Verrassend complexe golven onthullen de innerlijke werking van het brein

Door Conor Feehly 30 september 2026

Ik stap uit bed. Ik loop door de zwak verlichte gang, terwijl ik nadenk over wat er in mijn koelkast staat en wat ik als ontbijt moet nemen. Zonder noemenswaardige inspanning heb ik mijn omgeving genavigeerd, mijn geheugen aangesproken en de energetische toestand van mijn lichaam beoordeeld, allemaal in enkele seconden. Hoe is het brein in staat om dit te doen?

Deels door gebruik te maken van elektriciteit. Het brein besteedt ongeveer de helft van zijn energetische middelen aan het in stand houden van de elektrochemische gradiënten die neuronen gereed maken om op elk moment te vuren. Dit geeft het brein een buitengewone mate van flexibiliteit in het reageren op de eisen van het dagelijks leven. De collectieve elektrische activiteit van veel neuronen kan worden gezien als golven die zich door het brein voortplanten van de ene regio naar de volgende, vergelijkbaar met de opgeheven armen van enthousiaste toeschouwers tijdens een voetbalwedstrijd.

Nieuwe onderzoekslijnen onthullen dat deze golven complexer zijn dan voorheen bekend. Ze worden gewoonlijk gemeten met elektroden en zijn geïdentificeerd als basisplanaire golven: eenvoudig gestructureerde oscillaties in de neurale activiteit. Neurowetenschappers hebben dit traditioneel geïnterpreteerd als het geluid van de motor van het brein die toerentallen maakt; weinig meer dan een teken dat het werkt. Opkomend bewijs bij mensen en dieren suggereert echter dat voortrekkende golven (traveling waves) een centrale rol spelen in hoe het brein functioneert.

"Het werk dat nu naar buiten komt, verschuift de vraag van 'Zijn ze relevant?' naar 'Dit is een belangrijk motief van hoe de cortex informatie verwerkt'," aldus Earl K. Miller, cognitief neurowetenschapper aan het Massachusetts Institute of Technology.

In een studie gepubliceerd in april 2026 in Nature Communications maten neurowetenschappers voortrekkende golven van neurale activiteit en observeerden zij een menagerie: brongolven die uit één locatie lijken te komen, putgolven (sink waves) die convergeren op een plek, en vortexachtige spiraalgolven. Het team, waaronder Joshua Jacobs en Anup Das van de University of Chicago, ontdekte dat verschillende gedragstaken geassocieerd waren met verschillende golfpatronen.

Neuronen kunnen hun verbindingen met hun buren in de loop van de tijd veranderen, maar dit gebeurt meestal op een schaal van dagen of maanden. Gedrag moet echter in seconden worden aangepast. Een aanzienlijk aantal neurowetenschappers gelooft nu dat deze grootschalige golfpatronen kunnen helpen om het brein in realtime te reorganiseren om te voldoen aan de gedragseisen van het wakkere leven.

"Zelfs als de voorttrekkende golf slechts het resultaat was van vurende neuronen, zoals het geluid van de motor, vertelt het ons nog steeds iets zeer interessants over het brein op basis van wat de persoon doet," zei Jacobs. "Als je een geluid in een bepaalde richting over je motor hoort bewegen, betekent dat dat er iets in je motor directioneel is georganiseerd."

Voor en terug

Al sinds de jaren 1920 meten neurowetenschappers de oscillerende elektrische activiteit van het brein met elektroden op het oppervlak van de hoofdhuid via elektro-encefalografie (EEG). Wanneer we ons concentreren, ons iets herinneren of slapen, verandert de grootschalige frequentie van de elektrische activiteit van het brein. Deze verschillende oscillaties staan algemeen bekend als alfa-, bèta-, gamma- en thetagolven en worden gemeten in hertz.

Maar het registreren van elektrische activiteit van buiten de schedel beperkt de getrouwheid van de informatie die je kunt verzamelen. Het laboratorium van Jacobs is gespecialiseerd in intracraniale hersenregistraties. Mensen met ernstige epilepsie kunnen elektroden in hun brein hebben gekregen om de bron van hun aanvallen te helpen lokaliseren. Met ongeveer 100 elektroden in een specifieke hersenregio, en met toestemming van de patiënt, kunnen Jacobs en zijn team data met een hoge resolutie vastleggen — zowel in ruimte als tijd — terwijl de deelnemers verschillende denkstappen uitvoeren.

Jacobs en zijn collaborateur Uma Mohan, nu neuro-engineer bij de National Institutes of Health, maakten deel uit van een team dat deze techniek gebruikte om hersenactiviteit tijdens geheugentaken te observeren. In een studie gepubliceerd in Nature Human Behavior in 2024 beschreven ze golven die in tegenovergestelde richtingen over het buitenste deel van het brein, de cortex, bewogen. "Ze gaan ofwel van achteren naar voren of van voren naar achteren over het brein," zei Jacobs.

Jacobs stelde dat een goede manier om dit resultaat te begrijpen is door de golven te zien als de richting van informatievoortplanting. Visuele regio's bevinden zich aan de achterkant, en de prefrontale cortex, de "hogere" geheugenregio, bevindt zich aan de voorkant. Als je let op wat je ziet, reizen signalen achterwaarts van de receptoren in je ogen naar de visuele cortex, en vervolgens voorwaarts naar de rest van het brein via de golf om een herinnering te vormen. "De handtekening daarvan is dat je golven ziet die van de achterkant van het brein naar de voorkant gaan," zei Jacobs.

"We dachten dat dit een manier was waarop het brein deze organisatie benutte om op een snelle tijdschaal te schakelen tussen functies voor het coderen en het ophalen van herinneringen, afhankelijk van waar je brein op dat moment ondersteuning bij nodig heeft," legde Mohan uit.

Verschuivende patronen

Het onderzoek uit 2026 van Jacobs en Das maakte dit beeld complexer. Het toonde aan dat deze golven veel diversere vormen, patronen en rimpelingen kunnen aannemen, die veel verder gaan dan die gecreëerd door eenvoudige op-en-neer en achter-naar-voor bewegingen.

In het experiment vroeg het team deelnemers om twee geheugentaken uit te voeren. De eerste was een eenvoudige verbale geheugenexercice, waarbij ze woorden moesten herinneren die ze op een scherm hadden gezien. De tweede was een complexere ruimtelijke taak: ze navigeerden door een virtuele omgeving en moesten de locaties van objecten die ze tegenkwamen herinneren.

Met de methode met hoge resolutie observeerden Jacobs en Das voor het eerst twee nieuwe klassen golven bij wakkere mensen. De ene, die uit een gebied van de cortex voortkwam, was een concentrische golf, zoals de rimpelingen van een steen die in een meer wordt gegooid, of het omgekeerde, waarbij golven convergeren op één regio. De andere was een roterende spiraalgolf die in een wind- of tegenwijzerrichting bewoog, zoals een hurricane of een doorspoelend toilet.

"We zien de roterende golf iets vaker bij de ruimtelijke taak dan bij de verbale taak, die neigt naar een eenvoudigere structuur," zei Jacobs. "Dit lijkt erop te suggereren dat deze roterende golven beter geschikt zijn voor het uitvoeren van complexere geheugenprocessen."

Jacobs merkte op dat onderzoekers al lang intracraniale registraties bij mensen maken, maar dat ze vaak slechts naar één elektrode tegelijk, of naar een handvol elektroden keken. Dit gaf de indruk van eenvoudige golven over de hele buitenste cortex. Jacobs realiseerde zich dat, als je kijkt naar groepen elektroden die op de juiste afstand van elkaar staan, de structuur en directionaliteit van de golven duidelijker wordt.

Wiskundig bioloog Bard Ermentrout van de University of Pittsburgh, die naar soortgelijke patronen bij muizen had gekeken, denkt dat de eenvoudige golfpatronen uit het verleden eigenlijk onderdeel waren van complexere golven. Tot voor kort hadden onderzoekers echter geen toegang tot elektroden die op de juiste locaties of op de juiste ruimtelijke schaal waren geplaatst om het grotere patroon te vatten.

"Misschien zijn de planaire golven gewoon de buitenarmen, waarbij je het oog van de storm mist," zei Ermentrout, mede-auteur van het artikel uit april 2026. "In een hurricane voel je de wind alleen in één richting gaan. Je weet niet dat hij draait, tenzij je vlakbij het oog bent."

Omdat het onderzoek alleen data verzamelt van locaties waar patiënten elektroden hebben gekregen als onderdeel van hun epilepsiebehandeling, zei Jacobs dat we mogelijk missen hoe alomtegenwoordig deze patronen werkelijk zijn.

Meer dan alleen de motor

Hoewel er nog geen consensus is over wat deze golven in het lokale elektrische veld van het brein precies doen, geloven sommige wetenschappers dat ze een alternatieve weg bieden voor het brein om activiteit tussen regio's te coördineren. Miller stelde dat deze golfpatronen veel dynamischer en flexibeler zijn dan de stabiele, meer architecturale verbindingen tussen neuronen. Voor Miller is het logisch dat het brein deze emergente, biofysische organisatielaag benut die verschuift en beweegt op dezelfde tijdschaal als het gedrag.

"De architectuur van het brein is erg belangrijk, en de voorttrekkende golven volgen doorgaans de anatomie, maar ze volgen deze niet strikt. [...] De connectiviteit is meer als de informatie die in het brein is ingebakken voor langetermijnopslag, en de golven treden op wanneer die informatie wordt uitgedrukt in termen van gedachten en neurale verwerking," zei Miller.

De golven zouden relevant kunnen zijn voor diverse hersenfuncties. Studies hebben aangetoond dat ze een rol spelen bij sensorische verwerking, voorspelling en het moduleren van de onderliggende prikkelbaarheid van neuronen, waardoor ze meer of minder geneigd zijn om te vuren wanneer dat nodig is.

Een artikel gepubliceerd in Science in juni 2026 bevestigt de resultaten die door Jacobs en zijn team bij menselijke epilepsiepatiënten zijn gevonden. Neurowetenschappers Zhiwen Ye van de Shenzhen Medical Academy of Research and Translation en Nicholas Steinmetz van de University of Washington observeerden eveneens circulaire, roterende golven, maar ditmaal in de hersenen van muizen. Opvallend genoeg waren deze golven gespiegeld en gesynchroniseerd tussen het linker- en rechterhemisfeer. Bovendien waren in de somatosensorische cortex — waar informatie van de zintuigen wordt geïntegreerd met lichaamsbewegingen — axonale neuronen verbonden in een spiraalvormige, circulaire rangschikking. Dit zou de productie van deze hurricane-achtige golven kunnen faciliteren.

"Wat we ontdekten, was dat er een circuit is, een verbinding van cellen om deze golven te vormen, om deze golven te bemiddelen," zei Ye. "Als ze niet belangrijk zouden zijn, waarom zou het brein deze cellen dan op deze manier bedraden?"

In een review-artikel gepubliceerd in september 2026 in Neuron betoogden hoofdauteurs Lyle Muller van de University of Texas at Dallas en John Reynolds van het Salk Institute for Biological Studies, op basis van decennia aan neurowetenschappelijke bevindingen, dat voorttrekkende golven in de visuele cortex kunnen helpen bij het voorspellen van komende sensorische informatie. Ze beschreven hoe evoluerende patronen informatie kunnen dragen over wat het brein zojuist heeft ervaren, samen met wat het nu ervaart, om het brein te helpen korte-termijnvoorspellingen te doen over wat het waarschijnlijk als volgende zal ervaren.

De golven in het lokale elektrische veld kunnen een sleutelrol spelen in cognitie, aldus Miller, met het vermogen om de onderliggende neurale machinerie te exciteren of te inhiberen. Hij beschrijft neuronen in de cortex als "Humpty Dumpty die op een muurtje zit", balancerend op de rand van vuren. Deze oscillerende elektrische activiteit kan de voltagegradiënt bij de synapsen die neuronen verbinden veranderen, waardoor ze in de toekomst meer of minder geneigd zijn om te vuren.

Niet iedereen is overtuigd van de hypothese dat voorttrekkende golven in het lokale elektrische veld een rol spelen in hoe het brein informatie verwerkt. Voor György Buzsáki, een systeemneurowetenschapper aan New York University, zijn golven louter een reflectie van wat er onderdoor gebeurt, op het synaptische niveau. Hoe meer neuronen er zijn, en hoe synchroner ze zijn, hoe sterker het elektrische veld en de oscillaties daarin zullen zijn. De patronen kunnen ons interessante dingen vertellen over de onderliggende circuitry, maar daar houdt het op, volgens Buzsáki. "De stroom die wordt gegenereerd, wordt gedaan door synapsen," zei hij. "Wanneer stroom het neuron ingaat, voeren ze hun berekening uit en genereren hun actiepotentialen en communiceren ze met elkaar. Je hebt niets nodig dat gebeurt in de extracellulaire ruimte."

Hoewel de werkelijke aard van wat deze golven eventueel doen nog niet volledig is vastgesteld, groeit het bewijs dat ze belangrijk kunnen zijn voor hoe het brein informatie in realtime organiseert, verwerkt en uitdrukt.

"Biologie maakt gebruik van regelmaat en voorspelbaarheid, en deze golven vertonen georganiseerd, voorspelbaar gedrag in associatie met cognitieve functies," zei Miller. "Als dat je niet vertelt dat er iets aan de hand is, weet ik niet wat dat dan wel doet."