Hebben we het brein altijd al gezien als een ‘soort computer’. Niet bepaald.

Waar we in de industriële revolutie het brein vooral probeerden te begrijpen met de begrippen die we ook voor de toenmalige machines inzetten: krachten, elektriciteit, scheiding van functies, werd in het begin van de 20e eeuw ‘informatie’ pas het dominante begrip.

Met de introductie van de meet- en regeltechniek en later ook de computer, was een generatie machines ontstaan die misschien meer geschikt was om als model voor het brein te dienen dan de stoommachine en haar opvolgers. Dit blogje gaat in op de omslag in ons denken over het brein als gevolg van die ontwikkeling.

Inhibitie (19e eeuw)
Misschien was het een wetenschappelijke ontwikkeling die eind negentiende eeuw gedaan werd die ons voor het eerst op het informatiespoor zette: inhibitie. Inhibitie is het effect dat sommige zenuwen lichaamsfuncties remmen in plaats van stimuleren.

In 1845 lieten Ernst en Eduard Weber zien dat elektrische stimulatie van bepaalde zenuwen de hartsnelheid kon verlagen in plaats van verhogen. Natuurlijk, dit idee van het lichaam als regelsysteem paste wel in de mechanische (pneumatische) metaforen die in die tijd voor het zenuwstelsel opgang vonden, maar het was niet makkelijk te onderzoeken en het was onduidelijk hoe het voor het brein werkte.

De vragen die inhibitie opriepen werden nog versterkt door de ideeën van Hermann von Helmholtz die liet zien dat perceptie geen passief proces was. Het oude idee was dat de wereld een indruk op ons brein achterlaat, maar Helmholz had redenen om een actief proces te veronderstellen. Het argument was dat het brein een 3D wereldbeeld construeert uit twee 2D beelden die door beide ogen worden waargenomen. Dit gebeurt onbewust, maar het betekent wel dat de beelden waar we ons bewust van worden gezien moeten worden als een soort conclusie die aan het bewustzijn gevoerd wordt, eerder dan een directe afdruk van de buitenwereld.

Helmholz’ idee werd ondersteund door de filosofie van Emuanuel Kant die stelde dat perceptie ontstaat doordat het brein haar kenvermogen op de werkelijkheid projecteert. Beide ontdekkingen gaven aanleiding om het brein als een proactief orgaan te zien, eerder dan een passieve waarnemer van de werkelijkheid. De vraag bleef alleen: hoe dan?

Neuronen (19e en 20e eeuw)
Vandaag de dag zouden we ongetwijfeld neuronen bij ons antwoord betrekken. Neuronen zijn de cellen waar ons zenuwstelsel uit is opgebouwd, maar het duurde lang voordat zelfs maar kon worden vastgesteld dat het cellen waren.

Neuronen zijn met elkaar verbonden via fijne vertakkingen die moeilijk waarneembaar zijn. Daardoor kon niet worden vastgesteld of het zenuwstelsel uit losse cellen bestond of dat het eerder een weefsel was dat tussen andere cellen lag. Hier kwam verandering toen Camillo Goglin bij toeval een techniek ontdekte die bij het afdrukken de zenuwcellen een andere kleur gaf dan omliggende cellen. Nu konden zenuwcellen zichtbaar gemaakt worden.

De techniek werd verbeterd door een andere wetenschapper: Ramon Cajal. Maar beide wetenschappers verschilden van mening over wat de prints met zenuwcellen eigenlijk lieten zien: een weefsel of losse cellen. Toen Golgi en Cajal samen de Nobelprijs kregen waren ze het nog altijd oneens. Uiteindelijk werd aangetoond dat zenuwcellen inderdaad als cellen gezien moeten worden en niet als een weefsel.

Dit inzicht bracht de wetenschap wel verder. Met een bouwsteen in handen: de cel, het neuron, kon het zenuwstelsel veel beter onderzocht worden. Langzaam werd duidelijk dat zenuwcellen verschillen in vorm, dat er op verschillende locaties cellen met verschillende vormen bestaan – hetgeen op specialisatie duidt- dat de cellen vertakkingen als ingangen hebben (dendrieten) en dat ze uitgangen hebben (axonen). Dat de overgang tussen twee zenuwcellen een belangrijke rol speelt in hun functioneren (de synaps).

Ook werd duidelijk dat stroom maar in één richting door de hersencel kan. En dat de cellen er in slagen spieren te activeren via een chemisch proces bij de overgang tussen twee cellen. Deze laatste bevinding was de uitkomst van een lang wetenschappelijk dispuut waarin voorstanders van een chemische theorie (soups) lijnrecht tegenover die van een elektrische theorie (sparks) stonden.

Hoe meer we wisten van het brein door deze lijn van onderzoek, hoe meer het misschien begon te dagen dat we nog weinig wisten. De telefooncentrale was lang een metafoor geweest om het brein mee te begrijpen, maar het was duidelijk dat als de neuronen al als schakelaars gezien moesten worden, dat ze wezenlijk anders werkten dan de schakelingen in deze centrales.

Machines (20e eeuw)
Het gebruiken van ideeën uit de techniek om het lichaam te begrijpen is vermoedelijk al zo oud als het denken en we zijn het in deze geschiedenis van het denken over het brein al verschillende malen tegengekomen. Maar in de 20e eeuw draaiden onderzoekers de richting om. Ze gingen pogingen doen om het brein in technische zin na te maken, ze ontwikkelden robots.

De meet- en regeltechniek kwam op en machines die bijvoorbeeld een koers vast konden houden werden daardoor mogelijk. Thomas Ross bouwde een robot die via trial en error zijn weg door een doolhof kon vinden en dit daarna kon herhalen; de meest eenvoudige manier om een leerproces weer te geven. Maar in veel opzichten was Ross’ machine niet meer dan een gimmick. Een wijziging in het doolhof maakte al dat de robot zijn weg niet meer kon vinden.

Het onderzoek naar inhibitie had al aangetoond dat neuronen ook deel uit maken van een meet en regelsysteem. We wisten alleen nog niet hoe. Onderzoek naar de elektrische werking van neuronen gaf antwoorden – en nieuwe vragen.

Elektriciteit gaat heel anders door een neuron dan door een metaaldraad en ook veel langzamer. De eerste biochemische modellen werden voorgesteld om dit te kunnen verklaren. Ook werd ontdekt dat zenuwen alles-of-niets gedrag vertonen. Ze zijn in essentie digitaal. Ze kunnen met een hogere frequentie signalen doorgeven, maar het signaal zelf is altijd even sterk.

Met behulp van, in de eerste wereldoorlog ontdekte radioversterkers, lieten Edgar Adrian en Yngve Zotterman zien dat (1) neuronen digitaal van karakter zijn, (2) ze stoppen met vuren als ze teveel gestimuleerd worden en (3) dat de intensiteit uitgedrukt wordt in frequentie en niet in amplitude. Later paste Adrian deze versterkingstechniek ook op het brein als geheel toe en ontdekte dat het brein in rust in een bepaalde frequentie actief is (we noemen dat nu alfagolven).

Deze ontdekkingen lieten misschien eerder de ‘vreemdheid’ van het zenuwstelsel zien dan dat het antwoorden gaf over de werking, maar het introduceerde, samen met de robotexperimenten, begrippen in het denken over het brein die later heel centraal zouden worden: informatie, code en boodschap.

Controle (20e eeuw).
En toen werd de computer uitvonden: eerst op papier door Alan Turing en John von Neuman, in de jaren 40, en later in de jaren 50 werden ze ook gebouwd. Turing bewees dat de ‘Turing machine’, een vrij eenvoudig denkbeeldig apparaat, werkelijk elke berekening kon uitvoeren die denkbaar was. Kon het niet zo zijn dat het brein hetzelfde in elkaar zat?

In de vroege ontwikkeling van de computer was er veel enthousiasme over deze ideeën. Het vakgebied van de cybernetica kwam er uit voort. Hier stond de symbolische verwerking van signalen en communicatie centraal. Maar de droom dat het op korte termijn mogelijk zou zijn een computer te maken die het menselijk brein zou simuleren spatte al snel uiteen.

De eerste intelligente robots waren ook niet erg intelligent, maar wat erger was, de binaire werking van de computer leek niet op de werking van neuronen. Die zijn in principe ook binair, maar ze verwerken signalen op een analoge manier. Signaalsterkte word uitgedrukt in vuurfrequentie. De logische schakelingen in de computer met en-poorten en of-poorten kunnen helemaal niet met een dergelijk signaal omgaan.

Het idee dat het brein een machine is die symbolen verwerkt is blijven hangen, maar er was echt een model nodig van hoe de biologie die verwerking aanpakt voordat deze lijn van denken iets wezenlijks kon opleveren.

Tot slot
Het zenuwstelsel is te zien als een regelsysteem en als een informatieverwerker. In veel opzichten denken we er nog altijd zo over. En toch hebben de meet- en regeltechniek en computerwetenschappen de belofte dat ze ons zouden helpen om het brein te begrijpen maar zeer gedeeltelijk ingelost.

Op sommige niveaus lijkt ons zenuwstelsel op een regelsysteem, maar de soorten signalen die het gebruikt zijn heel anders dan hoe we dit in de techniek hebben opgelost. Steeds moesten we concluderen dat het brein toch echt anders werkt dan de techniek die we als model gebruikten.

En dan is er nog de vraag hoe het allemaal schaalt. Hoe ontstaan uit al deze signaalverwerking ‘intelligentie’ en ‘bewustzijn’? Het is nog altijd een vraagstuk waar we slecht raad mee weten. Daarom zijn we, zoals ik in mijn volgende blogje laat zien, computers maar gaan inzetten om het brein beter door te meten en te modelleren, in plaats van zelf als een model voor het brein te dienen.

Meer lezen?
Dit blogje is in zijn geheel gebaseerd op ‘The Idea of the Brain’ van Matthew Cobb. Het maakt het derde deel uit van een quintologie, die begon met de post ‘brein quintologie’, verder ging met ‘op zoek naar het brein’ en nog verder gaat met ‘gedachtenmeting‘ en ‘het onbegrijpelijke brein‘.

Ik schreef al eerder over de wisselwerking tussen informatiewetenschappen en technologie en in ‘reading James Gleick’s the information’ en over de ideeën van Emanuel Kant in ‘kenvermogen‘

Deze blogjes zijn natuurlijk vooral bedoeld om jullie lekker te maken om The Idea of the Brain zelf te lezen.