Het Parool zaterdag 28 oktober 1995
PET snijdt levend brein aan plakjes door Edith Das
Het brein bruist van leven. Hersenafbeeldingstechnieken laten zien hoe de activiteit in verschillende hersendelen wisselt bij alledaagse bezigheden als horen, zien, praten, nadenken, leren of iets in het geheugen opzoeken.
D
E Britse computerpionier Alan Turing zei ooit dat de menselijke hersenen nog het meest leken op een kom koude havermoutpap. Misschien van buiten - maar met moderne hersenscans kunnen we beelden krijgen van de levende menselijke hersenen van binnen, en wat we daar zien is geen koude pap, maar iets wat voortdurend gonst van de activiteit. Hersenafbeeldingstechnieken geven een uniek venster waardoor onderzoekers denkprocessen kunnen bestuderen terwijl de schedel dicht blijft. Gedachten lezen is er niet bij, maar wel valt te zien welke gebieden van de hersenen actief zijn bij uiteenlopende processen als lezen, van een schilderij genieten, naar muziek luisteren, een gezicht in de menigte herkennen, een telefoonnummer onthouden, beslissingen nemen of plannen maken. Daarbij blijkt het ook nog mogelijk om ingewikkelde denkactiviteiten uiteen te rafelen. Uitgekiende psychologische onderzoeksmethoden en geavanceerde beeldvormingstechnieken zijn nodig om dit voor elkaar te krijgen. Daarom werken psychologen en neurowetenschappers samen op dit gebied, de cognitieve neurowetenschap. De gezamenlijke inspanning moet de nog steeds mysterieuze verbanden tussen lichaam en geest blootleggen. .Twee bekende Amerikaanse deskundigen, psycholoog Michael Posner en neuroloog Marcus Raichle, zijn al jarenlang gefascineerd door dit onderwerp. Hun boek, Beelden. in ons brein, dat zojuist in Nederlandse vertaling is verschenen, laat een breed publiek delen in hun enthousiasme. Wat speelt zich bijvoorbeeld af in het brein als je iemand vraagt zijn ogen te sluiten en zich zijn poes voor te stellen? Zo'n voorstelling is natuurlijk privé, maar met de huidige technieken is het mogelijk om na te gaan wat er in de hersenen gebeurt bij het totstandkomen van dat beeld. De vraag is hoe mensen het klaarspelen om een beeld te vormen als er geen lichtprikkels op hun netvlies vallen.
H
ET brein blijkt daarbij voor een groot deel dezelfde hersensystemen in de visuele schors te gebruiken als bij het echte zien, ook al gaat het in het ene geval om een reconstructie uit het geheugen en in het andere geval om informatie via de ogen. En bij het beantwoorden van de vraag waar in het ouderlijk huis de keuken was, begint er in de visuele voorstelling van dat huis een speurtocht. Daarbij is een van de achterkwabben aan de bovenkant van de hersenen betrokken. Voor de vorming van beelden is ten slotte ook een uitvoerend netwerk nodig, dat zich voorin de hersenen bevindt.
Zulke conclusies zijn gebaseerd op een hele reeks van onderzoeken, zowel bij gezonde mensen als bij patiënten met bijzondere afwijkingen in de visuele beeldvorming door een hersenbeschadiging: een patiënt die alles kan behalve gezichten onthouden, en die zijn vrouw alleen herkent als ze een opvallende haarstrik draagt; een andere patiënt die zijn vrouw wel herkent, maar die een gebrekkig idee heeft van waar dingen zich in de ruimte bevinden en dus de weg naar huis niet weet en overal tegen opbotst; of mensen die zich maar van één helft van hun blikveld bewust zijn en de andere helft negeren - zij zien bij het eten alleen wat op de rechterhelft van hun bord ligt en missen vaak hun stukje vlees. Uit dit soort specifieke problemen, in combinatie met hersenscans bij gezonde mensen, putten onderzoekers informatie over het normale brein.
D
E geleerden zijn het er inmiddels over eens dat het waarnemingsproces valt op te delen in tamelijk zelfstandige onderdelen. Elk deelproces heeft een vaste plek in de hersenen. Zo zijn met beeldtechnieken diverse hersengebieden voor de visuele waarneming geïdentificeerd. Verschillende gebieden ontfermen zich over de afzonderlijke aspecten van wat we zien: gegevens over vorm, kleur en beweging gaan voor een eerste analyse elk naar een ander hersengebied. Minder zeker is nog, of de meer complexe denkprocessen ook een eigen, vaste plaats van verwerking in de hersenen hebben. De uitdaging aan de onderzoekers is om dergelijke plekken in de hersenen op te sporen, voorzover ze bestaan. Een van de nieuwe beeldtechnieken waarmee dat gebeurt is PET: positron-emissietomografie. PET geeft een beeld van de zenuwactiviteit in de verschillende hersendelen. Hersenactiviteit vraagt energie en die wordt geleverd door suiker en zuurstof in het bloed. Bij extra vraag naar energie neemt plaatselijk de doorbloeding toe, en die is zichtbaar te maken door het toedienen van een geringe hoeveelheid radioactief water - de hoeveelheid radioactiviteit daarbij is miniem en binnen tien minuten verdwenen. Het radioactieve water wordt weer gewoon water onder uitzending van twee lichtdeeltjes, en die worden opgevangen en verwerkt door een detector. Door de detectors op elkaar te stapelen, kunnen de hersenen van boven tot onder als plakjes worden weergegeven. Een computer telt het aantal lichtdeeltjes en dus de activiteit van elk hersengebied. Voor het gemak van de onderzoeker worden dan meestal de gebieden met de sterkste bloedtoevoer wit gekleurd, gevolgd door kleurschakeringen van rood naar geel, via groen naar blauw, met tenslotte paars voor zeer geringe activiteit.
B
IJ PET-onderzoek moet natuurlijk in detail bekend zijn waar de proefpersoon zich mentaal mee bezig houdt. Mentale processen zitten ingewikkelder in elkaar dan het lijkt. Het benoemen van een voorwerp, zoals een piano, doen we in een handomdraai. Het kost minder dan een seconde. Maar in die korte tijd zijn de hersenen eerst koortsachtig aan het werk om het beeld van de piano te ontleden en te verwerken. Dan zoeken ze naarstig in het mentale woordenboek, en vervolgens activeren ze ook nog eens bliksemsnel allerlei spraakklanken en uitspraakprogramma's. Om de hersenactiviteit bij elk van deze componenten apart te kunnen onderzoeken, moeten ze geïsoleerd worden. Verschillende zangers moeten als het ware van het koor gescheiden worden. Psychologen gebruiken daarvoor de subtractiemethode - het geluid van het koor wordt afgetrokken van het geluid van koor plus zanger, zodat de zanger overblijft. Stel bijvoorbeeld dat een onderzoeker wil weten welke hersenactiviteit gepaard gaat met het zien van een woord. Hij maakt dan PET-scans bij het uitvoeren van twee taken. Eerst vraagt hij de proefpersoon om zijn blik te richten op een fixatiepunt op het midden van een televisiescherm. Deze vorm van kijken activeert de hersenen een beetje. Bij de volgende taak moet de proefpersoon dat nog steeds doen, maar dan verschijnt er onder het
fixatiepunt een woord, bijvoorbeeld `hamer'.
D
E PROEFPERSOON neemt dat woord waar, en door nu de PET-metingen bij de eerste taak (het koor) af te trekken van die bij de tweede taak (koor plus zanger), blijft alleen de activering over van hersendelen die betrokken zijn bij het passief zien van dat woord (de zanger). En als de onderzoeker bij deze tweede taak in plaats van het woord op het scherm een gesproken woord laat horen, kan met de subtractie-methode het pure horen van een woord in beeld worden gebracht. Als een onderzoeker wil zien welke hersencentra op spraak betrekking hebben, geeft hij een derde taak. Deze derde opdracht is om een gelezen of gehoord woord te herhalen. Behalve dat hij het woord hoort of ziet, spreekt de proefpersoon dat woord dus uit. Trek van de PET-meting bij deze taak de tweede taak af en je houdt alleen de hersencentra over die actief zijn bij het uitspreken van een woord. Een volgende opdracht kan zijn om een toepassing van het bedoelde voorwerp te bedenken. Stel dat het woord `hamer' is, dan zeg je 'slaan'. Deze denkactiviteit kan weer in zijn pure vorm gestalte krijgen door de eerste drie taken van de vierde taak af te trekken. De foto's op de eerste pagina van het katern laten duidelijk zien wat er gebeurt bij deze taken: passief zien activeert een gebied langs het binnenoppervlak van de linker hersenhelft, en luisteren activeert delen van de temporale kwabben van beide hersenhelften. Spraakproduktie doet onder meer de motorische gebieden van de hersenschors opleven en het middelste deel van de kleine hersenen.
Elke taak activeert een specifiek hersengebied
V
REEMD genoeg houden de al lang bekende, 'klassieke' spraakgebieden, die van Broca en Wernicke, zich stil bij deze taak. De rol van deze gebieden blijkt pas bij de vierde taak, het noemen van een gebruik voor het woord. Deze opdracht activeert een aantal verspreid gelegen hersengebieden, van links voorin de hersenen (frontale schors, waaronder het gebied van Broca) tot delen links achterin de temporale kwab, en ver weg in de rechter helft van de kleine hersenen. De frontale schors lijkt betrokken bij het gebruik van kennis om gedrag te sturen: bij de vierde taak moet de proefpersoon waarschijnlijk een automatische reactie van het hardop lezen van het woord onderdrukken en in plaats daarvan een toepasselijk gebruik noemen. Ook het gebied van Broca heeft daar kennelijk een functie bij, want het is actief. Welke functie is nog onduidelijk. Het gebied van Wernicke, ten slotte, is steeds alleen actief bij de luistertaken. Bij het zoeken van werkwoorden bij een te lezen woord, is niet het gebied van Wernicke, maar wel een aangrenzend gebied van de temporale schors actief. Dat wijst erop dat verschillende gebieden betrokken zijn bij woordverwerking. Toen onderzoekers voor het eerst bezig waren met de vier bovengenoemde taken, deden ze een verrassende ontdekking. Sommige proefpersonen gaven bij de vierde taak (een toepassing bedenken voor een woord als 'hamer') hersenbeelden te zien die niet te onderscheiden waren van die bij de tweede taak, waarbij een woord domweg herhaald hoefde te worden. Dat bleken proefpersonen te zijn die de vierde taak even tevoren hadden geoefend! Oefening kan dus verandering brengen in de hersengebieden die mensen gebruiken voor het uitvoeren van een opdracht. In een vervolgonderzoek was prachtig te zien hoe de hersenen zich aanpassen als nieuwe gedachten door oefening automatisch worden. Ook was aan de kleur van het plaatje duidelijk te zien dat door ontwikkeling van gewoonte een taak steeds minder mentale energie vergt. Kennis van de normale hersenfunctie kan worden toegepast om te verklaren wat er mis is bij tal valt herserziekten. Onderzoek met hersenscans laat bijvoorbeeld een mogelijke verklaring zien voor de vaak bizarre associaties en hallucinaties van schizofreniepatiënten. Deze hangen waarschijnlijk samen met een stoornis in het zogenaamde uitvoerende aandachtsysteem. Het uitvoerend aandachtsysteem oefent controle uit op het denken en handelen, en dit systeem is met PET-onderzoek opgespoord. Andere afwijkingen in activiteit van hersengebieden zijn aangetoond bij een bepaalde vorm van depressiviteit. Vooral de amygdala, een amandelvormige structuur die te maken heeft met het emotioneel kleuren van ervaringen, laat een duidelijk andere stofwisseling zien tijdens perioden van depressie. Beelden van hersenactiviteit bij kinderen met aandachtstoornissen leveren aanwijzingen voor problemen in de ‘signaal-ruisverhouding’. Normaal gesproken werkt aandacht als een versterker van de signalen waar iemand op let en neemt de hersenactiviteit van achtergrondsignalen af, Bij aandachtstoornis lijkt dit systeem minder goed te functioneren. Dit soort resultaten maakt het onderzoek met beeldvorming tot een buitengewoon boeiende en nuttige onderneming. EDITH DAS
Michael I. Posner en Marcus E. Raichle: Beelden in ons brein. Maastricht: Natuur en techniek, 1995. ISBN 90-73035-37-6. Prijs f. 72,00
PET-scans van drie verticale plakjes van de hersenen laten het effect van oefening zien. Links de activiteit tijdens het bedenken van werkwoorden bij zelfstandige naamwoorden. In het midden is er met de lijst geoefend, rechts is de opdracht bekend, maar is een nieuwe lijst met woorden gegeven.
