Gerard de Vries ging drie maanden geleden met zijn motor onderuit op de snelweg. Hij liep een fikse hersenbeschadiging op. Zijn gebroken ribben zijn inmiddels weer beter, maar met zijn geheugen gaat het minder goed. Wat hij meemaakt na het ongeluk, kan hij maar niet onthouden. Zo vergeet hij steeds de namen van zijn nieuwe buren. Erger is dat hij ook niet meer weet wat er zich in zijn eigen leven heeft voorgevallen in de twee jaar voorafgaand aan het ongeluk. Zijn vrouw praat steeds over de heerlijke vakantie in Griekenland van anderhalf jaar geleden. Hij weet wel dat ze bij de Middellandse Zee waren, maar kan zich maar weinig details voor de geest halen. Langzaamaan vermindert het verlies wel. Vlak na het ongeluk wist hij helemaal niets meer van zijn vakantie.
Gerard lijdt aan geheugenverlies. Enerzijds kost het hem moeite om nieuwe gebeurtenissen te onthouden, anderzijds mist hij een deel van de voor het ongeval in het geheugen opgenomen gebeurtenissen: in vaktaal bestaand geheugen. Al in de vorige eeuw stelde de Franse psychiater Théodule Ribot vast dat het bij verlies van geheugen meestal gaat om recente herinneringen.
Patiënten vergeten bijvoorbeeld niet hun schooltijd, maar wel de afgelopen maanden of jaren. Dit is merkwaardig, omdat juist die herinnering het laatst in het geheugen zijn opgeborgen. Wat het makkelijkst uit het geheugen kan worden opgediept, gaat het eerst verloren bij een hersenbeschadiging. Zitten oude herinneringen op een andere manier in het geheugen dan recente?
April
Een lentezonnetje verlicht de uitbottende bomen. Het tere groen weerspiegelt in het water. Een roeiboot trekt diepe golven en doorbreekt de spiegeling.
Dit poëtische lentebeeld bereikt het netvlies in het oog. Via neuronen in de oogzenuw komen de signalen in de hersenschors aan de achterkant van het hoofd. Daar stimuleren ze een complex netwerk van zenuwcellen. De menselijke hersenschors bevat ongeveer acht miljard zenuwcellen, die ieder verbindingen hebben met ongeveer tienduizend andere. De zenuwcellen of neuronen wisselen voortdurend signalen uit over de verbindingen. Samen vormen ze enorme neurale netwerken.
De signalen uit het netvlies van het zonovergoten landschap worden door de zenuwcellen uiteen gerafeld in componenten als kleur, vorm en beweging. Dit neurale netwerk staat in verbinding met andere netwerken die proberen uit te vinden wat er te zien is en waar: de wat- en waarnetwerken.
Daarnaast moeten we natuurlijk ook weten dat wat we zien water is met een roeiboot in de zon. Daarvoor raadplegen we ons geheugen en zoeken we daar naar de benodigde kennis. Geheugen bestaat uit verbindingen tussen zenuwcellen die zijn aangelegd bij eerdere ervaringen. Hun netwerken zitten hoofdzakelijk in de slaapbeenkwabschors, een stuk hersenschors dat zich achter en boven het oor bevindt. De wat- en waarnetwerken overlappen sterk met de geheugennetwerken.
In het ziekenhuis stelden de artsen met hersenscans vast dat de slaapbeenkwabschors tijdens de valpartij bij Gerard de Vries een behoorlijk klap had gekregen. Aan de binnenzijde van de slaapbeenkwabschors zit nog een ander, uiterst belangrijk geheugencentrum: de hippocampus (van het Latijnse woord voor zeepaardje). Iemand met een beschadigde hippocampus kan geen nieuwe dingen meer onthouden.
Ook dit gebied was bij Gerard geraakt. Er zijn twee slaapbeenkwabschorsen en twee hippocampi: een in de linker- en een in de rechterhersenhelft. Bij beschadiging van beide kanten zijn de geheugenproblemen veel groter dan wanneer slechts een kant is aangedaan.
TraceLinkmodelHet TraceLinkmodel is een computermodel dat leren en vergeten simuleert. Het model bestaat uit drie systemen: een modulatoir systeem, een linksysteem en een tracesysteem. Het linksysteem komt overeen met de hippocampus en het tracesysteem met de geheugencentra in de slaapbeenkwabschors. Het modulatoir systeem bepaalt ‘hoe sterk’ we leren.
Geheugenspoor
De roeiboot in het water roept associaties op over roeiboten. Dat kan variëren van handen met blaren tot de jaarlijkse roeiwedstrijden tussen Cambridge en Oxford. Om te onderzoeken hoe we onze herinneringen via de geheugencentra opslaan, ontwikkelt een Amsterdams team bestaande uit psychologen en neurobiologen het TraceLink-model, een computersimulatie van neurale netwerken.
Het TraceLink-model reduceert het brein tot drie systemen: een tracesysteem, een linksysteem en een modulatoir systeem. Met het laatste systeem beslist het brein in hoeverre de verbindingen mogen veranderen. Hoe belangrijk is de nieuwe ervaring en moet hij worden bewaard? Sommige ervaringen wil je graag onthouden, omdat ze bijvoorbeeld nieuw of interessant zijn. Andere wil je niet onthouden, zoals bijvoorbeeld een uur naar buiten staren in de trein. Sommige dingen mogen niet vergeten worden. Om te overleven moet een dier bijvoorbeeld weten waar zijn voedselvindplaatsen zijn.
Het tracesysteem komt overeen met de geheugencentra in de slaapbeenkwabschors. Trace verwijst naar het idee van een geheugenspoor. Een nieuwe ervaring, het zien van de roeiboot in het water, prikkelt zenuwcellen. De prikkels lopen over de zenuwuitlopers en worden doorgestuurd naar andere zenuwcellen. Ze vormen een patroon van activiteit. Dat patroon laat een spoor achter, een geheugenspoor. De herinnering aan de roeiboot in het water blijft bewaard als een spoor van activiteit waarin zenuwcellen signalen aan elkaar doorgeven.
Ten slotte correspondeert het linksysteem ruwweg met de hippocampus. De hippocampus staat in verbinding met vrijwel alle delen van de hersenschors. Hij is uitstekend geschikt om een schakelfunctie te vervullen tussen ‘sporen’ in de hersenschors. Daardoor kunnen we verschillende sporen met elkaar verbinden, zoals bijvoorbeeld roeiboten en blaren. De hippocampus heeft echter niet zoveel opslagcapaciteit. Die beperkte opslagcapaciteit speelt een belangrijke rol in het TraceLink-model.
In het eerste stadium zijn de wat- en waar-netwerken in het tracesysteem actief. De verbindingen die worden gevormd bij de nieuwe ervaring, de boot, de zon en het water, blijven behouden in het tracesysteem als een ‘geheugenspoor’.
In het volgende stadium is ook het linksysteem actief en worden de verbindingen in het tracesysteem verstevigd. Het linksysteem stelt ons in staat om de diverse onderdelen van de herinnering met elkaar te verbinden. De boot was in de zon op het water.
Omdat de capaciteit van het linksysteem beperkt is, bestaat het gevaar dat we de herinnering weer vergeten. In stadium drie worden de verbindingen geconsolideerd. In het tracesysteem ontstaan rechtstreekse verbindingen.
Nog verder consolideren leidt tot stadium vier. De trace-traceverbindingen hebben het linksysteem niet meer nodig. Ze kunnen zelfstandig functioneren. De herinnering verdwijnt niet meer.
Leren
We volgen het leerproces vanaf het moment dat we iets nieuws waarnemen totdat het veilig is opgeslagen. Stel je voor dat we picknicken in de zon bij het water waarover de roeiboot voortpeddelt. Voordat de herinnering veilig is opgeborgen, doorloopt het beeld vier stadia. In het eerste stadium zijn de visuele netwerken van het tracesysteem in de hersenschors geactiveerd, de wat- en waarnetwerken.
Naast de visuele netwerken zijn ook andere netwerken actief, zoals die waarmee we de warme zon voelen op onze huid of waarmee we het water horen klotsen tegen de wand van de boot. In het tweede stadium (een paar seconden later) is het linksysteem in de hippocampus actief, en niet alleen dat: de verbindingen van het trace- naar het linksysteem (en terug) zijn versterkt.
We kunnen nu de diverse delen van de herinnering in het tracesysteem met elkaar in verband brengen. Als we aan de picknick terugdenken, dan kan deze gedachte via het linksysteem makkelijk de associatie roeiboot oproepen. Dit is één van de belangrijkste psychologische testen voor een herinnering. Kunnen we op grond van een deel het geheel terughalen?
Prikkel
Het versterken van verbindingen verloopt volgens de leerregel van de Canadese neuropsycholoog Donald Hebb. Deze regel zegt dat wanneer zenuwcel B door een prikkel van zenuwcel A actief wordt, hun onderlinge verbinding daarna sterker is. Sterker betekent hier dat zenuwcel B als het ware paraat staat om bij een volgende prikkel van A snel te reageren. Iedere nieuwe prikkel maakt hun band hechter.
Op grond van deze eenvoudige leerregel kunnen neurale netwerken al ingewikkelde taken leren uitvoeren, zoals het vastleggen van patronen (herinneringen) en het weer ophalen uit het geheugen met onvolledige of vage varianten van opgeslagen patronen.
Een herinnering in stadium twee is vastgelegd, we kunnen de picknick met de roeiboot verbinden. Door de beperkte capaciteit van het linksysteem bestaat het gevaar dat we de herinnering kwijtraken als de verbindingen nodig zijn voor nieuwe impressies, met andere woorden als ze worden overgeschreven. Het is veiliger wanneer de herinnering op traceniveau directe verbindingen vormt. Door de grote omvang van de hersenschors vergt het enige tijd voor rechtstreekse verbindingen in de hersenschors zijn gevormd. Het vormen van rechtstreekse, trace-traceverbindingen noemt men consolideren.
Een geconsolideerde herinnering bevindt zich in stadium drie. Nog verder consolideren leidt tot stadium vier. Dan is het niet meer belangrijk of linkverbindingen nog bestaan of niet, de trace-traceverbindingen kunnen zelfstandig functioneren. De herinnering is nu maximaal beveiligd en zal niet makkelijk meer verdwijnen.
Droom
Wanneer en hoe vindt consolidatie plaats? Veel onderzoekers geloven dat de droomslaap een belangrijke rol speelt bij consolidatie, met name de diepe droomslaap. Onlangs zijn hiervoor ook neurobiologische aanwijzingen gevonden.
Twee neurobiologen van de Universiteit van Arizona in Tucson, Matt Wilson en Bruce McNaugton, ontwikkelden begin jaren negentig een techniek om in één keer honderdtwintig neuronen te kunnen meten. Zij bepaalden daarmee de activiteit van de neuronen in de hippocampus van een rat. Er traden activiteitenpatronen op die kenmerkend waren voor de omgeving waarin de rat zich bevond. Als ze de rat in een nieuwe kooi stopten, ontstond er een nieuw patroon dat alleen voorkwam in die kooi. Op grond van het activiteitenpatroon konden ze dus afleiden in welke kooi de rat zat.
Een doorbraak in hun onderzoek was de ontdekking dat tijdens de diepe droomslaap specifieke patronen van recent bezochte kooien terugkwamen. Veel onderzoekers interpreteren dit als het dromen van de rat over de gebeurtenissen in de kooi en delen de hypothese dat hier een consolidatieproces plaatsvindt.
Onthouden of vergeten? De bovenste lijn (totaal) is het resultaat van een wedloop tussen het overschrijven in het linksysteem (groen) en het consolideren in het tracesysteem (rood). Kort na het leren van bijvoorbeeld Franse woorden, kunnen we ze allemaal herhalen. Na een dag is het grootste gedeelte ervan vergeten. We leren de woorden nog een keer en kunnen ze kort daarna opnieuw allemaal herhalen. Weer een dag later zijn we weliswaar een aantal woorden vergeten, maar we hebben er meer van onthouden dan de eerste keer. Het linksysteem vergeet steeds even snel. In het tracesysteem blijven de woorden steeds beter bewaard. Iedere keer van opnieuw leren vergroot het aantal onthouden woorden.
Wedloop
Kort nadat we Franse woordjes hebben geleerd, kunnen we ze gemakkelijk foutloos herhalen. Na een dag is het grootste gedeelte ervan echter weer vergeten. Volgens het TraceLink-model is het vergeten een wedloop tussen het overschrijven in de hippocampus (linksysteem) en het consolideren in de hersenschors (tracesysteem). Het gecombineerde effect van deze tegengestelde bewegingen vormt een vergeetcurve. IJverig leren we de woordjes opnieuw. Een dag later zijn we er weliswaar een aantal weer vergeten, maar we hebben er nu meer van onthouden.
Het TraceLink-model model verklaart ook dit effect van herhaling. De hippocampus vergeet steeds ongeveer even snel, maar het geheugenspoor in de hersenschors blijft veel beter bewaard. Iedere keer van opnieuw leren versterkt het geheugenspoor. Het effect van opnieuw leren wordt wel steeds kleiner. Het is daarom beter om het leren van de woorden na steeds langere intervallen te herhalen, dus eerst na een uur, dan na een dag, na twee dagen enzovoort.
Het TraceLink-model beschrijft leren en vergeten vrij goed. Maar wat gebeurt er wanneer we met het model een hersenbeschadiging nabootsen? Kunnen we beschadigingen in het model vergelijken met echte hersenbeschadigingen, zoals die van Gerard de Vries? Als we het modulatoir systeem beschadigen, kan het model niet meer snel nieuwe patronen opslaan in de hippocampus. Bestaand geheugen laat het ongemoeid.
Iets dergelijks treffen we ook aan bij patiënten: ze kunnen moeilijk nieuwe gebeurtenissen onthouden, maar hun bestaand geheugen is nog uitstekend. Deze vergeetachtigheid treedt bijvoorbeeld op in de beginfase van de ziekte van Alzheimer. Oma maakt haar befaamde bitterkoekjespudding. Als ze de ijskast opdoet om hem te laten afkoelen ziet ze dat ze er al een gemaakt heeft! Abnormale vergeetachtigheid zonder verlies van bestaand geheugen onstaat door een beschadiging van het modulatoir-systeem.
Krimpen
Als we het linksysteem beschadigen treden er twee effecten op: nog niet geconsolideerd geheugen raakt verloren en nieuwe gebeurtenissen kunnen niet snel worden opgeslagen. Dit zijn de klachten van Gerard de Vries. Omdat in de praktijk na een ongeval meestal herstel van het linksysteem optreedt, komen de oude herinneringen vaak weer terug: de totale verloren periode krimpt. Gerard herinnert zich plotseling weer de vakantie naar Griekenland.
Helaas treedt bij de ziekte van Alzheimer dit krimpen niet op. Door het aangetaste linksysteem verliezen deze patiënten steeds meer van hun geheugen totdat ze zich alleen nog hun kindertijd herinneren. De ziekte schrijdt onherroepelijk en onomkeerbaar voort.
Wat gebeurt er wanneer we het tracesysteem (licht) beschadigen? Begin jaren negentig voorspelden we dat het linksysteem wel nieuwe gebeurtenissen vastlegt, maar dat die niet goed worden geconsolideerd zodat ze sneller vergeten raken. Ook voorspelden we dat reeds geconsolideerde kennis toch nog verloren gaat. Toen wij deze voorspellingen deden, was er net een nieuw syndroom ontdekt dat hierbij goed aansloot: semantische dementie.
Daarbij is de kennis die bewaard blijft, opgehangen aan specifieke gebeurtenissen. Iemand weet bijvoorbeeld niet meer wat een pen is, maar hij kan wel vertellen dat “dit de pen is waarmee ik iedere morgen in mijn dagboek schrijf”. Mogelijk is dat het enige wat hij over pennen kan vertellen. Wanneer de pen in de badkamer ligt, weet hij waarschijnlijk niet wat het is.
Dergelijke patiënten kunnen nog wel nieuwe gebeurtenissen onthouden, bijvoorbeeld dat er een pakje bij de post was of dat ze ’s middags golf hebben gespeeld. Oude kennis gaat langzamerhand verloren, zodat semantische dementie een soort spiegelbeeld is van het verlies van bestaand geheugen bij een beschadigd linksysteem.
Op grond van de voorspellingen van het TraceLink-model onderzochten neuropsycholoog Kim Graham en neuroloog John Hodges van de Medical Research Council in Cambridge patiënten met semantische dementie. In 1997 vonden zij inderdaad de voorspelde spiegelbeeldeffecten. Andere voorspellingen worden op dit moment nog getest bij groepjes patiënten in Cambridge.
Kunstmatige neurale netwerken
Modellen als TraceLink bootsen de neurale netwerken in het brein na. Ze bestaan uit tussen de tweehonderd en duizend virtuele neuronen die onderling zijn verbonden. Aan de invoerkant verzamelen ze invoersignalen. Het model vermenigvuldigt de invoersignalen met een getal dat de sterkte van de verbinding weergeeft (gewichten). Een verbinding kan ook negatief zijn. Zodra de gewogen som van de invoersignalen een drempel overschrijdt, ‘vuurt’ het neuron. Het stuurt dan een signaal (bijvoorbeeld het getal 1) naar alle neuronen die zijn verbonden aan de uitvoerkant.
De sterkte van de verbindingen beheerst het functioneren van een neuraal netwerk. Er zijn leeralgoritmen ontwikkeld waarmee een netwerk zelf zijn verbindingen kan aanpassen, zodat het gewenste gedrag ontstaat. We bieden een netwerk hiervoor voorbeelden aan.
Na het leren kan het model in geheel nieuwe situaties functioneren. Vaak werkt het zelfs nog goed als de invoergegevens niet compleet zijn. Bij een normale computer levert dit steevast problemen op. Een kunstmatig netwerk kan op deze manier veel typische menselijk taken leren, zoals herkenning van handgeschreven letters en het kunnen uitspreken van getypte tekst.
We bekijken een eenvoudig neuraal netwerk dat David Willshaw in 1969 ontwikkelde. Zowel de gewichten als de signalen kunnen alleen de waarden 0 of 1 aannemen. Een uitvoerneuron vuurt (neemt de waarde 1 aan) als de totale invoer 1 of hoger is. Wel moet eerst de invoer worden genormaliseerd door te delen door het aantal enen in de invoer. Het leren gebeurt met de leerregel van Hebb die zegt dat wanneer zenuwcel B actief is na een prikkel van zenuwcel A, hun onderlinge verbinding daarna sterker is.
Als voorbeeld nemen we een klein netwerk met zes invoerneuronen en zes uitvoerneuronen. Alle invoerneuronen hebben een verbinding met alle uitvoerneuronen. Het model associeert het invoerpatroon 000111 met het uitvoerpatroon 110100. Volgens de leerregel krijgt een gewicht de waarde 1 als zowel het invoer- als het uitvoerneuron de waarde 1 hebben. In alle andere gevallen blijft het gewicht onveranderd. Grafisch geeft dit het onderstaande beeld:
Wanneer het model daarna nog andere invoer- en uitvoerpatronen leert, bijvoorbeeld (101010,001011) en (001011,100110), levert dit de gewichten op in de matrix hieronder:
We kunnen nu een uitvoerpatroon terughalen door het model een geleerd invoerpatroon aan te bieden, bijvoorbeeld het patroon 001011. We vinden dan als uitvoer 322332 (zie matrix hieronder). De activatieregel van Willshaw-netwerken zegt dat we de gevonden uitvoer moeten delen door het aantal enen in het invoerpatroon, in dit geval dus drie. De resultaten ronden we naar beneden af. We krijgen dan 322332/3 = 100110. Dit is precies het bij het invoerpatroon geleerde uitvoerpatroon.
Wanneer de invoer onvolledig is, kan het netwerk nog vaak het juiste antwoord vinden. Als we bijvoorbeeld het onvolledige invoerpatroon 001001 gebruiken, komt het juiste uitvoerpatroon 100110 eruit. Als normalisatie delen we nu door twee, omdat er twee enen in het invoerpatroon zitten.
Het geheugenverlies van Gerard de Vries en andere patiënten is goed te verklaren met het TraceLink-model. Met dit model kunnen we nieuwe voorspellingen doen en die weer testen in onderzoek. Heel interessant is het consolidatieproces tijdens de diepe droomslaap. Dit wordt in 1999 aan de Universiteit van Amsterdam verder onderzocht. Als we bewijzen vinden voor het consolideren tijdens de slaap, dan hebben we een mogelijke verklaring gevonden voor het raadsel van onze dromen.
Literatuur
Phaf, R.H. en J.M.J. Murre. Cognitie onder de microscoop, in: P. Hagoort, C. Brown, & T. Meijering (Eds.), Vensters op de geest: cognitie op het snijvlak van filosofie en psychologie. Nijmegen: Grafiet, pp 164-201 (1989). Murre, J.M.J. Leren in neurale netwerken: een kort overzicht. Informatie, vol 33, pp 376-388 (1991). Murre, J.M.J., Implicit and explicit memory in amnesia: some explanations and predictions by the TraceLink model. Memory, vol 5, pp 213-232 (1997). Wilson, M.A.en B.L. McNaughton. Reactivation of hippocampal ensemble memories during sleep. Science, vol 255, pp 676-679 (1994).