Breinwijzer vzw 2014 ‘Je brein vormt je zijn, maar je zijn vormt ook je brein.’ Het kneedbare en maakbare brein
In 2014 wordt het jaarthema ‘I-‐Brain & Wonders -‐ over de plasticiteit en de maakbaarheid van het brein’. De onveranderlijkheid van het menselijke brein – althans, dat van de volwassen hersenen – was tot voor kort een centraal dogma in de hersenwetenschappen. De laatste jaren is dat dogma echter helemaal omgevallen. Wetenschappers hebben concrete aanwijzingen gevonden dat tal van factoren van buitenaf – denk aan lichaamsbeweging, medicatie, voeding, intensieve studie – de werking van ons brein beïnvloeden. Blijvend. Aanvullend heeft men in de gezondheidszorg lange tijd aangenomen dat de hersenen niet in staat waren schade te compenseren, omdat men er van uitging dat de structuur en de functionele organisatie van de hersenen vanaf de geboorte vastlag en niet meer kon wijzigen. De ontdekking in het begin van de jaren ’90 van neurale stamcellen in de hersenschors, bewees dat het volwassen brein wel degelijk nieuwe hersencellen (de ‘grijze massa’) produceert. Die cellen kunnen bijvoorbeeld een specifiek hersengebied versterken of uitbreiden. Zo werd bij geroutineerde Londense taxichauffeurs (die alleen een vergunning krijgen als ze de plattegrond van de Britse hoofdstad helemaal uit hun hoofd kennen) een grotere hippocampus vastgesteld – een gebied in onze hersenen dat een belangrijke rol speelt in ons leervermogen en ons geheugen. Behalve cognitieve taken kunnen ook herhaalde bewegingen een hersengebied stimuleren en versterken. Bij ervaren violisten is het gebied in de hersenen dat instaat voor de coördinatie van de linkerhand, veel meer uitgesproken dan het gebied dat met de strijkhand is verbonden. De uitbreiding van hersengebieden door een – al dan niet cognitieve – ervaring, is maar één vorm van de zogenaamde plasticiteit van onze hersenen – neuroplasticiteit, oftewel de ‘kneedbaarheid van ons brein’. Het kneden van onze hersenen kan ook plaatsvinden onder de vorm van een heuse reorganisatie – hersengebieden krijgen nieuwe bevoegdheden toegewezen – of door de creatie en consolidatie van nieuwe verbindingen tussen gebieden in de vorm van zenuwbanen. Sinds de ontdekking van neuroplasticiteit bezien we onze (volwassen) grijze massa dus niet langer als een rigied, statisch geheel, maar als een dynamisch netwerk dat beïnvloedbaar is van buitenaf. Onze hersenen kunnen daadwerkelijk slinken of dikker worden – ook zonder neurodegeneratieve ziekten zoals Alzheimer dementie of de ziekte van Parkinson – en
1
nieuwe zenuwbanen kunnen worden gesmeed (synaptogenese), verfijnd, of omgekeerd, verzwakt en verbroken (pruning). En belangrijk: dit gebeurt ons hele leven lang. Niet of weinig gebruikte verbindingen verdwijnen en moeten plaats ruimen voor andere ‘populaire’ verbindingen – allemaal volgens het principe ‘use it, or lose it’. Het aantal keer dat we een bepaalde handeling doen of ervaring hebben, bepaalt wat relevant is voor ons brein en hoe onze grijze massa op structureel en functioneel vlak wordt ingedeeld. Deze reorganisaties zijn zichtbaar op het niveau van het gedrag, de anatomie, de fysiologie, op cellulair en moleculair niveau. De omgeving speelt hierbij een centrale rol omdat de hersenen gevormd worden door eigenschappen van de omgeving waarin iemand leeft en door het gedrag dat iemand vertoont. Als we ‘leren’ zouden definiëren als het ons eigen maken van nieuwe, cognitieve vaardigheden – dit kan gaan van een simpel ezelsbruggetje om iets beter te kunnen onthouden tot het volledig onder de knie krijgen van een tweede taal – dan heeft het bestaan van neuroplasticiteit het aangename gevolg dat niets ons ervan weerhoudt om ons hele leven lang te leren. Bovendien biedt neuroplasticiteit goede hoop op een betere behandeling van tal van hersenaandoeningen of –letsels die gepaard gaan met een (versneld) verlies van hersencellen, of met het wegvallen van verbindingen tussen verschillende hersengebieden. Neuroplasticiteit impliceert dus dat onze hersenen beïnvloedbaar zijn door prikkels van buitenaf. Die prikkels kunnen afkomstig zijn van de zintuigen, van lichaamsbeweging, van cognitieve taken (lezen bijvoorbeeld) en zelfs van emoties. Door een juiste, gerichte combinatie van deze prikkels kunnen mensen hun motorische, zintuiglijke, emotionele of cognitieve vaardigheden verbeteren. Of om het met een slogan te zeggen: ‘Ons brein vormt ons zijn, maar ons zijn vormt ook ons brein’. Een goed begrip van neuroplasticiteit kan grote gevolgen hebben voor tal van maatschappelijke domeinen, zoals bijvoorbeeld het onderwijs. Uit onderzoek is gebleken dat onze hersenen niet alleen plastisch (‘kneedbaar’) zijn, maar dat voor bepaalde vaardigheden de leeftijd van de hersenen een belangrijke rol speelt. Van (ten minste) één deel van onze hersenen, namelijk de hersenschors, is bekend dat het zich niet gelijkmatig ontwikkelt. Het maakt ‘snelle’ en ‘trage’ periodes door – alsof ons brein aan één lange uitgesponnen intervaltraining bezig is. Afhankelijk van de levensfase waarin we ons bevinden, is de hersenactiviteit sensitief en specifiek voor het leren van bepaalde vaardigheden. Voor een optimaal leerproces komt het er dus op aan het aanleren van de juiste vaardigheid te koppelen aan de overeenkomstige levensfase. De zogenaamde ‘sensitieve periode’ is een voorbeeld hiervan. Ervaringen kunnen op verschillende manieren de hersenen beïnvloeden en het effect van sommige ervaringen is beperkt tot een sensitieve periode in de ontwikkeling. Dit zijn tijdsvensters waarbinnen de invloed van omgevingsfactoren, in negatieve en in positieve zin, is verstrekt. Onderzoek heeft uitgeklaard dat deze tijdsvensters verklaren waarom bijvoorbeeld een kind op jonge
2
leeftijd accentloos een tweede taal kan aanleren. Anderzijds verhogen deze tijdsvensters ook de kansen op leren doorheen de hele levensloop. Daardoor kunnen bijvoorbeeld, naast fysieke fitheid, ook de cognitieve reserves bij oudere mensen verstevigd worden, door hen bijvoorbeeld complexe cognitieve spelletjes om hun brein weer scherp te krijgen – zogenaamde mind games te laten beoefenen. Maar er zijn andere manieren om onze hersenen te kneden. De laatste jaren hebben we een breed scala aan innovatieve therapieën zien ontstaan die, vertrekkende van het feit dat ook volwassen hersenen plastisch zijn, patiënten met een hersenaandoening kunnen helpen. Eén behandelingswijze – misschien wel de mooiste, want de opzet is doodeenvoudig – is de spiegeltherapie (mirror visual feedback). Deze (nog experimentele) therapie ontstond in de jaren ’90 als een manier om fantoompijn of fantoomsensaties (het gevoel dat een geamputeerd lidmaat er nog is) te bestrijden. Bij een amputatie verdwijnt het ‘mentale lichaamsbeeld’ niet uit de hersenen. Dit mentale lichaamsbeeld wordt door abnormale reorganisatie (negatieve plasticiteit)geactiveerd zodat de patiënt het geamputeerde lidmaat nog als bestaand ervaart. Via een spiegel nemen de hersenen de reflectie van hun nog aanwezige lidmaat (bijvoorbeeld de rechterhand) als waar aan. De patiënt ziet zichzelf met andere woorden als was er geen amputatie. Dit blijkt de abnormale reorganisaties die verantwoordelijk zijn voor de fantoomsensaties tegen te werken. Dit leidt tot een aanpassing in de hersenen aan de situatie waarin de hand geen pijn meer voelt of waarin ze volledige bewegingsvrijheid geniet. Een andere innovatieve therapie is neuromodulatie. Hierbij wordt bij bepaalde vormen van neurostimulatie de activiteit in de hersenen beïnvloed door toediening van elektrische stroompulsen. De werking van neuromodulatie rust op het feit dat de veranderingen die worden bewerkstelligd door de stroompulsen, vaak blijvend zijn – of toch op z’n minst een tijd persisteren. Klinisch onderzoek bij patiënten met chronische pijn, oorsuizingen, de ziekte van Parkinson, depressie en zelfs alcoholisme heeft aangetoond dat neuromodulatie voor tal van hersenaandoeningen werkt. Bij de ziekte van Parkinson wordt doorgaans een welbepaalde variant van neuromodulatie gebruikt: diepe hersenstimulatie, of DBS. Via een ingeplante stimulator worden – al dan niet automatisch – pulsen verstuurd naar hersengebieden die bijvoorbeeld tremor (het beven) of verkramping veroorzaken. In wezen wordt de ziekte van Parkinson dus niet bij de wortel aangepakt, maar via de symptomen. Bij neuromodulatie wordt er doorgaans ook niet gefocust op één plek in de hersenen. De aandoeningen die ermee worden behandeld, worden immers meestal veroorzaakt door fouten in een heel hersennetwerk. Door in te pluggen op dat netwerk kunnen de symptomen van de aandoeningen wordt verlicht. Het elektrische netwerk van onze hersenen kan ook worden beïnvloed zónder dat er stroompulsen moeten worden toegediend. Bij transcraniële magnetische stimulatie (TMS) worden er geen elektrische pulsen toegediend, maar opgewekt. Dit gebeurt door een spoel
3
die korte magnetische pulsen uitstuurt. Het elektriciteitsnetwerk van de hersenen wordt hierdoor gewijzigd en/of versterkt. Doorgaans wordt TMS gebruikt om hersengebieden te beïnvloeden die vlak onder de schedel liggen. Bij patiënten met een laesie kan een herhaaldelijke behandeling met TMS (rTMS) ervoor zorgen dat twee gebieden weer met elkaar gaan communiceren. Met magnetische stimulatie kan de elektrische activiteit in onze hersenen ook worden verminderd. Dat is het geval bij transcraniële gelijkstroom stimulatie (tDCS). Deze techniek wordt gebruikt om overactiviteit in specifieke hersengebieden te verminderen – bijvoorbeeld in de ‘hoorgebieden’ bij oorsuizingen of tinnitus. De laatste jaren is er nogal wat te doen over een volstrekt andere innovatie die sterk met neuroplasticiteit is verbonden: de brain-‐computer interface (BCI). In hoofdzaak is het een niet-‐invasieve technologie die het mogelijk maakt om hersenprocessen automatisch ‘uit te lezen’ – wat een directe communicatie kan bewerkstelligen bij (bijvoorbeeld) locked-‐in-‐ patiënten. Het feit dat de uitgelezen informatie kan worden teruggekoppeld naar de patiënt en vervolgens geïnterpreteerd, maakt dat de hersenen ook in omgekeerde richting ontvankelijk zijn voor de berichten van de computer. Daardoor kunnen ze gestimuleerd worden om zich te gaan reorganiseren en specifieke vaardigheden te versterken. BCI’s zouden zelf instaat kunnen zijn emoties uit te lezen – hoewel een mind reader natuurlijk een ferme inbreuk zou betekenen op de privacy. Een onderzoeksgroep van de KULeuven kon al draagbare BCI, in de vorm van een EEG-‐hersenscan, ontwikkelen die hersensignalen uitleest en omzet in taal. De drager van de BCI kiest in gedachten letters en tekens die hij ziet op een display. De techniek is vooral interessant voor mensen die door een hersenletsel moeilijkheden ondervinden met communiceren. De BCI verplicht hun hersenen om de gebieden voor communicatie toch weer te gaan gebruiken. Nog een voorbeeld van een niet invasieve BCI ‘state of the art’ technologie – eveneens van Belgische bodem (KULeuven en VUB)– is de ‘exoskeleton’, een assistieve roboticatechnologie. Het MIRAD (MIRAD staat voor 'an integrated Methodology to bring Intelligent Robotic Assitive Devices to the user') brengt experten uit verschillende domeinen samen om een geïntegreerde methodologie te ontwikkelen die intelligente, assistieve robotsystemen dichter bij de gebruikers kan brengen. Deze technologie is van directe toepassing in de gezondheidssector: het gaat om een intelligent, actief exoskeleton dat personen met mobiliteitsproblemen ondersteunt bij het stappen. Een gelijkaardige toepassing van deze technologie is het project ‘Mind Walker’, het combineert de exoskeleton met de EEG hersenschan, BCI en virtuele realiteit.
4
Bron: Mind Walker: https://mindwalker-‐project.eu/
Het is belangrijk dat we ons realiseren dat neuroplasticiteit een tweesnijdend zwaard is. Enerzijds geeft het ons de mogelijkheid om onze hersenen te blijven stimuleren en optimaliseren, anderzijds betekent dit ook dat ons brein danig beïnvloed – zeg maar: getraumatiseerd – kan worden door negatieve invloeden van buitenaf. Dat is zeker het geval bij jonge kinderen. Tijdens de vroege kinderjaren kennen de hersenen een explosieve groei. Onnoemelijk veel neurale verbindingen worden dan gecreëerd, en tal van hersengebieden krijgen nieuwe functies toegewezen. Uit onderzoek is gebleken dat negatieve invloeden een hyperactieve stressreactie kunnen veroorzaken die blijvende schade aan de hersenen toebrengt. Hersenen dienen dus niet alleen gestimuleerd te worden – met goede invloeden – maar in zekere mate ook beschermd. Neuroplasticiteit brengt met zich mee dat we niet per definitie machteloos staan tegenover de natuurlijke veroudering van onze hersenen. Integendeel, het komt erop aan ons brein scherp te houden, want volgens verschillende grootschalige onderzoeken is net dát de beste manier om het verouderingsproces te vertragen. Uit een grootschalig Amerikaans onderzoek waarbij zevenhonderd kloosterzusters gedurende twintig jaar werden gevolgd, bleek dat stimulatie van de intellectuele activiteit een goede bescherming biedt tegen verschillende types van neurodegeneratie – al dan niet veroorzaakt door ziekten als Alzheimer dementie of de ziekte van Parkinson. Dat scherp houden van ons brein tijdens onze oude dag kan overigens op velerlei manieren. Zo hoeven het niet altijd complexe, uitdagende interactieve spelletjes te zijn. Een iets traditionelere methode werkt waarschijnlijk evengoed: door na het pensioen bijvoorbeeld
5
actief te blijven in het verenigingsleven, waarbij de complexiteit van organisatorische taken er vanzelf voor zorgt dat onze hersenen voortdurend worden ‘gekneed’. Wetenschappelijke bronnen en literatuur: Exoskeleton http://www.mirad-‐sbo.be/ , https://mindwalker-‐project.eu/ Suzanne L. Tyas, David A. Snowdon, Mark F. Desrosiers, Kathryn P. Riley and William R. Markesbery (2007). Healthy ageing in the Nun Study: Definition and neuropathologic correlates.Age and Ageing, 36(6), 650-‐655 Protecting brains, not simply stimulating minds; Jack P. Shonkoff, Science (19 augustus 2011) The use of visual feedback, in particular mirror visual feedback, in restoring brain function; V. S. Ramachandran1 and Eric L. Altschuler; Brain 2009: 132; 1693–1710 Neural interface technology for rehabilitation, exploiting and promoting neuroplasticity; Wei Wang et al. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2788507/ The ageing brain: neuroplasticity and lifelong learning; Eleonora Guglielman, University Roma Tre https://www.academia.edu/2039409/The_Ageing_Brain_Neuroplasticity_and_Lifelong_Lear ning Using non-‐invasive brain stimulation to augment motor training-‐induced plasticity, Nadia Bolognini, Alvaro Pascual-‐Leone and Felipe Fregni; Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation (17 maart 2009)
6
