Voorbeelden van fantoomledemaat ervaringen zijn er al uit de zestiende eeuw. In die tijd werd het verschijnsel gezien als bewijs voor het bestaan van de ziel. In het geval van een geamputeerde arm, blijft de gewaarwording van dat lichaamsdeel nog aanwezig als het stoffelijk omhulsel is afgestorven. Dus dat zal dan hoogstwaarschijnlijk ook het geval zijn als het hele lichaam sterft, was toen de redenatie, dan blijft dus de geest bestaan. De term “fantoom ledemaat” werd voor het eerst gebruikt door de neuroloog Silas Weir Mitchell, die slachtoffers van de Amerikaanse burgeroorlog bestudeerde die amputaties hadden ondergaan. Sindsdien zijn er verschillende verklaringen bedacht voor de ervaring van fantoomledematen.

Op zijn zeventiende verloor Tom zijn linkerarm door een noodlottig auto ongeluk. In de weken na het ongeval gebeurde er iets zeer merkwaardigs, Tom had namelijk voortdurend het gevoel dat zijn linkerarm nog gewoon aan zijn lichaam zat. Sterker nog, voor zijn gevoel kon hij alles nog doen met zijn linkerarm, zoals voorwerpen pakken of zijn vingers bewegen.

Ook al had Tom een flinke klap gehad tijdens het ongeluk, zijn verstand was nog helemaal in orde. Tom’s linkerarm was een fantoom ledemaat geworden. Fantoom ledematen zijn lichaamsdelen die nadat ze door een operatie of een ongeluk verloren zijn gegaan nog gevoeld worden. Er zijn behalve Tom talloze andere voorbeelden bekend van mensen met vergelijkbare ervaringen. Sommige van deze patiënten ervaren zelfs hevige pijn in hun fantoom ledematen, aanhoudende, onhandelbare pijn in een arm of een hand die er niet meer is!

Dit verschijnsel wordt fantoompijn genoemd, en is natuurlijk een zeer moeilijke opgave voor artsen, want hoe behandel je pijn in een lichaamsdeel dat niet bestaat? Om dit probleem op te kunnen lossen zijn er door de jaren heen verschillende verklaringen bedacht voor hoe de hersenen de missende lichaamsdelen nog waarnemen.

Spookledematen uit de zestiende eeuw

Een makkelijk bedachte verklaring is dat fantoomledematen voortkomen uit het verlangen van de patiënt om zijn arm of been terug te hebben, oftewel dat het puur een hersenspinsel van de patiënt zelf is. Omdat deze er zo vaak aan denkt en naar verlangt ervaart hij of zij een fantoom.

Een tweede verklaring die is bedacht is wat beter wetenschappelijk onderlegd: de zenuwprikkelingstheorie. De stomp die is overgebleven na de amputatie van bijvoorbeeld een been, bevat nog beschadigde zenuwuiteinden die oorspronkelijk naar de voet leidden. Volgens de betreffende theorie geven deze zenuwuiteinden nog prikkels door naar de hersenen als ze ontstoken zijn of geïrriteerd raken, en denken de hersenen dus dat er gewoon nog een voet aan het been zit, er komen immers prikkels vandaan.

Toch is deze theorie ook niet juist gebleken. De correcte verklaring van fantoomledematen heeft te maken met de “kneedbaarheid” van de hersenen, ook wel plasticiteit genoemd. Maar om deze verklaring te snappen moeten we eerst iets meer te weten komen over het deel van de hersenen waar prikkels uit ons lichaam verwerkt worden, de somatosensorische hersenschors.

Het mannetje in de hersenen

Om alles wat er gebeurt zo goed en snel mogelijk waar te nemen zijn wij uitgerust met verschillende zintuigen of sensorische systemen, waaronder bijvoorbeeld het zicht en het gehoor. Een ander sensorisch systeem is de tastzin, wat in wetenschappelijke termen het somatosensorisch systeem wordt genoemd. De naam voor dit systeem is als volgt uit het Latijn af te leiden: soma betekent lichaam, en sensus staat voor waarneming.

We zullen nu eens gaan bekijken hoe dit sensorische systeem eigenlijk werkt. Waarneming in elk systeem begint met de prikkeling van zeer speciale cellen: de receptoren. In het somatosensorisch systeem zijn dit voornamelijk tastreceptoren, waar de huid vol mee zit. Tastreceptoren registreren aanrakingen, bewegingen, warmteverschillen en pijn. Informatie uit de tastreceptoren wordt via het ruggenmerg doorgegeven aan de grote hersenen. Wat hierbij een belangrijk detail is, is dat alle prikkelingen aan de rechterkant van het lichaam doorgegeven worden aan de linkerhersenhelft, en andersom.

De somatosensorische hersenschors verwerkt prikkels uit de verschillende lichaamsdelen op een heel systematische manier: elk lichaamsdeel prikkelt een specifiek stukje van de hersenschors. Er is in de hersenen dus eigenlijk een hele “landkaart” van het lichaam aanwezig. Wat opvalt aan deze kaart is dat niet elk lichaamsdeel een even groot stuk prikkelt van de hersenschors. De lippen en de tong bijvoorbeeld, hebben een extra groot stuk hersenschors tot hun beschikking, terwijl de knieën en enkels het met een veel kleiner oppervlak moeten doen. (Een gelijksoortige organisatie is te vinden in de motorische hersenschors, zie het Kennislinkartikel ‘Het brein in beweging, over de aansturing van de spieren’ van Jelle van Dijk en Nienke van Atteveldt).

Deze verschillen zijn terug te vinden in de sensorische homunculus, oftewel het mannetje in onze hersenen. Dit mannetje is zo weergegeven dat de verhoudingen van alle lichaamsdelen overeenkomt met de oppervlakte van de hersenschors dat elk lichaamsdeel prikkelt.

Wat vooral opvalt aan de homunculus, zijn zijn enorme handen, lippen en tong. Dat juist deze lichaamsdelen een groot stuk hersenen nodig hebben komt overeen met de gevoeligheid ervan. Het is niet voor niks dat blinde mensen braille leren lezen met hun vingertoppen in plaats van met hun knieën (hoewel hier waarschijnlijk ook praktische overwegingen meespelen), of dat we zoenen met onze lippen en niet met onze oren of neus. Het zal je niet verbazen dat hoe gevoeliger een lichaamsdeel, hoe meer tastreceptoren het bevat per stukje huid. Al deze receptoren komen uiteindelijk in de hersenschors uit, en daarom heeft een gevoeliger lichaamsdeel een groter stuk hersenen nodig.

Nu ben je vast benieuwd hoe men heeft kunnen vaststellen hoe de landkaart van het lichaam in de somatosensorische hersenschors en dus ook de homunculus eruit ziet. De neurochirurg Wilder Penfield heeft hier een zeer belangrijke bijdrage aan geleverd. Hij voerde hersenoperaties waarbij patiënten plaatselijk verdoofd waren en dus wel bij bewustzijn waren.

Tijdens deze operaties prikkelde hij stukjes van de somatosensorische hersenschors met een elektrode en vroeg de patiënten naar hun ervaringen. De prikkels die Penfield toediende leidde bij de patiënt tot ervaringen in bepaalde delen van het lichaam. Afhankelijk van waar hij de elektrode prikte voelden de patiënten het in hun been, lip, knie of noem maar op. En zo ontdekte hij dus dat het gebiedje voor bijvoorbeeld de knie veel kleiner is dan voor de lip. Met dit experiment bracht Penfield in kaart welke lichaamsdelen waar in de hersenen gerepresenteerd zijn.

Kneedbare hersenen als verklaring voor spookledematen

Nu weten we hoe prikkels uit bestaande lichaamsdelen in de hersenen verwerkt worden. Maar wat gebeurt er nu precies bij ledematen die niet meer bestaan, de fantoomledematen? Zoals al eerder genoemd, heeft dit te maken met de plasticiteit van de hersenen. Nog preciezer met de plasticiteit van de somatosensorische hersenschors. De Amerikaanse wetenschapper Tim Pons heeft op dit gebied interessante ontdekkingen gedaan in zijn onderzoek bij apen. Hij maakte de schedel van zijn proefdieren open en kon op die manier met elektrodes de activiteit van de hersencellen in de somatosensorische hersenschors meten.

Zijn meest interessantste bevinding was dat de landkaart van het lichaam in de hersenen niet vast bleek te liggen, maar veranderlijk is. Hij ontdekte dit door de activiteit van hersencellen in de somatosensorische schors te meten bij apen met verlamde armen. Het armgebied van de apen vertoonde inderdaad geen activiteit als hun verlamde arm werd aangeraakt. Maar toen ontdekte Pons dat dit gebied wel activiteit vertoonde als het gezicht van de aap werd aangeraakt!

Als we nu naar afbeelding 3 kijken, zien we dat op het hersenoppervlak in de somatosensorische schors het “handgebied” precies naast het “gezichtgebied” ligt. Wat er dus kennelijk in de hersenen gebeurt als de prikkeling uit een bepaald lichaamsdeel wegvalt – zoals de verlamde arm van de aap die geen prikkels meer doorgeeft – is dat het hersengebied dat deze prikkeling eerst verwerkte, nu een ander gebied gaat helpen omdat hijzelf toch geen functie meer heeft. Dus worden de hersencellen ingezet bij het verwerken van prikkels uit een ander lichaamsdeel, wat dan gevoeliger kan worden. Dit wordt functionele plasticiteit genoemd, omdat de functie van zenuwcellen in de hersenen verandert.

Je herinnert je vast Tom nog wel uit de inleiding, de jongen die zijn geamputeerde arm bleef voelen. Professor Vilayanur Ramachandran heeft Tom uitvoerig onderzocht, en hield hierbij de bevindingen van de apen-onderzoeker Pons voortdurend in zijn achterhoofd. En ja hoor, Ramachandran kwam erachter dat Tom zijn missende hand voelde wanneer zijn gezicht werd aangeraakt. Ramachandran bracht precies in kaart welk deel van Tom’s gezicht hij aan moest raken zodat Tom zijn linker hand voelde. Dit is te zien is in afbeelding 5. In deze afbeelding komen de nummers op het gezicht overeen met de verschillende vingers: 1 is de duim, 2 tot en met 5 zijn de vingers.

Op deze manier ontstond het idee dat fantoomledematen gevoeld kunnen worden door functionele plasticiteit in de hersenschors. Zoals is aangetoond in de hersenen van apen. Om dit echter zeker te kunnen weten, moeten we ook in de hersenen van mensen kijken. Bij apen is het al erg zielig om de armen te verlammen, de schedel open te snijden en elektrodes in de hersenen te steken. Maar je zult begrijpen dat het bij de mens gewoonweg onmogelijk is om op die manier de werking van de hersenen te onderzoeken.

Gelukkig zijn er sinds een tiental jaren nieuwe technieken om zonder dat je er ook maar iets van voelt, toch in de hersenen van mensen te kijken. Een van deze technieken in magnetische encefalogram, oftewel MEG. Met deze techniek meet je de magnetisch velden die opgewekt worden tijdens de elektrische activiteit van zenuwcellen. Met behulp van MEG is onderzocht of de hersenen van mensen net als bij apen functionele plasticiteit vertonen.

Reorganisatie in de hersenen van mensen met geamputeerde armen

Professor Ramachandran gebruikte samen met zijn collega’s MEG om te onderzoeken of de somatosensorische hersenschors van een patiënt met geamputeerde arm inderdaad functionele plasticiteit vertoonde. Met ander woorden of de functie van de hersenschors gereorganiseerd was. En dit was inderdaad wat zij vonden. Zij onderzochten een volwassen man waarvan de rechter onderarm (vanaf de elleboog) geamputeerd werd toen hij 11 jaar oud was. In deze man leidde aanraking van het gezicht en de bovenarm tot hersenactiviteit in het deel van de somatosensorische hersenschors waar normaal informatie uit de tastreceptoren van de onderarm terecht zou komen.

In de rechter hersenhelft, waar de informatie uit de onbeschadigde linkerarm binnenkomt, werd een normale landkaart van het lichaam gevonden. In de afbeelding is dit als volgt te zien: de rode stippen geven de activiteit weer als het gezicht werd aangeraakt, de groene stippen als de hand werd aangeraakt, en de blauwe stippen als de bovenarm werd aangeraakt. In de linker hersenhelft, waar de informatie uit de rechter helft van het lichaam terechtkomt, vonden zij iets zeer interessants: een deel van de rode en blauwe stippen, die weer de activatie na aanraking van het gezicht en de bovenarm weergeven, bevinden zich in het deel van de somatosensorische hersenschors waar normaal aanraking van de hand terecht zou zijn gekomen toen deze nog aan het lichaam zat.

Hiermee toonden Ramachandran en zijn collega’s dus aan dat ook in mensen de somatosensorische hersenschors zich reorganiseert nadat er een lichaamsdeel verloren is gegaan. De patiënt kan een fantoomledemaat dus nog voelen doordat de hersencellen die voor dit gevoel zorgen, nu betrokken zijn bij het voelen van een andere lichaamsdeel (bijvoorbeeld het gezicht) dat er wel nog gewoon echt is.

Deze wetenschappelijke bevindingen zijn erg belangrijk geweest om een aantal redenen. Ten eerste omdat patiënten met gevoels ervaringen in niet-bestaande lichaamsdelen niet langer hoeven te denken dat ze spoken zien (of eigenlijk voelen!). Want nu is er wetenschappelijk aangetoond dat hun gevoel echt tot stand komt in de hersenen en dat is een hele geruststelling. Ten tweede kunnen de bevindingen gebruikt worden in verder onderzoek naar fantoompijn. Want sommige patiënten voelen niet alleen hun fantoomledemaat. Hun ontbrekende arm of been doet ook nog eens ontzettend zeer. Het is daarom van groot belang om er een goede behandeling voor te vinden.

Zie ook:

• Het brein in beweging, over de aansturing van de spieren (Kennislinkartikel van drs. Jelle van Dijk & drs. Nienke van Atteveldt)
• Het gedachte lichaam (VPRO’s Noorderlicht)