelijk had. Toen Ursula's moeder vertrok om MRI-vriendelijke scrubs uit te trekken, schepte Kosakowski de duizelige baby op en hield haar vast terwijl ze voor een computer zat. De onverstoorbare student heeft een griezelig vermogen om baby's gelukkig en ontspannen te houden - een vaardigheid die geen enkel PhD-programma je zal leren, maar een vaardigheid die van onschatbare waarde is wanneer elke extra seconde schone gegevens helpt.

Ten slotte haalde ze het beeld tevoorschijn waarnaar ze op zoek was en wees naar het scherm terwijl Ursula's blik haar vinger volgde. Op een dag zullen we dankzij hun gezamenlijke inspanningen misschien beter begrijpen hoe Ursula het beeld voor haar waarneemt. Kijk! Kosakowski vertelde de baby in haar armen. Dat is jouw brein!

zich verstoppen