Dingen die we waarnemen of meemaken kunnen in

Onthouden
wat we
weten
Dingen die we waarnemen
of meemaken kunnen
in het brein worden
opgeslagen in de vorm
van herinneringen. Die
nieuwe herinneringen
komen echter niet op
een onbeschreven blad
terecht. Het geheugen
bevat al een heleboel
voorkennis. En nu
blijkt dat de hersenen
informatie die aansluit
bij wat we al weten
op een andere manier
verwerken dan informatie
waarbij we verbaasd de
wenkbrauwen optrekken.
Door Sarah Beul
36
37
H
et geheugen is van cruciaal
belang voor het dagelijks leven. Wanneer we dingen in
de wereld om ons heen hebben waargenomen en doorgrond, stelt het vermogen om die nieuwe
informatie te onthouden ons in staat er in
de toekomst gebruik van te maken. Vaak
genoemde voorbeelden van de evolutionaire voordelen van het geheugen zijn dat het
onze voorouders de mogelijkheid bood potentieel gevaarlijke situaties te vermijden
en plaatsen waar ze eerder voedsel hadden
aangetroffen terug te vinden. Voorbeelden die misschien iets beter passen bij het
moderne leven zijn het onthouden van uw
pincode en niet vergeten dat uw trein elke
tweede vrijdag van de maand van een ander perron vertrekt. Het geheugen is een
complex proces, waarbij herinneringen
eerst gevormd worden, vervolgens in het
langetermijngeheugen worden opgeslagen
en ten slotte weer in het bewustzijn worden
teruggeroepen. Het onderzoek naar de fysieke activiteit van de hersencellen die aan
de basis ligt van deze geheugenprocessen
heeft grote vorderingen gemaakt sinds de
tijd van Aristoteles, die nog dacht dat het
brein een orgaan van ondergeschikt belang was dat slechts diende om het bloed
te koelen.
Het verschijnsel ‘geheugen’ heeft mij
altijd geïntrigeerd, dus toen ik met mijn
master-opleiding in de Cognitieve Neurowetenschappen aan de Radboud Universiteit in Nijmegen begon, besloot ik mij
te specialiseren in de onderwerpen ‘leren’
en ‘geheugen’ – in de hoop deel te kunnen
nemen aan een onderzoeksproject op het
gebied van geheugenprocessen.
Dankzij een groot aantal neuropsychologische studies en hersenonderzoek
met scantechnieken bij de mens – alsmede
tal van dieronderzoeken – heerst er inmiddels een zekere consensus over de manier
waarop herinneringen in het brein in grote
lijnen worden verwerkt. Zo weten we nu
dat er meerdere types geheugen bestaan.
We kunnen bijvoorbeeld grofweg onderscheid maken tussen het declaratieve of-
tewel expliciete geheugen – ons geheugen
voor feiten en gebeurtenissen – en het nietdeclaratieve oftewel impliciete geheugen –
dat ons onder andere in staat stelt te leren
fietsen. In dit artikel zal ik mij beperken tot
het expliciete geheugen. Voor het opslaan
van feitelijke informatie – het coderen van
expliciete herinneringen – is hoofdzakelijk
het geheugensysteem van de hippocampus
verantwoordelijk. Daar worden razendsnel nieuwe geheugensporen – de zogeheten ‘engrams’ – gevormd, en aanvankelijk
is het hippocampussysteem ook nodig om
de opgeslagen informatie in het bewustzijn terug te roepen. Na verloop van tijd is
het oproepen van herinneringen niet langer afhankelijk van het hippocampussysteem, hetgeen erop duidt dat de engrams
dan zijn overgeheveld naar de neocortex.
Men vermoedt dat bij dit overhevelingsproces, de zogeheten consolidatie, het snel
lerende hippocampussysteem de opgeslagen informatie een aantal malen opnieuw
‘afspeelt’ ten behoeve van de trager lerende
neocortex. Op die manier kan de informatie die zo snel in het hippocampussysteem
Dit artikel is geschreven in het kader van de Annual Dutch MSc Thesis Award
for Cognitive Neurosciences, die Sarah Beul in 2012 ontving. De prestigieuze
onderscheiding is in het leven geroepen door professor Ruud Meulenbroek
van het Donders Institute for Brain, Cognition and Behaviour aan de
Radboud Universiteit Nijmegen. Voor de prijs hebben zeven Nederlandse
universiteiten met een opleiding cognitive neuroscience elk een thesis
genomineerd. De winnaar ontvangt 1.000 euro en de mogelijkheid om te
publiceren in Psyche & Brein, blogs en EOS Magazine.
38
was opgeslagen geleidelijk worden geïntegreerd in de neocortex, waardoor het
uiteindelijk mogelijk is deze informatie op
te roepen zonder gebruik te maken van de
hippocampus.
Het meest frappante voorbeeld van de
rol die het hippocampussysteem speelt bij
het verwerken van herinneringen is waarschijnlijk het geval van een patiënt die in
de literatuur wordt aangeduid als H. M. In
1953 – hij was toen 27 jaar – werden bij de
patiënt delen van de hippocampus en omliggende hersengebieden chirurgisch verwijderd in een poging hem te genezen van
een ernstige vorm van epilepsie. Na de ingreep bleek H. M. te lijden aan retrograde
amnesie: hij kon zich niets meer herinneren
van de jaren voorafgaand aan de ingreep,
maar kon moeiteloos herinneringen oproepen aan gebeurtenissen die zich verder in
het verleden hadden voorgedaan, bijvoorbeeld in zijn vroege jeugd. Bovendien ontwikkelde hij ook anterograde amnesie, het
onvermogen om nieuwe herinneringen te
vormen aan gebeurtenissen die zich voordeden na de operatie. Daaruit blijkt wel
hoe belangrijk het hippocampussysteem
is om nieuwe herinneringen te kunnen
vormen en herinneringen aan het recente
(maar niet het verre) verleden op te roepen.
Herinneringen worden niet
in het luchtledige gevormd
Het is al herhaaldelijk aangetoond – en
naar alle waarschijnlijkheid kunt u het
uit eigen ervaring bevestigen – dat we
nieuwe informatie gemakkelijker onthouden wanneer die verband houdt met iets
dat we al weten. Stel bijvoorbeeld dat uw
favoriete sport tennis is en dat u daar dus
veel van weet, maar dat u niet speciaal
bent geïnteresseerd in voetbal, zodat uw
kennis van die sport uiterst beperkt is. Als
u nu wetenswaardigheden hoort of leest
over belangrijke tenniswedstrijden uit
de afgelopen jaren, zult u die informatie
waarschijnlijk beter onthouden dan wanneer u soortgelijke weetjes ter ore komen
over voetbalwedstrijden. Deze relatie tussen nieuwe informatie en reeds bestaande
kennis heet congruentie. Als nieuwe informatie goed aansluit bij al aanwezige kennis
– zoals in ons voorbeeld de wetenswaardigheden over tenniswedstrijden – is die
informatie congruent. Informatie die niet
refereert aan voorkennis – zoals de weetjes
over voetbalwedstrijden – is incongruent.
Verder bestaat er ook nog informatie die
conflicteert met wat u van tennis weet, bijvoorbeeld wanneer er een spelregel wordt
veranderd. Ook in dat geval spreken we
van incongruente informatie, en het is niet
altijd eenvoudig die duidelijk te onderscheiden van de ongerelateerde vorm van
incongruente informatie, aangezien niet
alle voorkennis zich zo eenduidig laat be-
heden informatie die congruent is met
voorkennis inderdaad gemakkelijker terug te vinden is, maar er zijn ook experimenten verricht die aanwijzingen opleveren dat congruentie een effect heeft op
de eerste opslag en de consolidatie van
herinneringen.
Zo is er bijvoorbeeld een elegant experiment met ratten uitgevoerd (Tse et al.,
2007) waaruit bleek dat de dieren al na
één zoekpoging verborgen voedsel wisten
te vinden wanneer ze de omgeving kenden waarin het experiment plaatsvond.
Werd het experiment echter uitgevoerd
in een onbekende omgeving, dan hadden de ratten wel zeven of acht pogingen
nodig om te leren waar het voedsel was
verstopt. De onderzoekers toonden ook
aan dat de dieren het voedsel nog steeds
konden vinden wanneer hun hippocampussysteem kort na het leerproces werd
beschadigd, wat erop duidt dat de herinnering die ze in een bekende omgeving
vormden veel sneller onafhankelijk werd
van het hippocampussysteem (met andere woorden: sneller werd geconsolideerd)
dan tot dan toe was waargenomen.
Bewoners van noordelijke landen
ervaren de combinatie kerstmanstrand als erg incongruent, maar
voor een Australiër is het heel
normaal om op het strand de
kerstman tegen te komen
schrijven als de regels van de tennissport.
Om een voorbeeld te noemen: er zijn misschien dingen die volgens u absoluut niet
op een strand thuishoren, terwijl ze voor
mij alleen maar niets met een strand te maken hebben. En voor een derde persoon
kan het zelfs de normaalste zaak van de
wereld zijn dat het object in kwestie zich
op het strand bevindt (denk bijvoorbeeld
aan de kerstman in Australië).
Maar hoe kunnen we verklaren dat
congruente informatie gemakkelijker te
onthouden is? Wijkt de verwerking van
informatie die congruent is met reeds bestaande kennis af van het hierboven geschetste standaardmodel? Of – een andere
mogelijkheid – verloopt de verwerking
aanvankelijk wel op dezelfde manier, maar
is de herinnering alleen maar gemakkelijker op te roepen?
Uit sommige studies is naar voren
gekomen dat onder bepaalde omstandig-
Toen ik bij het Donders Institute for
Brain, Cognition and Behaviour in Nijmegen kwam werken, was Marlieke van
Kesteren, een promovenda van professor
Guillén Fernández, al begonnen met behulp van fMRI-scans te onderzoeken of
congruentie een effect heeft op de neurale
activiteit in het menselijk brein. De resultaten die Van Kesteren en Fernández tot
dan toe hadden verkregen waren consistent met het idee dat niet alleen bij ratten,
maar ook bij de mens congruente informatie anders wordt verwerkt dan volslagen
nieuwe informatie. Zo bleek uit hun experimenten dat behalve het hippocampussysteem nog een ander hersengebied, de mediale prefrontale cortex, betrokken is bij
het verwerken van congruente informatie.
Op grond van deze bevindingen brachten
ze een groot aantal experimentele onderzoeksresultaten samen in een nieuwe theorie (van Kesteren et al., 2012), die stelt dat
er een verband is tussen enerzijds de activiteit van het hippocampussysteem en de
mediale prefrontale cortex tijdens het verwerken van nieuwe herinneringen en anderzijds de mate waarin nieuwe informatie
congruent is met bestaande herinneringen
die al in de neocortex zijn geïntegreerd.
De naam van deze theorie luidt ‘schemalinked interactions between medial prefrontal and medial temporal regions’ of
kortweg SLIMM, waarbij de term schema
ruwweg equivalent is met ‘reeds aanwezige voorkennis’.
Voor mijn scriptieonderzoek heb ik
een experiment uitgevoerd dat een aantal
voorspellingen van SLIMM toetst. Het
was al bekend dat de mediale prefrontale cortex betrokken is bij het oproepen
van reeds geconsolideerde herinneringen,
maar in de SLIMM-theorie wordt aan dit
hersengebied een nog prominentere rol
toegeschreven. De hypothese luidt dat de
mediale prefrontale cortex tijdens de fase
van de encodering detecteert in hoeverre
nieuwe informatie congruent is met reeds
aanwezige kennis en op basis daarvan de
informatie in kwestie opslaat.
Als er congruente nieuwe informatie
wordt verwerkt, zo luidt de hypothese,
remt de mediale prefrontale cortex de encodering van die informatie via het hippocampussysteem, maar bevordert de
integratie in een reeds bestaand netwerk
van onderling verbonden representaties
in de neocortex. In afbeelding 2 wordt
deze situatie geïllustreerd door het aantreffen van een plastic eend in een badkamer. De plastic eend kan bijvoorbeeld een
lokeend zijn, zoals die worden gebruikt
bij de jacht, en dat is congruent met het
concept van de gele plastic badeendjes die
in een badkamer een heel gebruikelijk rekwisiet zijn. Daarom bevordert de mediale prefrontale cortex het coderen van de
directe link tussen de concepten ‘plastic
eend’ en ‘badkamer’ en verhindert dat het
Dwarsdoorsnede van het menselijk brein
met de locaties van de hippocampus (geel)
en de mediaal prefrontale cortex (paars).
39
aantreffen van de plastic eend in de badkamer via het hippocampussysteem wordt
geëncodeerd. Deze gang van zaken resulteert in een uitgebreid netwerk van representaties, dat niet alleen de combinatie
badkamer-badeendje bevat, maar ook het
gelijktijdig aantreffen van een plastic eend
en een badkamer.
In het omgekeerde geval, dus als de mediale prefrontale cortex geen congruentie
detecteert, komt dit hersengebied volgens
de theorie niet in actie en produceert de encodering via het hippocampussysteem dus
een totaal nieuw geheugenspoor. In afbeelding 2 omvat dit nieuwe geheugenspoor
de afzonderlijke objecten ‘bakkerswinkel’
en ‘plastic eend’, maar bevat geen enkele
directe link tussen plastic eend en bakkerswinkel die via de neocortex loopt.
Voor twijfelgevallen – dus als de nieuwe informatie niet volkomen congruent is,
maar ook niet totaal incongruent – voorspelt SLIMM dat de mediale prefrontale
cortex en het hippocampussysteem allebei
een klein beetje geactiveerd worden, waarbij geen van beide de overhand heeft in het
encoderingsproces.
Twee systemen
Om deze voorspellingen over de rol van
de mediale prefrontale cortex en het hippocampussysteem bij het leren van nieuwe
informatie te toetsen, lieten we proefper-
sonen plaatjes bekijken van voorwerpen
die zich in een bepaalde omgeving bevonden. Daarbij varieerde de mate van
waarschijnlijkheid dat je het voorwerp in
kwestie op die locatie zou aantreffen. Met
andere woorden: de proefpersonen leerden
nieuwe associaties die verschillende gradaties van congruentie vertoonden met hun
reeds bestaande kennis van de wereld. De
combinaties varieerden van paren die heel
uitstekend bij elkaar pasten (bijvoorbeeld
een tennisbal en een tennisbaan, zoals op
afbeelding 3A) tot paren die totaal niets
met elkaar te maken hadden (bijvoorbeeld
personen bij elk paar zelf aan te geven hoe
congruent ze de combinatie vonden. Zodoende wisten we bij de analyse van de onderzoeksresultaten hoe congruent elk paar
in de ogen van de proefpersoon in kwestie
was geweest.
Om iets zinnigs te kunnen zeggen over
de gemeten hersenactiviteit, moesten we
ook weten welke van de getoonde combinaties ze zich later nog herinnerden, dus
lieten we hen de volgende dag terugkeren
naar ons instituut voor een test.
Toen we de gemeten hersenactiviteit
vergeleken met de combinaties die de
In een bekende omgeving slagen
ratten er sneller in te onthouden
waar voedsel is verstopt dan in een
onbekende omgeving
een mixer en een bos, zoals op afbeelding
3B). Terwijl de proefpersonen deze combinaties van voorwerpen en locaties leerden,
lagen ze in een MRI-scanner, zodat we hun
hersenactiviteit konden registreren. Om te
voorkomen dat we zelf zouden moeten beoordelen hoe congruent de verschillende
combinaties waren, vroegen we de proef-
proefpersonen hadden onthouden, constateerden we dat de mediale prefrontale
cortex inderdaad actiever was naarmate de
paren congruenter waren. In de hierboven
genoemde voorbeelden komt dat overeen
met informatie leren over tennis als je al
veel van tennis weet en je de plastic eend
in de badkamer herinneren. Daarentegen
Afbeelding 2
A
Congruent
Het SLIMM-model voorspelt dat congruente informatie (A) verwerkt wordt
door de mediaal prefrontale cortex
(mPFC) doordat dit gebied de activatie
van een gerelateerd schema detecteert
en vervolgens nieuwe informatie direct
in dit geactiveerde schema integreert.
In dit figuur helpt dit het opslaan van de
40
B
associatie tussen een plastic eend in een
badkamer, omdat de associaties tussen
een badeend en een badkamer en tussen een badeend en de plastic eend al
bestaan. Bij informatie die incongruent
is met een schema (de plastic eend in
de bakkerij; B) wordt er geen schema
geactiveerd, aangezien een eend over
Incongruent
het algemeen niet geassocieerd wordt
met een bakkerij. Bijgevolg wordt de
informatie door de mediaal temporale
lobule (MTL; of het hippocampussyteem)
opgeslagen door directe links te leggen tussen de MTL en de associaties.
Gereproduceerd in gemodificeerde
vorm, met permissie, uit referentie 7.
Afbeelding 3
A
B
Voorbeeld van de associaties die proefpersonen moesten
leren in ons experiment. Links een congruente associatie
(tennisbal op de tennisbaan) en rechts een incongruente
associatie (mixer in het bos).
De auteur
Sarah Beul verhuisde naar
Nederland om het Research Master’s
Programme Cognitive Neuroscience
aan de Radboud University Nijmegen te
volgen, nadat ze een B.Sc. in Biologie
had behaald aan de Humboldtuniversiteit in Berlijn. Gedurende
een jaar maakte ze deel uit van de
onderzoeksgroep van Professor Guillén
Fernández aan het Donders Institute
for Brain, Cognition and Behaviour,
waar ze onderzoek deed voor haar
masterscriptie. Momenteel is ze
promovendus aan het Universitair
Medisch Centrum Hamburg-Eppendorf.
Meer over dit onderwerp
bleek het hippocampussysteem actiever
naarmate de geleerde combinatie minder
congruent was, dus te vergelijken met iets
over voetbal leren terwijl je niets van voetbal weet of onthouden dat er in de bakkerswinkel een plastic eend lag.
Deze uitkomsten zijn in overeenstemming met de voorspellingen van de
SLIMM-theorie en het doet ons plezier te
kunnen constateren dat dit model wordt
bevestigd door het experiment dat we
hebben uitgevoerd. Onze bevindingen ondersteunen het idee dat er twee afzonderlijke neurale mechanismen bestaan die bij
het verwerken van herinneringen met elkaar interageren, en dat hun interactie afhangt van de mate van congruentie tussen
de nieuwe informatie en de voorkennis.
Het ene systeem, dat we in de mediale prefrontale cortex kunnen lokaliseren,
zorgt vermoedelijk voor de integratie van
congruente informatie in een reeds bestaand netwerk van onderling verbonden
representaties in de neocortex, terwijl het
andere systeem, waarbij de hippocampus
een cruciale rol speelt, incongruente informatie encodeert – en op die manier ongewone ervaringen vastlegt.
We zijn er dus in geslaagd de effecten
van voorkennis een plaatsje te geven in
het theoretische raamwerk dat de neurale
correlaten (de fysieke processen die zich in
groepen hersencellen afspelen) van de geheugenprocessen beschrijft, en dat is een
belangrijke bijdrage aan de theorievorming. Dat belang wordt vooral duidelijk
wanneer we bedenken wat het uiteindelijke doel van het neurowetenschappelijk
onderzoek is: achterhalen hoe het brein
erin slaagt in het dagelijks leven zulke uitzonderlijke prestaties te leveren.
Tot voor kort maakten wetenschappers bij het geheugenonderzoek meestal
gebruik van materiaal dat zodanig was
vormgegeven dat het op zichzelf kon staan
en geen verband hield met situaties waar
proefpersonen in hun dagelijks leven mee
te maken hebben, maar in het echte leven
komt het maar zelden voor dat de vorming
van nieuwe herinneringen volkomen losstaat van eerdere ervaringen.
Het vermogen om gebeurtenissen te
onthouden stelt ons in staat kennis die we
in het heden verwerven toe te passen op
gebeurtenissen die in ruimte en tijd van
ons verwijderd zijn, en dat heeft alleen nut
wanneer we erin slagen aanvullende relevante informatie zodra die beschikbaar is
te integreren in reeds aanwezige kennis.
Anders gezegd: opgeslagen informatie is
alleen bruikbaar wanneer ze razendsnel
geüpdatet kan worden. Daarom is het van
belang in modellen van geheugenprocessen deze stapsgewijze opbouw van kennis
op te nemen en er ook rekening mee te
houden bij het opzetten van experimenten, zodat de onderzoeksresultaten meer
geldigheid hebben wat betreft de interactie tussen het individu en zijn omgeving.
De inzichten die het neurowetenschappelijk onderzoek biedt met betrekking tot de vraag hoe verschillende typen
informatie in de hersenen worden verwerkt – en welke consequenties dat heeft
voor de ‘onthoudbaarheid’ van de diverse
soorten informatie – kunnen worden gebruikt om lesprogramma’s en onderwijsmethoden op scholen en universiteiten te
verbeteren. Door leerlingen en studenten
op het juiste moment de juiste informatie
voor te schotelen, daarbij rekening houdend met wat ze al eerder hebben geleerd,
kunnen we het leren en studeren gemakkelijker en efficiënter maken en zowel de
kwantiteit als de kwaliteit van de opgeslagen informatie vergroten. pb
Deze referenties zijn chronologisch
gerangschikt.
Tse D, Langston RF, Kakeyama M,
Bethus I, Spooner PA, Wood ER, Witter
MP, Morris RG (2007) Schemas and
memory consolidation. Science 316:
76-82.
Wang SH, Morris RG (2010)
Hippocampal-neocortical interactions
in memory formation, consolidation,
and reconsolidation. Annu Rev Psychol
61: 49-79, C41-44.
Van Kesteren MT, Fernandez G, Norris
DG, Hermans EJ (2010) Persistent
schema-dependent hippocampalneocortical connectivity during
memory encoding and postencoding
rest in humans. Proc Natl Acad Sci USA
107: 7550-7555.
Van Kesteren MT, Rijpkema M, Ruiter
DJ, Fernandez G (2010) Retrieval of
associative information congruent
with prior knowledge is related to
increased medial prefrontal activity
and connectivity. J Neurosci 30: 1588815894.
Henson RN, Gagnepain P (2010)
Predictive, interactive multiple
memory systems. Hippocampus 20:
1315-1326.
Tse D, Takeuchi T, Kakeyama M, Kajii
Y, Okuno H, Tohyama C, Bito H, Morris
RG (2011) Schema-dependent gene
activation and memory encoding in
neocortex. Science 333: 891-895.
Van Kesteren MT, Ruiter DJ, Fernandez
G, Henson RN (2012) How schema and
novelty augment memory formation.
Trends in Neurosciences 35: 211-219.
Zie ook
marliekevk.blogspot.nl
41