Je leest:

It’s all in the brain

It’s all in the brain

Auteur: | 10 april 2004

Al honderdvijftig jaar onderzoeken wetenschappers ons meest complexe orgaan: het brein. Niemand kon ooit vermoeden hoeveel meer we nu weten, maar eigenlijk weten we nog steeds erg weinig. Neurobioloog professor Wytse Wadman zet in een interview de huidige kennis van de werking van het menselijk brein uiteen: neurale netwerken, flexibele hersenen en bewustzijn in vogelvlucht.

De hersenen zijn oneindig veel groter en complexer dan welk ander systeem op aarde, stelt neurobioloog Wytse Wadman van de Universiteit van Amsterdam al aan het begin van het interview. Laat dat even duidelijk zijn. Hij vindt het dan ook geen schande dat we ondanks jarenlang intensief onderzoek nog lang niet alles weten over die ‘grijze massa’. Ons brein bestaat uit 1013 neuronen. We beseffen zelden hoeveel cellen dit zijn. Doordat elk neuron ook nog eens contact maakt met zo’n vijftigduizend andere neuronen bestaan er verschrikkelijk veel manieren waarop zij in verbinding kunnen staan met elkaar. “Kun je nagaan hoeveel wegen berichten in onze hersenen kunnen volgen.”

Wadman verbaast zich nog steeds over de mogelijkheden die de grote omvang van het menselijk brein met zich meebrengt. De basisprincipes van het slakkenbrein zijn niet anders dan die van een mensenbrein, zegt hij. Onze neuronen zijn niet slimmer, kunnen niet meer en variëren niet meer. Het aantal verschillende neurotransmitters ligt bij de slak misschien wat lager maar het enige echt grote verschil is de omvang. De kracht van onze hersenen moet dus zitten in de grote groepen neuronen die onderling samenwerken.

Hoe organiseren de hersenen zo’n complex systeem? Met deze vraag kampen de neurobiologen van vandaag. Wadman: “Een aantal basisgedachten hierover bestaat er wel; genoeg in ieder geval om goed onderzoek te kunnen doen. Wat vaststaat, is dat wanneer je het brein niet traint het uiteindelijk niks kan. Kijk maar naar sporten. Niet iedereen kan het even goed maar je kunt het wel aanleren. Maar als je vraagt hoe het bestaat dat je de wortel uit negen kunt berekenen, dan kunnen we dat niet in termen van neuronen analyseren.”

Zenuwcellen sturen actiepotentialen naar elkaar via lange uitlopers. MediaGraphX

Zenuwcellen

De menselijke hersenen bestaan uit ongeveer 1013 zenuwcellen: de neuronen. Al deze neuronen samen sturen functies zoals lopen, praten, denken en voelen. Pas vijftig jaar geleden ontdekten wetenschappers hoe neuronen met elkaar communiceren en dus hoe zij al deze functies uitvoeren. Met het opwekken en doorsturen van actiepotentialen – elektrische berichten – houden zij voortdurend de hersenen op de hoogte over de gesteldheid van lichaam en geest.

De wortels (dendrieten) van de zenuwcellen ontvangen de elektrische signalen van voorgaande neuronen – bijvoorbeeld van neuronen in het visueel systeem, die zelf direct informatie ontvangen uit het oog. De zenuwcel verzamelt alle informatie, soms wel van honderden wortels tegelijk. Hij trekt zijn conclusies en maakt indien nodig zelf nieuwe actiepotentialen aan. Deze stuurt hij vervolgens via een belangrijke uitloper (het axon) door naar de volgende cellen.

Bij de verbinding tussen twee zenuwcellen (de synaps) raken deze cellen elkaar – op een tienduizendste millimeter na – niet. Hier zet de presynaptische cel, ‘de cel vóór de synaps’, het elektrische bericht om in een chemisch bericht. Als reactie op het elektrische signaal geeft deze cel namelijk voorverpakte blaasjes af met bepaalde signaalstoffen: neurotransmitters. Deze reizen naar de volgende postsynaptische zenuwcel, ‘de cel ná de synaps’. In de membraan van deze zenuwcel zitten receptoren die op hun beurt het chemische signaal weer omzetten in een elektrisch bericht. Zo reist alle informatie van zenuwcel naar zenuwcel. De hersenen verwerken de berichten en sturen met dezelfde elektrische signalen tal van functies aan.

Neurale netwerken

“We vermoeden dat aanpassingen in de hersenen – waardoor we leren en dus ook dingen onthouden – tot stand komen door veranderingen in de mate van koppeling van de synaptische verbindingen. Om dit soort grote theoretische problemen echt op te lossen, moet je allereerst een leermodel hebben met leerregels die voor elke cel gelden”, stelt Wadman. “Veel psychologische modellen hebben als het ware een kabouter nodig die aan de hersenen vertelt of het goed gaat of niet. Met een lokale leerregel kan een synaps zélf – alleen afhankelijk van wat er in de cel ervoor of erna gebeurt – bepalen of hij meer of minder koppelingen moet aangaan. Hij hoeft dan niet te telefoneren met een kabouter die alwetend boven in de hersenen zit. Hiervoor zijn de hersenen veel te complex.”

De enige leerregels die tot op heden toepasbaar zijn op zenuwcellen omschrijven de synaps als een soort detector die vaststelt of een bericht belangrijk is of niet. De detector zorgt ervoor dat de synaps alleen zijn koppelingen versterkt wanneer het bericht ongeveer tegelijkertijd aan de voor- en achterkant van de synaps activiteit opwekt. Wanneer dit niet gebeurt, dan is het bericht kennelijk geen nuttige bijdrage. De cel verzwakt dan zijn koppelingswaarde. Zo hoeven de hersenen niet in te spelen op onbelangrijke berichten.

Dit soort lokale leerregels laten op een theoretische manier zien hoe je met individuele cellen een functionerend netwerk kunt maken. Met de juiste regels laat je zo’n netwerk patronen herkennen, leren, geheugen implementeren en associëren. Net zoals het menselijk brein dat doet. Deze zogenaamde neurale netwerken worden ook daadwerkelijk nagebootst op computers. Op basis van leerregels die onderzoekers zelf invoeren, doen zij simulaties. Hiermee krijgen zij grofweg een gevoel voor welke regels belangrijk zijn en welke niet. “Omdat alle vragen omtrent het brein zo ingewikkeld zijn, moet je wel simulaties uitvoeren, al is het alleen om de samenhang van je eigen theorie te controleren”, vertelt Wadman.

Duizend cellen

Computernetwerken halen echter nooit een omvang van 1013 cellen, zoals de hersenen. Toch geeft een netwerk van zo’n duizend cellen – met dezelfde verhoudingen van cellen, verbindingen en neurotransmitters – een goed inzicht. Experimenten en dit soort simulaties moeten volgens de neurobioloog eigenlijk hand in hand gaan.

Behalve dat neurale netwerken de hersenen op kleine schaal nabootsen, voeren zij ook erg goed bepaalde typisch menselijke taken uit waarbij gewone computers het laten afweten. Eén van de fameuze problemen waaraan dit onderwerp wordt opgehangen, is het ‘handelsreizigersprobleem’: hoe vind je de kortste weg langs een groot aantal plaatsen die je elk maar één keer wil bezoeken? De meest korte weg is niet zo moeilijk te bepalen met de wiskunde waarmee computers rekenen. Maar wanneer het aantal steden toeneemt, stijgt het aantal mogelijke wegen met enorme sprongen. Zo wordt het snel een tijdrovende opdracht. Mensen vinden daarentegen snel ongeveer de kortste weg.

Wadman: “Onze hersenen zoeken niet per se naar de allerbeste oplossing, maar wel naar een adequate. Voor een computer geldt daarentegen meestal dat een som goed of fout is; hij is niet ongeveer goed. Neurale netwerken kunnen net zoals de mens in korte tijd redelijke oplossingen uit alle mogelijke oplossingen kiezen.”

Leren

Hoe leren neurale netwerken dan? Bekend is dat neurale netwerken in het begin alle informatie die zij ontvangen tot iets willekeurigs verwerken. Zo gaat dat ook bij baby’s. “Natuurlijk is het babybrein voor een deel voorgeprogrammeerd met essentiële reflexreacties. Anders was de mensheid al lang uitgestorven door verhongering”, grapt Wadman. “Voor de meeste dingen die wij kennen, ligt dat echter anders: onze hersenen hebben ze geleerd. Het leerprincipe is ook niet zo ingewikkeld. Wanneer je een bepaald (blijkbaar belangrijk) patroon steeds weer aanbiedt – bijvoorbeeld het gezicht van de moeder – veranderen de hersenen. Synapsen versterken namelijk wanneer ze steeds op dezelfde manier worden gebruikt. Hierdoor slijpen zulke patronen zich in het netwerk in. Als je later een patroon aanbiedt dat er een beetje op lijkt, dan worden kennelijk de synapsen weer geactiveerd en treedt er versterking van het bericht op.” Zo herken je bijvoorbeeld bepaalde beelden, al naar gelang zij vaker de revue passeren, steeds sneller en beter.

Niet alleen herhaling beïnvloedt de hersenen, ook de context waarin je iets meemaakt telt mee. Dit komt doordat de concentraties van bepaalde hormonen – die inwerken op de hersenen – mede onder invloed van omstandigheden veranderen. Als je bijvoorbeeld één keer in je leven iets traumatisch meemaakt onder hele grote stress dan blijft dit – mede door de werking van stresshormonen – je hele leven lang bij. Hoewel herhaling en oefening erg belangrijk zijn (vooral voor motorische functies), is het dus niet zo dat één keer geen invloed kan hebben. Wadman: “Eigenlijk doe je je hele leven lang niets anders dan essentiële van niet-essentiële informatie scheiden en dat is contextafhankelijk.”

Neurale netwerken

Elk ‘neuron’ ontvangt via ingangskanalen boodschappen, net zoals zenuwcellen via hun dendrieten signalen ontvangen. Continu worden de boodschappen uit alle ingangen opgeteld. Het ‘cellichaam’ (gele rondje) berekent of de uitkomst van deze som een bepaalde drempel overschrijdt.

Een artificieel neuronaal netwerk is niets anders dan een heleboel aan elkaar gekoppelde neuronen, vaak vele duizenden. De afbeelding toont een klein stukje van het netwerk.

Onderzoekers bootsen met artificiële neurale netwerken (ann’s) de hersenen op kleine schaal na. Deze netwerken bestaan net als het brein uit meerdere eenheden die wetenschappers neuronen noemen vanwege de overeenkomstige werking. Elk ‘neuron’ ontvangt via ingangskanalen boodschappen, net zoals zenuwcellen via hun dendrieten signalen ontvangen. Continu worden de boodschappen uit alle ingangen opgeteld. Het ‘cellichaam’ (gele rondje) berekent of de uitkomst van deze som een bepaalde drempel overschrijdt. Boven deze drempel geeft het neuron een bericht door aan alle volgende neuronen waarmee deze in verbinding staat. De output heeft dan een waarde van 1. Bij een uitkomst kleiner dan de drempelwaarde wordt geen bericht doorgegeven en blijft de output 0. In levende zenuwcellen wordt dit de vuurdrempel genoemd; de drempel waarboven de cel een signaal afvuurt.

De onderzoekers proberen de hersenen nog preciezer na te bootsen door de ANN’s te verrijken met leerregels die volgens hen ook in het brein een belangrijke rol spelen. Deze regels beïnvloeden de sterkte van elk ingangskanaal. Deze sterkte, ook wel ‘weegfactor’ genoemd, zit verweven in de verbinding tussen twee opeenvolgende neuronen. Een van de leerregels schrijft bijvoorbeeld voor dat de weegfactor zwaarder wordt wanneer een verbinding vaak actief is. Een actieve verbinding wordt dan belangrijker (de afbeelding rechtsboven is een momentopname waarbij de dikte van de pijl aangeeft hoe zwaar de weegfactor is; hoe dikker de pijl, hoe zwaarder de weegfactor). Zo traint het netwerk zichzelf door herhaling: net zoals het brein dat doet. Helaas zijn de leerregels van zenuwcellen grotendeels onbekend. Neurobiologen zoeken in de verzameling van theorieen over ANN’s naar overeenkomsten met biologische systemen.

Kijken in het brein

Naast de simulaties van neurale netwerken speelt het experimentele onderzoek een grote rol bij het ontrafelen van de geheimen van het menselijk brein. Wadman: “De losse elementen van de hersenen kennen we inmiddels goed. Nu moeten de grote doorbraken komen omtrent het reilen en zeilen van netwerken, zelforganisatie en leerprincipes van de hersenen.” Experimenteel onderzoek helpt om een betere grip te krijgen op dit grotere geheel. ‘Optische technieken’ is hierbij het toverwoord. Hiermee kun je op veel plaatsen tegelijk de hersenactiviteit volgen. De verwachtingen van Wadman op dit gebied zijn groot, temeer daar de capaciteit van computers tot op heden exponentieel blijft toenemen.

“Met goede camera’s en computers volg je tegenwoordig de activiteit van duizend cellen tegelijkertijd. De primitieve hersenen van insecten zoals die van een mijt kun je in één camerabeeld bekijken. Vervolgens wil je toch de situatie van de mens bestuderen. Artsen maken tegenwoordig dan ook met diverse technieken films van de hersenactiviteit van normaal functionerende proefpersonen. Beetje bij beetje ontdekken we zo de achterliggende principes van hogere functies. In het ziekenhuis bewijzen deze technieken hun diensten bij het opsporen van allerlei afwijkingen.”

Pijlinktvis

De voortgang van het onderzoek in de biologie is volgens Wadman altijd sterk bepaald door de experimentele mogelijkheden. “Het belangrijkste dat ik geleerd heb van de overstap van de fysica naar de biologie is dat voor de biologie nog sterker geldt dat je voor elke vraag het juiste preparaat moet zoeken.” Hij legt uit dat Hodgkin en Huxley zonder de pijlinktvis – waaraan ze gemeten hebben hoe de membraanpotentiaal ontstaat en hoe zenuwcellen actiepotentialen maken – nooit zulke goede resultaten hadden behaald. In feite zochten ze meerdere jaren naar het goede preparaat. Daarna losten ze het probleem binnen twaalf maanden op. Hetzelfde geldt voor veel andere breinonderzoekers.

Het belang van de keuze van het juiste experimentele systeem geldt nog veel sterker voor alle vragen omtrent de netwerken in de menselijke hersenen, vertelt de neurobioloog. “We lopen zeker vast wanneer we alleen metingen verrichten aan het menselijk brein. Dat is veel te complex. Bovendien moeten we elke vraag zo formuleren dat we deze kunnen oplossen met het betreffende netwerk. In dit opzicht is de biologie van alle exacte vakken misschien wel de moeilijkste. Zo verzinnen wiskundigen zelf de vragen die ze willen oplossen, een fysicus moet nog een klein beetje rekening houden met de wereld om hem heen, maar die verandert tenminste nooit. De biologische wereld daarentegen leeft en verandert continu. Talrijke invloeden spelen een rol. Dit maakt een biologisch systeem veel complexer maar tegelijkertijd ook juist boeiend.”

Plastische hersenen

Tot zo’n tien jaar geleden dachten neurobiologen dat de hersenen statisch waren; dat er na een flexibel begin uiteindelijk alleen maar hersencellen afstierven. Dit blijkt echter niet te kloppen. “De hersenen blijven hun hele bestaan plastisch”, vertelt Wadman enthousiast. “De hersenen hebben soms meer weg van een gas dan van een vaste stof. In gevoelige perioden – de baby- en kinderfase – gaat het leren natuurlijk wel beter. Zo bestaan er allerlei kritische fasen voor het visueel systeem waarin je dingen móet leren, anders lukt het nauwelijks meer. Hierbij draait het voornamelijk om het aanleggen en trainen van netwerken. Na het aanleggen is het lastiger om grote veranderingen aan te brengen.”

Dat het brein je hele leven door gedeeltelijk plastisch blijft, heeft meerdere oorzaken. Ten eerste veranderen de synapsen. De spines op de dendrietenboom – dit zijn de uitstulpingen van een dendriet: plaatsen waar contacten worden gemaakt met synapsen van cellen die verderop liggen – blijken namelijk permanent te bewegen. Waarschijnlijk maken die spines continu nieuwe contacten en breken andere weer af. Ten tweede verschijnen er af en toe nieuwe cellen. Wadman: “Toch bereiken je hersenen na je tiende levensjaar ongeveer de toestand waarin ze je hele verdere leven blijven functioneren. Het zou ook ondoenlijk zijn een systeem te maken dat om de drie jaar volledig wordt vervangen en waarmee je toch tachtig jaar aan herinneringen en kennis kunt behouden. Nee, als je eenmaal dingen hebt geleerd, wil je dat ook stabiel houden.”

Vernieuwingsprogramma

Tijdens zijn onderzoek naar epilepsie ziet Wadman dat de hersenen soms ook grote aantallen nieuwe cellen aanmaken. “In sommige zware gevallen van epilepsie treedt er op grote schaal celdood op. Over het algemeen zie je dan relatief meer nieuwe cellen en grote aantallen nieuwe verbindingen ontstaan. Of deze cellen en verbindingen altijd even efficiënt werken, weten we nog niet. Misschien veroorzaken zulke grote veranderingen zelfs gedeeltelijk de epilepsie. Toch is het interessant dat er ’vernieuwingsprogramma’s aan te pas komen. De receptoren die we tegenkomen op de cellen bij deze patiënten, lijken op de receptoren die je in vroege levensfasen ook ziet. De mens kan dus kennelijk in een late fase van zijn bestaan een aantal vroege programma’s opstarten. Ook zie je bij bijvoorbeeld mensen die een arm of been missen dat het deel van de hersenschors dat oorspronkelijk dat been of die arm aanstuurde, een andere functie krijgt. Dit fenomeen treedt soms ook op na beroerten. Andere delen van de hersenen nemen dan de functie van het beschadigde gebied (gedeeltelijk) over: mogelijkheden genoeg op het gebied van plasticiteit en functieovername.”

Reparatie

Dat de hersenen mogelijkheden hebben om te corrigeren, is gedeeltelijk een verdienste van de complexiteit van het geheel. Ons zenuwstelsel is zo groot dat er ook meer mogelijkheden tot herstel bestaan. “Bij een slak is het aantal cellen dat een functie uitvoert zo klein dat je ze makkelijk kunt tellen. Die functie verdwijnt direct wanneer een paar cellen afsterven”, legt Wadman uit. “De principes van leren zijn vergelijkbaar zolang het de activiteit van enkele cellen en synapsen betreft. Plasticiteit op een hoger niveau, dus overname van hogere functies, voor zover die al in dergelijke dieren aanwezig zijn, zijn uiterst schaars. Of de mens de mogelijkheden om de hersenen te herstellen ten volle uitbuit, weten we niet. Maar het feit dat je functies kunt overnemen is al heel wat.”

De continue veranderingen in de hersenen maken het natuurlijk niet makkelijker om de zaak te bestuderen. Aan de andere kant valt er volgens Wadman hierdoor wel meer te ‘sleutelen’. “Als je eenmaal weet welke stimulus specifieke herstelprocessen in gang zet, kun je hiermee eventuele problemen verhelpen. In een heleboel gebieden is op deze manier ‘reparatie’ mogelijk. Hoewel dit vaak niet op grote schaal werkt, brengt dit inzicht toch hoop op functionele toepassingen.” Vooral de farmaceutische industrie onderzoekt deze mogelijkheden om in te grijpen in de hersenen.

Bewustzijn

Al met al heeft de zogenaamde ‘bottom up approach’ – de natuurkundige benadering om systemen in kleine stukjes te hakken, deze onderdelen te bestuderen en later weer in elkaar te zetten – de afgelopen decennia een heleboel vruchten afgeworpen. Toch verschuift in het hersenonderzoek het zwaartepunt momenteel naar het bestuderen van het brein als geheel. Hierdoor komt een eeuwenoude vraag over de betekenis van het bewustzijn weer bovendrijven.

Wat voor verklaring je voor het ‘eeuwige’ bewustzijnsraadsel zou moeten geven, is ook voor Wadman een vraag. Dat het bewustzijn nodig eens onderzocht moet worden door serieuze neurobiologen, zoals Crick ooit stelde, valt niet helemaal in de smaak bij Wadman. “Natuurlijk is er jarenlang gespeculeerd door psychologen en theologen, maar hoe zou je in hemelsnaam het onderzoek moeten aanpakken. Kan hij dat ook even vertellen? Ik geloof dat er in onze hersenen niets anders zit dan materie, maar toch blijft het bewustzijn een bijzonder fenomeen. Het brein hoeft eigenlijk alleen maar binnenkomende informatie te verwerken tot een adequate stimulus. Wat het leuker maakt is dat mensen als ‘extraatje’ in de hersenen – over de jaren heen – een wereldbeeld opbouwen. Hierdoor reageren we niet alleen op stimuli, maar nog veel meer op de vraag of deze stimuli anders zijn dan wat we volgens dat wereldbeeld verwachten. Als je begrijpt hoe dit wereldbeeld in elkaar zit en hoe we hiermee vergelijkingen maken, begrijp je dan ook wat bewustzijn inhoudt? Is er meer nodig dan dat?”

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 10 april 2004

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.