Focus op brein - New Scientist

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