Focus op brein Door Michael O’Shea
brein
brein
Breinbedrading Bij zijn onderzoek aan de anatomie van zenuwcellen in de 19e eeuw stelde Santiago Ramón y Cajal voor dat signalen in één richting door zenuwcellen stromen. Het cellichaam en zijn vertakte uitlopers, dendrieten genoemd, verzamelen binnenkomende informatie van andere cellen. De verwerkte informatie wordt dan verstuurd van de zenuwcel langs de lange zenuwvezel, axon genoemd. De informatie gaat naar de synaps, waar de boodschap wordt overgedragen aan de volgende zenuwcel. Pas halverwege de vorige eeuw kregen neurowetenschappers grip op de details van deze elektrische signaalverwerking. We weten nu dat de boodschappen worden verstuurd als korte pulsen die we actiepotentialen noemen. Die hebben een lage elektrische spanning – ongeveer 0,1 volt – en duren slechts een paar duizendste van een seconde. In die korte tijd kunnen ze grote afstanden afleggen, met snelheden 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 neurotransmitters 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 moleculen elektrische schakelaars op het oppervlak van de ontvangende zenuwcel om. Dat kan die zenuwcel stimuleren om zijn eigen signaal te versturen, of het kan
tijdelijk zijn activiteit remmen. Beide opties 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.
De historie van hersenen Axonuiteinde vormt synapsen met volgende zenuwcel
Axon Myelineschede
250.000 jaar geleden gebeurde er iets buitengewoons. 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 intelligentie was. Inmiddels liggen enkele antwoorden daarop binnen handbereik, dankzij enorme kennis van de bouwsteen van het brein: de zenuwcel.
Kern
Het begin Dendrieten Neuronen behoren tot de meest gevarieerde cellen in het menselijk lichaam, alhoewel ze alle dezelfde basale kenmerken delen
wikimedia commons
Motor Zendt signalen naar delen van het menselijk lichaam, zoals spierweefsel, voor directe beweging
Sensorisch Verstuurt signalen vanuit de rest van het lichaam naar de hersenen
Inter Zorgt voor een verbinding tussen andere zenuwcellen
Piramidaal Betrokken in vele cognitieve gebieden, zoals bij het herkennen van voorwerpen in de visuele schors
70 | New Scientist | juni 2013
Het plastische brein In tegenstelling tot elektronische schakelingen in een computer zijn de netwerken van zenuwcellen flexibel. Ze gebruiken daarvoor een speciaal soort neurotransmitters. Deze ‘neuromodulatoren’ werken als een volumeknop. Ze stellen in hoeveel er aan andere neurotransmitters in de synaps vrijkomt en ze regelen hoe sterk een zenuwcel reageert op binnenkomende signalen. Hierdoor kan het brein de hersenactiviteit 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 hersenweefsel en brengen daarin een golf van veranderingen teweeg. Stikstofoxidemoleculen zijn bijvoorbeeld zo klein dat ze zich gemakkelijk verspreiden vanaf de zenuwcellen waar ze ontstaan. In andere zenuwcellen veranderen ze de hoeveelheid neurotransmitters die bij zenuwimpulsen 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.
Santiago Ramón y Cajal, de vader van de moderne neurowetenschap. wikimedia commons
De geboorte van de neurowetenschappen vond zo’n 2500 jaar geleden plaats, in de tijd van Hippocrates. Terwijl zijn tijdgenoten, waaronder Aristoteles, geloofden dat de geest zetelt in het hart, meende Hippocrates dat de hersenen de zetel vormen 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 opgehelderd. Veel geleerden uit de Oudheid richtten zich alleen op de met vloeistof gevulde holten in het brein, de ventrikels. Galenus, een invloedrijke arts uit de 2e eeuw, was een groot voorstander van dit idee. Hij geloofde dat onze hersenen drie ventrikels hadden, en dat elk daarvan zorgde voor een ander geestelijk vermogen: verbeelding, 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 machine. Dat idee had echter een belangrijk euvel: een vloeistof kan niet snel genoeg bewegen om de snelheid van onze reacties te verklaren. Een meer verlichte benadering ontstond toen een nieuwe generatie anatomen steeds nauwkeuriger de hersenen in kaart bracht. Een vooraanstaande ana-
toom was de 17e-eeuwse Engelse arts Thomas 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 reageren. 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 zenuwcel 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 overeenkomen met menselijke zenuwcellen. Dat wijst erop dat ons denkvermogen afhangt van de manier waarop zenuwcellen zijn geschakeld. Cajals visie opende de deur naar een nieuwe manier van denken over de informatieverwerking in de hersenen – een visie die nog altijd als het uitgangspunt in de neurowetenschap geldt. juni 2013 | New Scientist | 71
brein
Hersenen in kaart gebracht
Voorhersenen Veel van onze unieke menselijke vaardigheden danken we aan de voorhersenen, die zich al vroeg in onze evolutie ontwikkelden. Een onderdeel van de voorhersenen is de thalamus, een schakelstation dat zintuiglijke informatie doorgeeft aan de hersenschors voor verwerking op ‘hoger niveau’. In de voorhersenen bevindt zich ook de hypothalamus, die hormonen afgeeft aan de bloedsomloop. Andere structuren in de voorhersenen zijn de amygdala, 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 soepelheid van bewegingen die door de hersenschors in gang worden gezet. Verbindingen in dit gebied worden gemoduleerd door de neurotransmitter dopamine, afkomstig uit de substantia nigra in de middenhersenen. Een defect in de aanvoer van dopamine wordt in verband gebracht met symptomen van de ziekte van Parkinson, zoals traagheid van beweging, trillen en een verstoord evenwicht. Ten slotte is er de hersenschors, de twee omhullende halve bolschillen waarvan we denken dat die ons ‘mens’ maken. Hier maken we plannen, vormen we woorden en komen ideeën op. Hier huist onze creativiteit, 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 miljard verbindingen tussen zenuwcellen, wat inhoudt dat de schors grotendeels in zichzelf praat. Elke helft van de hersenschors bestaat uit vier kwabben (zie diagram). De voorste kwab bevat de zenuw72 | New Scientist | juni 2013
schakelingen voor denken en plannen. De achterhoofdkwabben en de slaapkwabben zorgen vooral voor de verwerking van respectievelijk visuele en auditieve informatie. De wandbeenkwabben zijn betrokken bij aandacht en de integratie van zintuiglijke informatie. Het lichaam is op allerlei manieren 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 bewegingen weergeeft. Deze kaarten neigen ertoe de basale lichaamsstructuur te behouden. Het gevolg is dat bijvoorbeeld zenuwcellen die gevoel vanuit de voeten verwerken dicht bij de zenuwcellen liggen die waarnemingen uit de benen afhandelen — en minder dicht bij de zenuwcellen waar de gegevens vanaf de neus belanden. De verhoudingen zijn echter verstoord, met meer hersenweefsel gewijd aan handen en lippen dan aan romp of benen. De communicatiebrug tussen onze twee hersenhelften is een vezelbundel met ongeveer een miljoen axonen. Soms snijden artsen de brug door bij patiënten om epileptische aanvallen te verminderen. Dat kan echter het ‘zelf’ splijten. Het is alsof het lichaam wordt bestuurd door twee onafhankelijk denkende hersenen. Een roker die de ingreep had ondergaan, meldde dat als hij met zijn rechterhand naar een sigaret reikte, zijn linkerhand die pakte en weggooide. Zoals eerder vermeld, worden verschillende taken door verschillende hersengebieden uitgevoerd. Toch hoef je maar je ogen te openen om te zien dat deze taken naadloos worden gecombineerd: diepte, vorm, kleur en beweging versmelten tot een driedimensionaal beeld. Hoe dat precies kan, blijft vooralsnog een raadsel. Dit zogeheten bindingsprobleem is een van de vele vragen die klaarliggen voor de volgende generatie onderzoekers.
Met miljarden zenuwcellen in huis is ons brein het meest complexe orgaan dat we kennen. Om de architectuur van het brein te doorgronden, richtten onderzoekers zich vroeger vooral op hersenbeschadiging. Lokale schade in de hersenen leidt namelijk tot zeer specifieke beperkingen, bijvoorbeeld op het gebied van taal of rekenen. Met geavanceerde beeldtechnieken bestuderen onderzoekers tegenwoordig ook intacte hersenen. Ze volgen bijvoorbeeld 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.
Als je de brug tussen de twee hersenhelften doorsnijdt, splijt het ‘zelf’. Het is alsof het lichaam wordt bestuurd door twee onafhankelijk denkende hersenen
Achterhersenen
Voorste gedeelte van de hersenen Basale kernen Thalamus Hypothalamus Amygdala Hippocampus
Middenhersenen De middenhersenen spelen een rol bij veel fysieke handelingen. Een van de centrale structuren daarin is de substantia nigra, zo genoemd omdat het een rijke bron is van de neurotransmitter dopamine. Die stof kleurt hersenweefsel na de dood zwart. Omdat dopamine cruciaal is voor de beheersing van beweging, wordt vaak gezegd dat de substantia nigra als het ware de raderen van de beweging 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 informatie, aansturen van oogbewegingen en het regelen van de stemming.
Hersenschors
Middenhersenen Substantia nigra ruithersenen Pons Kleine hersenen Verlengde merg
Voorhoofdkwab
wandbeenkwab achterhoofdkwab slaapkwab
Zoals de naam doet vermoeden, liggen de achterhersenen 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 gewervelden. 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 andere 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 gelaatsuitdrukkingen en het verwerken van informatie over bewegingen. Het meest prominente deel van de achterhersenen zijn de kleine hersenen, met hun zeer opvallende kronkelige oppervlak. Ze worden rijkelijk voorzien van zintuiglijke informatie over de positie en de bewegingen van het lichaam. De kleine hersenen verwerken en onthouden informatie die nodig is voor het uitvoeren van complexe fijnmotorische bewegingen.
juni 2013 | New Scientist | 73
brein
Elkaar spiegelen Sommige neurowetenschappers geloven dat de ontdekking van spiegelneuronen de neurowetenschappen net zo ingrijpend gaat veranderen als de ontdekking van DNA met de evolutiebiologie deed. Spiegelneuronen kunnen mogelijk de basis van allerlei typisch menselijke eigenschappen, zoals empathie, ontsluieren. Spiegelneuronen gedragen zich opvallend anders dan 'gewone' neuronen. Ze versturen niet alleen signalen als we zelf een handeling uitvoeren (zoals een koffiekopje oppakken) maar ook als we iemand anders dat zien doen. Dat duidt erop dat ze ons laten inzien met welke bedoeling anderen een bepaalde handeling 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 gebaren. Alhoewel dat idee omstreden is, neemt bewijs ervoor toe. Zo toont MRI-onderzoek aan dat een spiegelneuronensysteem te vinden is vlakbij het taalcentrum dat bekendstaat als het gebied van Broca.
De zintuigen ontcijferd Hoe leggen neuronen informatie zodanig vast dat we onmiddellijk een bekend gezicht, ons huis of favoriete boek herkennen? De meeste neurowetenschappers vermoeden dat de hersenen ons concept van een voorwerp vastleggen met vele zenuwcellen, waarbij al die cellen moeten samenwerken wil je iets herkennen. Volgens deze theorie is de activiteit van een enkele zenuwcel niet representatief voor een bepaald voorwerp, omdat die activiteit ook kan samenhangen met vergelijkbare kenmerken van andere voorwerpen. In plaats daarvan bepaalt het gedrag van een groep zenuwcellen welke betekenis opkomt. Sommige neurowetenschappers claimen dat we concepten kunnen vastleggen
Een bewuste computer
De zoektocht naar de menselijke geest 2500 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.
Schets van het grote beeld
Reageert jouw Jennifer Aniston-zenuw op deze foto? shutterstock
De hersenensimulatie SPAUN herkent visuele informatie en voert geheugenopdrachten goed uit
Met dit kleurrijke connectoom van de ontelbare snelwegen in de hersenen willen wetenschappers beter begrijpen hoe onze zenuwbedrading werkt. Human connectome project
Corbis
‘Bewustzijn is een fascinerend, maar ongrijpbaar fenomeen’, schreef de Britse psycholoog Stuart Sutherland (1927-1998). ‘Het is onmogelijk om aan te geven wat het is, wat het doet of waarom het is ontstaan. 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 'intelligente' hersensimulaties die in staat zijn tot bewuste gedachten en begrip. Een veelbelovend project is het Semantic Pointer Architecture Unified Network. Het SPAUN-model bestaat uit 2,5 miljoen kunstmatige zenuwcellen. Onlangs bleek dat het computermodel taken kan uitvoeren die bijdragen aan het menselijke denkvermogen (Science, november 2012). Het kan bijvoorbeeld visuele informatie herkennen en allerlei geheugenopdrachten goed uitvoeren. Met meer van dit soort modellen moet het uiteindelijk mogelijk zijn om te testen hoe ons bewustzijn ontstaat.
in kleinere, meer selectieve netwerken van zenuwcellen. Volgens dit utigangspunt kan een zenuwcel zich specialiseren tot een enkel idee. In één onderzoek zagen vrijwilligers bijvoorbeeld afbeeldingen van filmsterren en beroemde gebouwen terwijl de onderzoekers de bijbehorende activiteit van een verzameling afzonderlijke zenuwcellen vastlegden. De resultaten waren verrassend en lieten bijvoorbeeld zien hoe één van de bestudeerde zenuwcellen reageerde op allerlei verschillende afbeeldingen van de actrice Jennifer Aniston (Nature, 23 juni 2005). In sommige gevallen waren het niet alleen de afbeeldingen die een zenuwcel tot activiteit aanzette. Sommige 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 waarom we dingen kunnen herkennen vanuit uiteenlopend perspectief of in onbekende omgeving.
Nu alsmaar geavanceerdere technieken extreem nauwkeurige beelden van de hersenen opleveren, willen enkele neurowetenschappers een kaart maken van de verbindingen 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 axonverbindingen bij eeneiige en twee-eiige tweelingen. Dat onderzoek moet onthullen wat de invloed is van genen en iemands 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 voortkomen uit verschillen in de bekabeling van de hersenen. Met een ander project willen onderzoekers nagaan hoe genen tot uitdrukking komen in zowel de zich ontwikkelende als in de volwassen hersenen. Als de eigenschappen van een zenuwcel veranderen tijdens veroudering, geheugenvorming of ziekte, verandert ook de genexpressie. Daarom zal dit project, genaamd Human Brain Transcriptome, naar vewachten een centrale rol vervullen bij toekomstig hersenonderzoek.
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).
focus
Focus op brein openingsbeeld: shutterstock
Door Michael O’Shea
Vooruitzichten Is de menselijke geest misschien te complex om volledig te begrijpen? Veel prominente onderzoekers vrezen van wel. Neem bijvoorbeeld fysicus en Nobelprijswinnaar 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 wonder is groter (...) en dat ligt in een andere dimensie. Ik bedoel hiermee het feit dat wij, terwijl ons totale ‘zijn’ volledig is gebaseerd op de wonderlijke wisselwerking van juist deze aard, toch beschikken over het vermogen om aanzienlijke 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 tweede wonder zou zomaar eens buiten het bereik van menselijk begrip kunnen liggen.’ Lopen we werkelijk tegen de grenzen van ons cognitieve vermogen aan als we proberen het bewustzijn te doorgronden? Misschien moeten we de zaken niet zo somber zien. Als we inderdaad in het duister tasten omdat de huidige natuurkunde niet toereikend is, dan moeten we uitkijken naar nieuwe natuurkundewetten die licht zullen werpen op het diepste van alle mysteries: de natuurkundige mechanismen en principes van het bewustzijn.
Meer informatie
Aanbevolen literatuur Principes of Neural Science (5th edition) Eric Kandel e.a. McGraw-Hill Medical, 2012 Het Breinboek Rita Carter Veen Magazines, 2010 The Brain: A very short introduction Michael O’Shea Oxford University Press, 2005 Shadows of the Mind: A search for the missing science of consciousness Roger Penrose Oxford University Press, 1994 The Astonishing Hypothesis: The scientific search for the soul Francis Crick. Scriber Book Company, 1994 Websites Sackler Centre for Consiousness Science http://www.sussex.ac.uk/sackler The Society for Neuroscience- - Brain Facts http://bit.ly/W3CKlQ Large-scale human brain projects: http://humanconnectomeproject.org en http://humanbrainproject.eu/files/ HBP_flagship.pdf What is life? Erwin Schrödinger, 1944. Downloadbaar http://whatislife.stanford.edu/LoCo_files/What-is-Life.pdf
76 | New Scientist | juni 2013
