FOCUS OP BREIN - New Scientist

5
FOCUS OP BREIN Door Michael O’Shea

Transcript of FOCUS OP BREIN - New Scientist

Page 1: FOCUS OP BREIN - New Scientist

Focus op brein

Door Michael O’Shea

Page 2: FOCUS OP BREIN - New Scientist

AxonAxonuiteinde

vormt synApsen met volgende

zenuwcel

Kern

dendrieten

myelineschede

De historie van hersenen250.000 jaar geleden gebeurde er iets buitenge-woons. Op de Afrikaanse savannen verschenen dieren met een ongekend denkvermogen. De wezens hadden een bewustzijn en konden diep nadenken. Uiteindelijk waren ze slim genoeg om zich af te vragen wat de oorsprong van hun intelli-gentie was. Inmiddels liggen enkele antwoorden daarop binnen handbereik, dankzij enorme kennis van de bouwsteen van het brein: de zenuwcel.

Het beginDe geboorte van de neurowetenschappen vond zo’n 2500 jaar geleden plaats, in de tijd van Hippocrates. Terwijl zijn tijdge-noten, waaronder Aristoteles, geloofden dat de geest zetelt in het hart, meende Hippocrates dat de hersenen de zetel vor-men voor gedachte, gevoel, emotie en denken.

Dat was een belangrijke stap, maar het duurde nog lang voordat de anatomie en werking van het brein werden opgehel-derd. Veel geleerden uit de Oudheid richt-ten zich alleen op de met vloeistof gevulde holten in het brein, de ventrikels. Gale-nus, een invloedrijke arts uit de 2e eeuw, was een groot voorstander van dit idee. Hij geloofde dat onze hersenen drie ven-trikels hadden, en dat elk daarvan zorgde voor een ander geestelijk vermogen: ver-beelding, denken en geheugen.

De vloeistoftheorieën van de hersenen domineerden tot ver in de 17e eeuw. Zelfs verlichte geesten als de Franse filosoof René Descartes vergeleken de hersenen met een hydraulisch aangedreven machi-ne. Dat idee had echter een belangrijk eu-vel: een vloeistof kan niet snel genoeg be-wegen om de snelheid van onze reacties te verklaren.

Een meer verlichte benadering ont-stond toen een nieuwe generatie anato-men steeds nauwkeuriger de hersenen in kaart bracht. Een vooraanstaande ana-

toom was de 17e-eeuwse Engelse arts Tho-mas Willis, die stelde dat de sleutel tot de werking van de hersenen lag in de vaste hersenweefsels en niet in de ventrikels. Honderd jaar later toonden Luigi Galvani en Alessandro Volta aan dat een externe elektriciteitsbron zenuwcellen en spieren kan activeren. Dat was een doorbraak, omdat het eindelijk een idee gaf van waarom we zo snel op iets kunnen reage-ren. Pas in de 19e eeuw bevestigde de Duitse fysioloog Emil Du Bois Reymond dat zenuwen en spieren zelf elektrische impulsen kunnen opwekken.

De moderne zenuwwetenschap begon met het werk van de Spaanse anatoom Santiago Ramón y Cajal aan het begin van de 20e eeuw. Met zijn spectaculaire waarnemingen identificeerde hij de ze-nuwcel als de bouwsteen van het brein. Hij zag een bonte verscheidenheid aan zenuwcellen die in andere organen niet voorkomt. Zijn opvallendste bevinding was dat zenuwcellen van insecten over-eenkomen met menselijke zenuwcellen. Dat wijst erop dat ons denkvermogen af-hangt van de manier waarop zenuwcel-len zijn geschakeld.

Cajals visie opende de deur naar een nieuwe manier van denken over de infor-matieverwerking in de hersenen – een visie die nog altijd als het uitgangspunt in de neurowetenschap geldt.

In tegenstelling tot elektronische schake-lingen in een computer zijn de netwerken van zenuwcellen flexibel. Ze gebruiken daarvoor een speciaal soort neurotrans-mitters. Deze ‘neuromodulatoren’ werken als een volumeknop. Ze stellen in hoeveel er aan andere neurotransmitters in de sy-naps vrijkomt en ze regelen hoe sterk een zenuwcel reageert op binnenkomende sig-nalen. Hierdoor kan het brein de hersen-activiteit finetunen. Ook helpt dit bij de aanleg van de bedrading van de hersenen — en daarmee mogelijk bij het opslaan van herinneringen.

Veel neuromodulatoren werken op slechts een paar zenuwcellen, maar ande-

re dringen door in grote f lappen hersen-weefsel en brengen daarin een golf van veranderingen teweeg. Stikstofoxide- moleculen zijn bijvoorbeeld zo klein dat ze zich gemakkelijk verspreiden vanaf de zenuwcellen waar ze ontstaan. In andere zenuwcellen veranderen ze de hoeveel-heid neurotransmitters die bij zenuwim-pulsen vrijkomt. Dat geeft de aftrap voor processen die nodig zijn voor de vorming van herinneringen in de hippocampus.

Dankzij de effecten van een scala aan chemische transmitters en modulatoren veranderen de hersenen continu, zodat we ons kunnen aanpassen aan de wereld om ons heen.

Het plastische brein

BreinbedradingBij zijn onderzoek aan de anatomie van zenuwcellen in de 19e eeuw stelde Santi-ago Ramón y Cajal voor dat signalen in één richting door zenuwcellen stromen. Het cellichaam en zijn vertakte uitlopers, dendrieten genoemd, verzamelen binnen-komende informatie van andere cellen. De verwerkte informatie wordt dan ver-stuurd van de zenuwcel langs de lange zenuwvezel, axon genoemd. De informa-tie gaat naar de synaps, waar de bood-schap wordt overgedragen aan de volgen-de zenuwcel.

Pas halverwege de vorige eeuw kregen neurowetenschappers grip op de details van deze elektrische signaalverwerking. We weten nu dat de boodschappen wor-den verstuurd als korte pulsen die we ac-tiepotentialen noemen. Die hebben een lage elektrische spanning – ongeveer 0,1 volt – en duren slechts een paar duizend-ste van een seconde. In die korte tijd kun-nen ze grote afstanden afleggen, met snel-heden tot wel 120 meter per seconde.

De reis van een zenuwimpuls eindigt als hij een synaps bereikt en daar zorgt voor de afgifte van moleculen die neurotrans-mitters worden genoemd. Die brengen de boodschap over naar de andere kant van de kloof tussen de zenuwcellen. Als ze die andere zijde bereiken, zetten de mole-culen elektrische schakelaars op het op-pervlak van de ontvangende zenuwcel om. Dat kan die zenuwcel stimuleren om zijn eigen signaal te versturen, of het kan

Santiago Ramón y Cajal, de vader van de moderne neurowetenschap.

wikimedia CommonS

wikimedia CommonS

tijdelijk zijn activiteit remmen. Beide op-ties zijn belangrijk voor het sturen van de informatiestroom die uiteindelijk onze gedachten en gevoelens vormt.

We hebben ongeveer honderd miljard zenuwcellen in onze hersenen, met elk duizend synapsen. Het resultaat is 100 triljoen onderlinge verbindingen. Als je ze zou tellen met een snelheid van één per seconde, zou je over dertig miljoen jaar nog steeds bezig zijn.

Neuronen behoren tot de meest gevarieerde cellen in het menselijk lichaam, alhoewel ze alle dezelfde basale kenmerken delen

motorzendt signalen naar delen van het menselijk lichaam,

zoals spierweefsel, voor directe beweging

sensorischverstuurt signalen vanuit de rest van het lichaam naar

de hersenen

interzorgt voor een

verbinding tussen andere

zenuwcellen

pirAmidAAlBetrokken in vele cognitie-ve gebieden, zoals bij het

herkennen van voorwerpen in de visuele schors

juni 2013 | new scientist | 71

breinbrein

70 | new scientist | juni 2013

Page 3: FOCUS OP BREIN - New Scientist

Hersenen in kaart gebrachtMet miljarden zenuwcellen in huis is ons brein het meest complexe orgaan dat we kennen. Om de architectuur van het brein te door-gronden, richtten onderzoekers zich vroeger vooral op hersen- beschadiging. Lokale schade in de hersenen leidt namelijk tot zeer specifieke beperkingen, bijvoorbeeld op het gebied van taal of rekenen. Met geavanceerde beeldtechnieken bestuderen onder-zoekers tegenwoordig ook intacte hersenen. Ze volgen bijvoor-beeld de hersenactiviteit van proefpersonen die cognitieve taken uitvoeren. Het resultaat is een zeer gedetailleerde kaart die exact aangeeft in welk hersengebied een bepaalde vaardigheid zetelt.

MiddenhersenenDe middenhersenen spelen een rol bij veel fysieke handelingen. Een van de centrale structuren daar-in is de substantia nigra, zo genoemd omdat het een rijke bron is van de neurotransmitter dopami-ne. Die stof kleurt hersenweefsel na de dood zwart. Omdat dopamine cruciaal is voor de beheer-sing van beweging, wordt vaak gezegd dat de sub-stantia nigra als het ware de raderen van de bewe-ging smeert. Dopamine is ook de neurotransmitter die vrijkomt als beloning, en is noodzakelijk voor leren, compulsief gedrag en verslaving.

Andere gebieden in de middenhersenen zijn betrokken bij horen, verwerking van visuele in-formatie, aansturen van oogbewegingen en het regelen van de stemming.

Veel van onze unieke menselijke vaardigheden danken we aan de voorhersenen, die zich al vroeg in onze evolutie ontwikkelden. Een on-derdeel van de voorhersenen is de thalamus, een schakelstation dat zintuiglijke informatie doorgeeft aan de hersenschors voor verwer-king op ‘hoger niveau’. In de voor-hersenen bevindt zich ook de hypo- thalamus, die hormonen afgeeft aan de bloedsomloop. Andere structuren in de voorhersenen zijn de amygda-la, die een rol speelt bij emoties, en de hippocampus, die van belang is bij het ruimtelijk inzicht.

Tot de meest recent ontwikkelde delen behoren de basale kernen. Die regelen de snelheid en soepel-heid van bewegingen die door de hersenschors in gang worden gezet. Verbindingen in dit gebied worden gemoduleerd door de neurotrans-mitter dopamine, afkomstig uit de substantia nigra in de middenherse-nen. Een defect in de aanvoer van dopamine wordt in verband ge-bracht met symptomen van de ziek-te van Parkinson, zoals traagheid van beweging, trillen en een ver-stoord evenwicht.

Ten slotte is er de hersenschors, de twee omhullende halve bolschil-len waarvan we denken dat die ons ‘mens’ maken. Hier maken we plan-nen, vormen we woorden en komen ideeën op. Hier huist onze creativi-teit, verbeelding en bewustzijn — dit is waar de geest ontstaat.

Structureel gezien is de schors een enkel vel weefsel bestaande uit zes gekreukelde lagen die tot diep binnen de schedel zijn opgevouwen. Plat uitgespreid zou de schors 1,6 vierkante meter beslaan. Informatie bereikt en verlaat de schors langs ongeveer een miljoen neuronen, maar het bevat meer dan tien mil-jard verbindingen tussen zenuwcel-len, wat inhoudt dat de schors gro-tendeels in zichzelf praat.

Elke helft van de hersenschors be-staat uit vier kwabben (zie diagram). De voorste kwab bevat de zenuw-

schakelingen voor denken en plan-nen. De achterhoofdkwabben en de slaapkwabben zorgen vooral voor de verwerking van respectievelijk visue-le en auditieve informatie. De wand-beenkwabben zijn betrokken bij aandacht en de integratie van zin-tuiglijke informatie.

Het lichaam is op allerlei manie-ren als het ware in kaart gebracht door de hersenschors. Het brein heeft bijvoorbeeld een kaart die de zintuigen voorstelt en een andere die onze aansturing van bewegin-gen weergeeft. Deze kaarten neigen ertoe de basale lichaamsstructuur te behouden. Het gevolg is dat bij-voorbeeld zenuwcellen die gevoel vanuit de voeten verwerken dicht bij de zenuwcellen liggen die waar-nemingen uit de benen afhandelen — en minder dicht bij de zenuwcel-len waar de gegevens vanaf de neus belanden. De verhoudingen zijn echter verstoord, met meer hersen-weefsel gewijd aan handen en lip-pen dan aan romp of benen.

De communicatiebrug tussen onze twee hersenhelften is een ve-zelbundel met ongeveer een mil-joen axonen. Soms snijden artsen de brug door bij patiënten om epi-leptische aanvallen te verminderen. Dat kan echter het ‘zelf’ splijten. Het is alsof het lichaam wordt be-stuurd door twee onafhankelijk denkende hersenen. Een roker die de ingreep had ondergaan, meldde dat als hij met zijn rechterhand naar een sigaret reikte, zijn linker-hand die pakte en weggooide.

Zoals eerder vermeld, worden verschillende taken door verschil-lende hersengebieden uitgevoerd. Toch hoef je maar je ogen te openen om te zien dat deze taken naadloos worden gecombineerd: diepte, vorm, kleur en beweging versmel-ten tot een driedimensionaal beeld. Hoe dat precies kan, blijft voorals-nog een raadsel. Dit zogeheten bin-dingsprobleem is een van de vele vragen die klaarliggen voor de vol-gende generatie onderzoekers.

AchterhersenenZoals de naam doet vermoeden, liggen de achter-hersenen bij de basis van de schedel, net boven de nek. Onderzoekers vermoeden dat dit de eerste hersenstructuur was die zich ontwikkelde, met een voorloper die opduikt in de vroegste gewer-velden. Bij mensen bestaan de achterhersenen uit drie structuren: het verlengde merg, de pons en de kleine hersenen.

Het verlengde merg is verantwoordelijk voor veel automatische handelingen die ons in leven houden, zoals ademhaling, slikken en het regelen van de hartslag. Veelbetekenend is dat hier de axonen, bij het afdalen naar het ruggenmerg, van de ene zijde van de hersenen kruisen naar de an-dere zijde. Dat verklaart waarom elke zijde van de hersenen de tegenoverliggende zijde van het lichaam bestuurt.

Een stukje verderop ligt de pons, die vitale functies zoals ademhalen, hartritme, bloeddruk en slaap aanstuurt. Dit hersendeel speelt ook een belangrijke rol bij het besturen van gelaatsuit-drukkingen en het verwerken van informatie over bewegingen.

Het meest prominente deel van de achterherse-nen zijn de kleine hersenen, met hun zeer opval-lende kronkelige oppervlak. Ze worden rijkelijk voorzien van zintuiglijke informatie over de posi-tie en de bewegingen van het lichaam. De kleine hersenen verwerken en onthouden informatie die nodig is voor het uitvoeren van complexe fijnmo-torische bewegingen.

Voorhersenen

voorhoofdKwAB

wAndBeen-KwAB

slAApKwAB

Achter-hoofd-

KwAB

BAsAle Kernen

thAlAmus

hypothAlAmus

AmygdAlA

hippocAmpus

hersenschors

Voorste gedeelte VaN de herseNeN

middenhersenen

suBstAntiA nigrA

pons

Kleine hersenen

verlengde merg

ruithersenen

Als je de brug tussen de twee hersenhelften doorsnijdt, splijt het ‘zelf’. Het is alsof het lichaam wordt bestuurd door twee onafhankelijk denkende hersenen

juni 2013 | new scientist | 7372 | new scientist | juni 2013

brein

Page 4: FOCUS OP BREIN - New Scientist

Elkaar spiegelenSommige neurowetenschappers geloven dat de ontdekking van spiegelneuronen de neurowetenschappen net zo ingrij-pend gaat veranderen als de ontdekking van DNA met de evolutiebiologie deed. Spiegelneuronen kunnen mogelijk de ba-sis van allerlei typisch menselijke eigen-schappen, zoals empathie, ontsluieren.

Spiegelneuronen gedragen zich opval-lend anders dan 'gewone' neuronen. Ze versturen niet alleen signalen als we zelf een handeling uitvoeren (zoals een kof-fiekopje oppakken) maar ook als we ie-mand anders dat zien doen. Dat duidt erop dat ze ons laten inzien met welke bedoeling anderen een bepaalde hande-ling uitvoeren. Op vergelijkbare wijze zouden spiegelneuronen ook kunnen helpen om iemands emoties te peilen.

Mogelijk liggen spiegelneuronen ten grondslag aan taal. Volgens een theorie ontstond de menselijke taal uit fysieke gebaren, zorgden spiegelneuronen voor de vertaling van de betekenis van geba-ren. Alhoewel dat idee omstreden is, neemt bewijs ervoor toe. Zo toont MRI-onderzoek aan dat een spiegelneuro-nensysteem te vinden is vlakbij het taalcentrum dat bekendstaat als het gebied van Broca.

Een bewuste computer‘Bewustzijn is een fascinerend, maar on-grijpbaar fenomeen’, schreef de Britse psy-choloog Stuart Sutherland (1927-1998). ‘Het is onmogelijk om aan te geven wat het is, wat het doet of waarom het is ont-staan. Hierover is niets geschreven dat de moeite van het lezen waard is.’

Het probleem is dat bewustzijn moet voortkomen uit een fysieke structuur in de hersenen, maar dat niemand weet hoe dat mogelijk is. Wellicht kunnen we een doorbraak verwachten van 'intelli-gente' hersensimulaties die in staat zijn tot bewuste gedachten en begrip.

Een veelbelovend project is het Se-mantic Pointer Architecture Unified Net-work. Het SPAUN-model bestaat uit 2,5 miljoen kunstmatige zenuwcellen. On-langs bleek dat het computermodel ta-ken kan uitvoeren die bijdragen aan het menselijke denkvermogen (Science, no-vember 2012). Het kan bijvoorbeeld visu-ele informatie herkennen en allerlei ge-heugenopdrachten goed uitvoeren.

Met meer van dit soort modellen moet het uiteindelijk mogelijk zijn om te tes-ten hoe ons bewustzijn ontstaat.

Hoe leggen neuronen informatie zo-danig vast dat we onmiddellijk een bekend gezicht, ons huis of favoriete boek herkennen? De meeste neuro-wetenschappers vermoeden dat de hersenen ons concept van een voor-werp vastleggen met vele zenuwcel-len, waarbij al die cellen moeten sa-menwerken wil je iets herkennen. Volgens deze theorie is de activiteit van een enkele zenuwcel niet repre-sentatief voor een bepaald voorwerp, omdat die activiteit ook kan samen-hangen met vergelijkbare kenmerken van andere voorwerpen. In plaats daarvan bepaalt het gedrag van een

groep ze-nuwcellen welke bete-kenis op-komt.

Sommige neuroweten-schappers claimen dat we concep-ten kunnen vastleggen

in kleinere, meer selectieve netwer-ken van zenuwcellen. Volgens dit uti-gangspunt kan een zenuwcel zich specialiseren tot een enkel idee. In één onderzoek zagen vrijwilligers bij-voorbeeld afbeeldingen van filmster-ren en beroemde gebouwen terwijl de onderzoekers de bijbehorende ac-tiviteit van een verzameling afzon-derlijke zenuwcellen vastlegden. De resultaten waren verrassend en lieten bijvoorbeeld zien hoe één van de be-studeerde zenuwcellen reageerde op allerlei verschillende afbeeldingen van de actrice Jennifer Aniston (Natu-re, 23 juni 2005).

In sommige gevallen waren het niet alleen de afbeeldingen die een zenuwcel tot activiteit aanzette. Som-mige neuronen reageerden ook op een woord dat sloeg een voorwerp of een persoon. Het is haast alsof in de bestudeerde zenuwcel de essentie van een persoon of voorwerp in code is gevangen. Dat kan verklaren waar-om we dingen kunnen herkennen vanuit uiteenlopend perspectief of in onbekende omgeving.

De hersenensimulatie SPAUN herkent visuele informatie en voert geheugenopdrachten goed uit

Schets van het grote beeldNu alsmaar geavanceerdere technieken extreem nauw-keurige beelden van de hersenen opleveren, willen en-kele neurowetenschappers een kaart maken van de ver-bindingen in het brein. Met het Human Connectome Project proberen ze een gedetailleerde weergave maken van alle lange axonverbindingen in het menselijk brein. Daarvoor vergelijken de onderzoekers axonverbindin-gen bij eeneiige en twee-eiige tweelingen. Dat onder- zoek moet onthullen wat de invloed is van genen en ie-mands omgeving op de vorming van verbindingen in de hersenen. Het zo gevormde ‘connectoom’ kan helpen bij het onderzoek naar aandoeningen zoals autisme en schizofrenie, waarvan de symptomen mogelijk voortko-men uit verschillen in de bekabeling van de hersenen.

Met een ander project willen onderzoekers nagaan hoe genen tot uitdrukking komen in zowel de zich ont-wikkelende als in de volwassen hersenen. Als de eigen-schappen van een zenuwcel veranderen tijdens verou-dering, geheugenvorming of ziekte, verandert ook de genexpressie. Daarom zal dit project, genaamd Human Brain Transcriptome, naar vewachten een centrale rol vervullen bij toekomstig hersenonderzoek.

De zintuigen ontcijferd De zoektocht naar de menselijke geest2500 jaar zijn verstreken sinds Hippocrates inzag dat de hersenen het centrum van onze gedachten zijn. Nu kunnen we de ongrijpbare wereld van het brein verkennen met allerlei bijzonder geavanceerde technieken. Het uiteindelijk doel is ontdekken hoe de hersenen bewustzijn creëren. Neurowetenschappers lijken nu grip te krijgen op veel hardnekkige problemen die voorheen onoplosbaar waren.

Reageert jouw Jennifer aniston-zenuw op deze foto?

ShutteRStoCk

met dit kleurrijke connectoom van de ontelbare snelwegen in dehersenen willen wetenschappersbeter begrijpen hoe onze zenuwbedrading werkt.

human ConneCtome pRoJeCt

CoRb

iS

brein

Page 5: FOCUS OP BREIN - New Scientist

Vooruitzichten

Michael O’Shea is hoogleraar neurowetenschappen aan de school of life sciences en mede-directeur van het centre for computational neuroscience and robotics aan de university of sussex. hij is de auteur van The Brain: A very short introduction (oxford university press, 2005).

Veel prominente onderzoekers vrezen van wel. Neem bijvoor-beeld fysicus en Nobelprijswin-naar Erwin Schrödinger. In 1944 schreef hij in zijn boek What is Life? hoe complex de moleculaire machinerie van het leven is. ‘Dat is een wonder. Slechts één won-der is groter (...) en dat ligt in een andere dimensie. Ik bedoel hier-mee het feit dat wij, terwijl ons totale ‘zijn’ volledig is gebaseerd op de wonderlijke wisselwerking van juist deze aard, toch beschik-ken over het vermogen om aan-zienlijke kennis erover te ver-werven. Ik denk dat het mogelijk is dat deze kennis voortschrijdt tot vrijwel een compleet begrip

van het eerste wonder. Het twee-de wonder zou zomaar eens bui-ten het bereik van menselijk be-grip kunnen liggen.’

Lopen we werkelijk tegen de grenzen van ons cognitieve ver-mogen aan als we proberen het bewustzijn te doorgronden?

Misschien moeten we de zaken niet zo somber zien. Als we in-derdaad in het duister tasten om-dat de huidige natuurkunde niet toereikend is, dan moeten we uitkijken naar nieuwe natuur-kundewetten die licht zullen werpen op het diepste van alle mysteries: de natuurkundige me-chanismen en principes van het bewustzijn.

Aanbevolen literatuurPrincipes of Neural science (5th edition) Eric Kandel e.a. McGraw-Hill Medical, 2012het Breinboek Rita Carter veen maga-zines, 2010the Brain: a very short introduction Michael O’Shea oxford university press, 2005shadows of the Mind: a search for the missing science of consciousness Roger Penrose oxford university press, 1994the astonishing hypothesis: the scien-tific search for the soul Francis Crick. scriber Book company, 1994

Websitessackler centre for consiousness sciencehttp://www.sussex.ac.uk/sacklerthe society for neuroscience- - Brain factshttp://bit.ly/W3CKlQlarge-scale human brain projects: http://humanconnectomeproject.org en http://humanbrainproject.eu/files/hBP_flagship.pdf

What is life? Erwin Schrödinger, 1944. downloadbaar http://whatislife.stan-ford.edu/loCo_files/What-is-life.pdf

Meer informatie

Focus op brein

Door Michael O’Shea

focus

Is de menselijke geest misschien te complex om volledig te begrijpen?

ope

nin

gSbe

eld

: Sh

utt

eRSt

oCk

76 | new scientist | juni 2013