0

De ontdekking van het brein

De afgelopen eeuw hebben wetenschappers een steeds beter beeld gekregen van de werking van onze hersenen, mede door nieuwe technieken om letterlijk in ons brein te kijken. Een vogelvlucht door de geschiedenis van het hersenonderzoek. Hoe neurowetenschappers en cognitieve psychologen elkaar vonden in een zeeslak.

Tot aan het eind van de achttiende eeuw wist men nog bar weinig over de anatomie van het brein. Wetenschappers gingen er vanuit dat de hersenen bestonden uit lange, in elkaar doorlopende netwerken, maar niemand had een idee hoe die eruit zagen en waaruit ze waren opgebouwd. Door de ontwikkeling van betere microscopen konden wetenschapper vanaf begin negentiende eeuw steeds nauwkeuriger de kleine onderdelen van het lichaam in kaart brengen. Dit leidde rond 1840 tot de celtheorie: het idee dat alle organismen – dus ook de hersenen – opgebouwd zijn uit cellen.

Een stap verder werd eind negentiende eeuw gezet door de Spanjaard Ramon y Cajal, die wordt beschouwd als de vader van de ‘neurondoctrine’, het idee dat ons brein bestaat uit losse cellen, neuronen. Door de hersencellen met een nieuwe techniek zwart te kleuren, kon hij ze gedetailleerd onder de microscoop bekijken. Zo zag hij dat neuronen aan het uiteinde een verdikking hebben, die niet direct contact maken met cellen ernaast. Het brein was dus geen continu netwerk, zoals lang was gedacht. De cellen communiceren met elkaar door middel van chemische boodschapperstoffen, neurotransmitters.

Hersencellen (neuronen) zitten niet aan elkaar vast. Tussen de cellen zit een kleine ruimte, die we synaps noemen. Deze synaps kan zich vullen met een stofje, bijvoorbeeld serotonine of dopamine. Zo’n stofje heet een neurotransmitter, omdat hij ervoor zorgt dat de hersencellen ondanks de ruimte ertussen nu wel met elkaar kunnen communiceren. Vanwege die functie spreken we ook wel van een boodschapperstofje. Na verloop van tijd wordt een neurotransmitter opnieuw opgenomen door de hersencellen. Medicijnen als antidepressiva proberen dat te voorkomen, zodat het stofje langer in de synaps blijft om zijn werk te doen.

Herinneringen aan je oma

In 1949 kwam de Canadese psycholoog Donald Hebb met een opzienbarende theorie. Hij kon het nog niet met experimenten bewijzen, maar veronderstelde dat als cel A dicht genoeg bij cel B is om deze te prikkelen en als dit vaak genoeg gebeurt, er een bepaald proces plaatsvindt in beide cellen, dat ervoor zorgt dat cel A cel B makkelijker en efficiënter kan stimuleren. Zij vormen zo een netwerk. Later ontdekte men dat in dit soort netwerken herinneringen, kennis en vaardigheden liggen opgeslagen. Dit kunnen expliciete herinneringen zijn aan je oma of motorische vaardigheden als lopen en fietsen.

Sommige netwerken zijn klein en te relateren aan tamelijk specifieke dingen, zoals de herinnering aan je eerste schooldag of de geur van pas gemaaid gras. Andere netwerken zijn groter en gerelateerd aan bredere functies, zoals het herkennen van gezichten, het leren van een taal of het oplossen van een moeilijk probleem. Voor dergelijke complexe taken zijn vele verschillende netwerken samen verantwoordelijk. Zoals verschillende orkestleden samenspelen om de vierde symfonie van Brahms ten gehore te brengen, zo werken vele netwerken samen om bijvoorbeeld een brief aan een geliefde te schrijven. Netwerken voor geheugen, taal, emotie en motoriek werken intensief samen om gedachten en gevoelens onder woorden te brengen en op papier te zetten.

Omgeving en gedrag

Ondertussen bestond er nog een kloof tussen neurowetenschappers, die zich richtten op de anatomie van het brein, en psychologen, die zich onder meer bezighielden met cognities, de verzamelterm voor functies als denken, taal, waarnemen en geheugen. De psychologie stond in de eerste helft van de twintigste eeuw nog sterk onder invloed van het behaviorisme. Die wetenschappelijke stroming wilde louter uitspraken doen op basis van observaties van de omgeving en het gedrag. Er werd gezocht naar relaties tussen prikkels uit de omgeving (stimuli) en het daaropvolgende gedrag (respons).

Klassiek conditioneren zoals Pavlov dat deed bij zijn honden. In stap 4 zie je de typische Pavlov-reactie: de hond is (in stap 3) de bel en het eten zo met elkaar gaan associëren, dat hij al gaat kwijlen als hij de bel hoort.

Het bekendste voorbeeld is de Russische Ivan Pavlov, die zijn hond het verband leerde tussen een stuk vlees en een belletje. Na verloop van tijd begon zijn hond al te kwijlen bij het horen van dat belletje: de Pavlov-reactie. Voor deze psychologen en gedragswetenschappers was het dus niet van belang wat iemand dacht. Dat was niet observeerbaar en dus moeilijk te onderzoeken. Met het in kaart brengen van verschillende soorten relaties tussen stimulus en respons bleek een groot deel van ons gedrag te verklaren en te voorspellen.

Toch was deze manier van onderzoeken niet voor iedereen bevredigend. In 1948 vond in Californië een symposium plaats over gedragen en hersenen. De psycholoog Karl Lashley sprak hier over de tekortkomingen van het behaviorisme. Hiermee kon je geen onderzoek doen naar bijvoorbeeld taal, plannen, probleemoplossend vermogen of creativiteit. Allemaal essentiële aspecten van ons denken en handelen, die niet aan de buitenkant zichtbaar zijn. Het onderzoek naar cognities kon onder het behaviorisme niet tot wasdom komen.

De cognitieve revolutie

Een kleine tien jaar later schreef de taalkundige Noam Chomsky een artikel dat de cognitieve revolutie inluidde. Chomsky stelde dat het onmogelijk is om zoiets complex en creatiefs als taal door stimulus-respons-relaties te leren. Taal is namelijk productief: met een beperkt aantal woorden kunnen we een ontelbare hoeveelheid zinnen produceren. Elke zin kunnen we uitbreiden met een bijzin. Bijvoorbeeld: Jan houdt van Klaartje. Jan houdt van Klaartje, die niet van Jan houdt. Jan houdt van Klaartje, die niet van Jan houdt omdat hij haar heeft beledigd. Enzovoort. Dat is moeilijk te verklaren aan de hand van aangeleerde relaties tussen stimuli en responsen.

Het behaviorisme heeft geen antwoord op de vraag hoe het toch kan dat we zo creatief met taal omgaan dat we met een beperkt aantal woorden een oneindige hoeveelheid zinnen en verhalen kunnen vertellen: Jan houdt van Klaartje, die niet van Jan houdt omdat hij haar heeft beledigd toen hij achter het fietsenhok stiekem zoende met Els die eerst wel maar nu niet meer Klaartjes beste vriendin is omdat ze niet alleen met Jan zoende maar ook nog eens achter haar rug om roddelde over…

Vanaf die tijd is er hard gewerkt aan het in kaart brengen van de mentale processen die ten grondslag liggen aan geheugen, taal, redeneren en waarneming. De cognitieve wetenschappers wilden graag heldere, wiskundige modellen van de geest ontwikkelen. Ze legden zichzelf daarom een aantal beperkingen op. Zo besteedden ze bewust weinig aandacht aan emoties, aan de brede context van het denken, zoals culturele en historische invloeden en – vreemd genoeg – aan de hersenen. Het wiskundig model van het denken was belangrijker dan wat er in de hersenen gebeurde. De cognitieve wetenschap van die tijd noemen we dan ook wel de wetenschap van de dry mind.

Het brein in beeld

Vanaf de jaren zestig van de vorige eeuw probeerden de Scandinavische wetenschappers Niels Lassen, David Ingvar en Erik Skinhøj een nieuwe methode uit om de bloedcirculatie in het brein in kaart te brengen. Na geoefend te hebben met katten probeerden ze deze techniek in 1961 voor het eerst uit bij mensen. Ze brachten Xenon 133 – een radioactief stofje – via één van de slagaderen naar het brein. Met speciale detectoren werd de verspreiding van Xenon 133 in de hersenen gemeten. Een computer kon de veranderingen in de bloedcirculatie ten opzichte van een rustsituatie met kleuren aangeven. Er van uitgaande dat bloed naar gebieden gaat die actief zijn, geeft zo’n plaatje daarmee inzicht in welke gebieden actief betrokken zijn bij een bepaalde taak. De pixels van deze eerste afbeeldingen waren te grof om nauwkeurig hele kleine delen van het brein te kunnen zien en tussen de verschillende plaatjes zaten enkele minuten. Dus ‘live’ het brein volgen was toen nog niet mogelijk.

De afgelopen decennia zijn er verschillende technieken ontwikkeld die het brein in beeld brengen, elk met specifieke voor- en nadelen. De verschillende methoden leveren een soms frustrerende tegenstelling op voor de onderzoekers. Technieken die in milliseconden veranderingen in het brein kunnen meten zijn vaak minder precies in het lokaliseren; en methoden die anatomisch heel nauwkeurig zijn, presteren minder goed wat betreft de tijdsmeting. Wetenschappers en techneuten werken nu aan technieken die deze eigenschappen verenigen.

Het brein in beeld

In 1895 ontdekte de Duitse natuurkundige Wilhelm Röntgen dat met hoogfrequente electromagnetische stralen bepaalde structuren van de inwendige mens te zien zijn. Op basis van deze techniek is zo’n veertig jaar geleden de zogenaamde CT-scan ontwikkeld. Een CT-scan maakt gebruik van de absorptie van röntgenstralen door het weefsel. Sommige delen absorberen meer dan anderen en op deze manier is een goede driedimensionale kaart van het brein te maken. Op dit moment wordt er door ziekenhuizen en universiteiten meer gebruik gemaakt van de MRI-scan om het brein in beeld te krijgen. Een MRI-scan maakt gebruik van de magnetische straling van het hersenweefsel. Een MRI-scan kan gedetailleerdere afbeeldingen maken dan een CT-scan en produceert geen schadelijke straling. MRI- en CT-scans kunnen mooie plaatjes van het brein, maar geven geen inzicht in het actieve brein.

De eerste techniek om het actieve brein te registreren is het electro-encefalogram of e.e.g. geweest. Electroden, bevestigd op de schedel, nemen de elektrische activiteit van het brein waar. Het e.e.g. is in staat hele snelle veranderingen in elektrische activiteit waar te nemen, maar kan dit alleen van delen van het brein die dicht tegen de schedel aanliggen.

Twee technieken die veranderingen zowel aan de oppervlakte als diep in het brein kunnen waarnemen zijn de PET-scan en de functionele MRI of fMRI. Beide registreren de doorbloeding van het brein. Zoals alle cellen in ons lichaam hebben hersencellen ook brandstof nodig om goed te functioneren. Voor neuronen is glucose de belangrijkste brandstof. Dat wordt vervoerd door het bloed. Waar zich meer bloed bevindt, zijn de neuronen dus meer actief. Door mensen specifieke taakjes te geven en vervolgens te kijken waar in het brein zich de meeste activiteit plaatsvindt, kunnen onderzoekers nu – zonder twintig jaar te hoeven wachten – verbanden leggen tussen hersenen en mentale processen.

Zeeslak

Op 17 juli 1990 verklaarde president George Bush senior de jaren negentig tot het Decade of the brain. Hij riep op de krachten te bundelen om het inzicht in de drie pond wegende massa van ineengestrengelde hersencellen te vergroten, waardoor er betere behandelmethoden komen voor aandoeningen als depressie, drugsverslaving en Alzheimer.

Mede door meer overheidsfinanciering konden wetenschappers vanuit verschillende disciplines beter en intensiever samenwerken. De cognitiewetenschap begon zich meer rekenschap te geven van de eigenschappen van het brein. Ze probeerde neurotransmitters, hormonen en andere (vloei)stoffen mee te nemen in hun soms erg formele en strakke modellen. De wetenschap van de dry mind werd zo de wetenschap van de wet mind. Neurowetenschappers kregen meer aandacht voor de complexiteit van cognitieve functies en pasten hun soms wat te simpele neurale modellen hieraan aan.

Een kijkje in de diepe en duistere herinneringen van… een zeeslakje?

In het laatste jaar van het hersendecennium ontving de Amerikaanse neurowetenschapper Eric Kandel de Nobelprijs voor Geneeskunde voor zijn onderzoek naar de moleculaire werking van het geheugen. Volgens velen is zijn werk hét voorbeeld van neurocognitief onderzoek dat het moleculaire niveau verbindt met het psychologische niveau. Door onderzoek te doen met een zeeslak die een relatief simpel zenuwstelsel heeft met grote neuronen, kon hij in kaart brengen wat er op celniveau gebeurt bij het opslaan van een nieuwe herinnering. De ideeën van Hebb bleken te kloppen. Specifieke en herhaalde stimulatie zorgt voor veranderingen tussen neuronen, waardoor netwerken ontstaan.

Wetenschappers konden voor het eerst echt zien hoe een cognitief proces – het opslaan van een nieuwe herinnering – leidt tot een feitelijke verandering in onze hersenen. Een mijlpaal in het hersenonderzoek en de brug tussen neurowetenschappers en cognitieve psychologen…

Noot: dit artikel werd eerder gepubliceerd op Kennislink

Even voorstellen:

Max van der Linden heeft  psychologie,  wetenschaps- en technologiedynamica aan de Universiteit van Amsterdam gestudeerd. Vanaf 1998 doceert hij psychologie en psychobiologie aan diverse universitaire instituten. De tijd die hij nog overhoud naast het geven van onderwijs en het zorgen voor zijn dochter, besteedt hij aan schrijven. Het meeste plezier heeft hij beleefd aan het schrijven van zijn twee boeken. Begin 2006 verscheen een introductie in de cognitieve neurowetenschap: Hersenen en gedrag, evolutie, biologie en psychologie. Voorjaar 2009 is zijn eerste kinderboek verschenen: Een avontuurlijke reis door je hoofd, zo werken je hersenen.

Op dit moment (2010) schrijft hij een proefschrift over de geschiedenis van diepe hersenstimulatie bij psychiatrische aandoeningen.

www.maxvanderlinden.com

Artikel van auteur:
De toekomst van het brein
De ontdekking van het brein

Boeken van auteur:

Hersenen en gedrag

Hoe werkt ons brein en hoe stuurt ons brein gedrag aan? In Hersenen en gedrag wordt een helder overzicht gegeven van de huidige stand van zaken in het onderzoek naar dit onderwerp. Ook uniek is dat de vraag aan de orde komt waarom ons brein zich zo heeft ontwikkeld. Er is daarom veel aandacht voor de evolutionaire achtergrond van de diverse functies van de hersenen. Het boek begint met een beknopte geschiedenis van de cognitieve neurowetenschap. Vervolgens worden de principes van de evolutionair…

Een avontuurlijke reis door je hoofd
Max van der Linden
Een avontuurlijke reis door je hoofd

Bo’s moeder ligt al drie jaar in coma. Het lijkt alsof zijn moeder slaapt, maar Bo weet heus wel dat ze niet zomaar ineens wakker wordt. Hij begrijpt er dan ook niks van dat hij om de dag naar het ziekenhuis moet om zijn moeder te vertellen over school en zijn vriendjes, want ze zegt toch nooit iets terug. Als Bo op een dag uit verveling wat door het ziekenhuis gaat wandelen, belandt hij op een geheime afdeling. Daar ontmoet hij dr. Gnostis, die alles weet over de werking van de hersenen en bezig…

Over de auteur

Laat een Bericht achter




Een foto bij uw reactie kan met een Gravatar.