Wanneer de hersenen onder druk staan, beginnen bepaalde neurale signalen synchroon te oscilleren – net als een goed ingestudeerd orkest. Een nieuw onderzoek, uitgevoerd aan de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz (JGU), laat voor het eerst zien hoe flexibel deze neurale synchronie zich aanpast aan verschillende situaties en dat deze dynamische coördinatie nauw samenhangt met cognitieve vaardigheden.

“Specifieke signalen in het middenfrontgebied van de hersenen zijn beter gesynchroniseerd bij mensen met hogere cognitieve vaardigheden – vooral tijdens veeleisende denkfasen,” legt professor Anna-Lena Schubert van het Instituut voor Psychologie aan de JGU uit, eerste auteur van het onderzoek dat onlangs werd gepubliceerd in het Journal of Experimental Psychology: General. De onderzoekers richtten zich op het midden frontale gebied van de hersenen en de meetbare coördinatie van zogenaamde theta-golven. Deze hersengolven oscilleren tussen vier en acht hertz en behoren tot de langzamere neurale frequenties. “Ze hebben de neiging op te treden wanneer de hersenen bijzonder op de proef worden gesteld, bijvoorbeeld wanneer we ons concentreren of wanneer we ons gedrag bewust onder controle moeten houden,” zegt Schubert, die aan het hoofd staat van het Laboratorium voor Analyse en Modellering van Complexe Gegevens aan de JGU.

Mensen met sterkere theta-connectiviteit in het middenfrontgebied zijn vaak beter in staat om zich te concentreren ondanks afleidingen

De 148 deelnemers aan het onderzoek, tussen 18 en 60 jaar oud, deden eerst tests om hun geheugen en intelligentie te beoordelen voordat hun hersenactiviteit werd opgenomen met behulp van elektro-encefalografie (EEG). Deze procedure meet kleine elektrische signalen in de hersenen met elektroden die op de hoofdhuid worden bevestigd en is een bewezen techniek om nauwkeurig inzicht te krijgen in cognitieve processen. Tijdens de EEG-opname voerden de deelnemers drie mentaal veeleisende taken uit om de cognitieve controle te beoordelen.

De onderzoekers waren geïnteresseerd in het vermogen van de deelnemers om flexibel te schakelen tussen veranderende regels, wat een essentieel aspect is van intelligente informatieverwerking. Deelnemers moesten bijvoorbeeld op een knop drukken om te beslissen of een getal even of oneven was en kort daarna of het groter of kleiner dan vijf was. Elke regelverandering vereiste een snelle aanpassing van mentale strategieën – een proces dat de onderzoekers in staat stelde om de coördinatie van netwerken in de hersenen in realtime nauwkeurig te observeren.

Het resultaat: individuen met hogere cognitieve vaardigheden vertoonden een bijzonder sterke synchronisatie van theta-golven op cruciale momenten, vooral tijdens het nemen van beslissingen. Hun hersenen waren beter in staat om gefocuste gedachten vast te houden als het er op aan kwam. “Mensen met een sterkere theta-connectiviteit in het midden frontale gebied zijn vaak beter in staat om zich te concentreren en afleidingen te blokkeren, of het nu een mobiele telefoon is die trilt terwijl ze werken of een boek proberen te lezen in een druk treinstation,” legde Schubert uit.

Studie geeft belangrijk inzicht in hoe intelligentie werkt op neuraal niveau

Professor Anna-Lena Schubert was vooral verrast door hoe nauw deze coördinatie van hersenritmes verbonden is met cognitieve vaardigheden. “We hadden niet verwacht dat het verband zo duidelijk zou zijn,” zei ze. De doorslaggevende factor was niet continue synchronisatie, maar het vermogen van de hersenen om de timing flexibel en contextueel aan te passen – zoals een orkest dat een ervaren dirigent volgt. Het midfrontale gebied zet vaak de toon voor deze coördinatie, maar het werkt samen met andere gebieden van de hersenen. Deze midfrontale theta connectiviteit lijkt vooral relevant te zijn wanneer beslissingen worden genomen, maar niet tijdens mentale voorbereiding op nieuwe taakregels.

Eerdere EEG studies naar cognitieve prestaties onderzochten meestal activiteit in geïsoleerde hersengebieden. In tegenstelling tot deze studie is er gekozen voor een netwerkgebaseerde benadering en is onderzocht hoe verschillende gebieden interacteren tijdens meerdere taken om stabiele, overkoepelende patronen te identificeren. De resultaten laten zien dat individuele verschillen in cognitieve prestaties gerelateerd zijn aan het dynamische netwerkgedrag van de hersenen. Volgens de onderzoekers zijn potentiële toepassingen zoals op de hersenen gebaseerde trainingstools of diagnostiek nog ver weg. De studie zou echter een belangrijke basis leggen voor het begrijpen van hoe intelligentie werkt op neuraal niveau. In een vervolgstudie, waarvoor momenteel deelnemers van 40 jaar en ouder uit de Rijn-Main regio worden geworven, zal worden onderzocht welke biologische en cognitieve factoren dit type efficiënte hersencoördinatie extra ondersteunen en welke rol andere cognitieve vaardigheden zoals verwerkingssnelheid en werkgeheugen spelen.