Bewusteratuur

Is het mogelijk om de hoeveelheid bewustzijn van mensen te meten? Sommige dingen doe je onbewust en andere dingen bewust. Als je onder narcose bent heb je geen ervaringen; als je slaapt weinig, terwijl je als je wakker bent ‘volledig’ bewust bent. Zou je hier een maat aan kunnen hangen? Kunnen we, met andere woorden, bewustzijn meten zoals je ook temperatuur kan meten? Onze ‘bewusteratuur’?

Onschuld en belofte

Dat is natuurlijk geen onschuldige vraag. Als je iets meetbaar maakt, geef je het ook een nauwkeurige definitie. Vroeger was temperatuur een vaag begrip. Iedereen was het erover eens dat het overdag warmer is dan ‘s nachts en dat het in de schaduw koeler is dan in de zon, maar er waren toen ook kwesties waar discussie over bestond.

De uitvinding van de kwikthermometer was een flinke stap voorwaarts. Hierdoor konden we de verschillen tussen dag en nacht precies duiden, maar we verloren ook iets. We ontdekten dat verschillen in hoe warm iets aanvoelt niet altijd precies samenhangt met de temperatuur. In de zon voelt het bijvoorbeeld warmer aan dan in de schaduw, maar dat ligt niet alleen aan de temperatuur van de lucht, maar ook aan de warmte van de zonnestralen zelf. Door temperatuur meetbaar te maken zijn we ook iets anders gaan bedoelen met het begrip. Vroeger verwees het vooral naar hoe warm iets aanvoelt, nu zien we het als één van de mogelijke oorzaken van dat gevoel. We hebben temperatuur op zijn plek gezet; dankzij de thermometer moest temperatuur een stapje terug doen in ons denken over warmte. Het idee van een gevoelstemperatuur roept eigenlijk nostalgie op naar de tijd dat de temperatuur en ons gevoel erover nog netjes samenliepen.

Om die reden is het bewustzijn ‘meten’ riskant. Er is veel discussie over wat bewustzijn precies is. Als we het meetbaar gaan maken, zijn we niet meer vrij om allerlei ideeën over het karakter van bewustzijn te verzinnen. Hoe we het meten, gaat bepalen wat het is. Maar dat is ook de grote kracht ervan. Als we weten hoe we bewustzijn kunnen meten krijgen we ook antwoorden op vragen die nu buiten ons bereik liggen. Zoals de vraag wie er allemaal bewustzijn hebben. Ik zou er eindelijk achter kunnen komen of de boom buiten mijn raam bewustzijn heeft, en of ze wakker is, of slaapt, of dat ze geniet van het zonnetje, simpelweg door te meten hoe bewust ze is.

Het ontwikkelen van een meetinstrument.

Natuurlijk zijn we nog niet zo ver. Net zoals dat het meten van temperatuur begon met het idee van gevoelstemperatuur, waarna we langzaam gezocht hebben naar manieren om dit idee handen en voeten te geven, moeten dat proces bij het meten van de hoeveelheid bewustzijn ook moeten doorlopen.

Tegenwoordig meten we de grootheid temperatuur in de eenheid Celsius. Maar hoe zat het voor Celsius? Om een grootheid meetbaar te maken, moeten je hem koppelen aan iets anders dat je al kunt meten. De oude Grieken wisten dat gassen en vloeistoffen uitzetten bij hogere temperaturen – en dat je temperatuur dus kan uitdrukken als een volume van een bepaalde hoeveelheid vloeistof. Kwik zet bijvoorbeeld per graad Celsius 0,018% uit. Zo kun je met de uitzetting en krimp van kwik temperatuurverschillen meten.

Maar alleen een werkprincipe is niet genoeg. Je hebt ook nog of ijkpunten, nodig. Iets waarvan weet dat ze een bepaalde temperatuur hebben. Celsius gebruikte smeltend ijs en kokend water. Dat lijkt een eenvoudige oplossing omdat deze een vaste temperatuur hebben, maar dat konden de uitvinders van de eerste thermometers niet weten, aangezien ze geen thermometers hadden.

Er is dus een Catch-22 situatie bij het ontwikkelen van meetinstrumenten. Je kunt je meetinstrument pas in elkaar zetten als je zeker bent van de ijkpunten en je kunt daar pas zeker van zijn als je een meetinstrument hebt. Eigenlijk is het nog iets ingewikkelder, want ook het werkprincipe was nog onzeker. De uitzetting per graad van veel vloeistoffen is bijvoorbeeld afhankelijk van de temperatuur. En ook dat kun je pas meten als je een betrouwbare thermometer hebt.

Het ontwikkelen van de thermometer was daarom een lang en ingewikkeld proces. We probeerden verschillende vloeistoffen en vaste stoffen, zochten andere ijkpunten, en vergeleken maten. Elke keer werd de techniek een beetje verbeterd. Totdat de metingen stabiel waren. Al die tijd tastten we in het duister over hoe nauwkeurig ze eigenlijk waren. Hoewel de basisideeën voor temperatuur meting al bij de oude Grieken bekend waren, duurde het tot ongeveer 1800 voordat we betrouwbare thermometers hadden

Metingen van de bewusteratuur

Ook bij het meten van bewustzijnsniveaus is het lastig om goede ijkpunten te vinden.

Narcose is een mooie kandidaat voor het nulpunt van bewustzijn. We voelen dan immers geen pijn en kunnen ons later niets herinneren. Helaas zijn er genoeg verhalen van patiënten waarvan men dacht dat ze buiten bewustzijn waren die plotseling hun ogen open deden of die zich konden herinneren wat artsen zeiden tijdens de operatie. Slaap is ook geen ideaal ijkpunt. Mensen dromen en er zijn daardoor grote verschillen in hersenactiviteit tijdens de slaap. Het is onduidelijk hoe die slaapfasen verband houden met bewustzijn.

En ook aan de bovenkant van de schaal zijn er problemen. Een gezonde, wakkere volwassene zou een goed ijkpunt kunnen zijn, maar niet iedereen is even bewust misschien en het fluctueert misschien ook door de dag heen. En wat moeten we met bewustzijnsverruimende middelen zoals LSD? Deze zorgen voor hallucinaties? Veel gebruikers ervaren dit als een ‘hoger niveau’ van bewustzijn, maar veel artsen en onderzoekers op dit gebied betwijfelen dat.

En dan is er het werkprincipe. Wat kunnen we al meten dat samenhangt met bewustzijnsniveau? Ik hoor jullie denken ‘hersenactiviteit (!)’, maar de meeste activiteiten van het brein leiden niet tot bewuste ervaringen. Het lijkt er dus niet op dat algehele hersenactiviteit een goede maat is. Wetenschappers hebben ook geen specifieke plek in de hersenen gevonden waar bewuste ervaringen ontstaan. Hersenactiviteit op één bepaalde plek meten, is daarom ook geen oplossing.

Ergens is dat geruststellend. Blijkbaar is het bewustzijn geen specialisatie van het brein en hoeft het er niet buitenproportioneel hard voor te werken. Maar wat kan het dan wel zijn? Een populaire theorie komt uit een onverwachte hoek: bestandscompressie op de computer. Je hebt vast wel eens een zip-bestand gemaakt van een programma, document of afbeelding zodat het minder ruimte op je harde schijf innam of makkelijker te versturen was. Wat WinZip doet, is de lange reeks enen en nullen in het bestand door te nemen en te kijken of er overbodige informatie in zit. Op het moment dat de combinatie 1101011 vijftien keer achter elkaar voorkomt kun je in plaats van al die enen en nullen uit te schrijven ook een code invoeren die zegt vijftien keer deze serie graag. Dat bespaart ruimte.

Wat interessant is aan deze benadering, is dat het ook iets zegt over de complexiteit van de code. Als een bestand flink kleiner kan worden gemaakt, bevat het veel overbodige informatie en is het blijkbaar niet erg complex. Maar bestanden die moeilijk te verkleinen zijn, hebben complexe code: alle informatie is nodig.

Deze aanpak kun je ook toepassen op hersenactiviteit. Je meet de hersenactiviteit onder gecontroleerde omstandigheden en bekijkt hoeveel overbodige informatie erin zit. Door de hersenactiviteit om te zetten in een reeks enen en nullen, kun je zien hoeveel kleiner het bestand wordt. Het blijkt dat als hersenactiviteit veel overbodige informatie bevat en flink gecomprimeerd kan worden, mensen minder bewust zijn.

Dat is een spannende ontdekking. Het lijkt erop dat bewustzijn te maken heeft met hoe goed de hersenen informatie samenvatten. Het gaat om integratie van informatie, of gerichte hersenactiviteit, niet alleen om hoeveel activiteit of informatie die er is. Dit betekent dat middelen zoals LSD en paddo’s, die vaak bewustzijnsverruimend worden genoemd, eigenlijk je bewustzijn verlagen. Je hersenen integreren informatie dan minder goed. Bewustzijnsverruiming betekent dus juist minder bewustzijn.

De boom der wijsheid

Tegelijkertijd zijn we nog verre van een werkend meetinstrument. De zipmethode kan een ruwe indicatie geven van bewustzijnsniveau, die ongeveer overeenkomt met hoe artsen het ook zien, maar er moet nog heel wat water door de Rijn voordat we een gestandaardiseerde maat hebben die breed toepasbaar is.

Het idee dat ‘het bewustzijnsniveau overeenkomt met de hoeveelheid geïntegreerde informatie’ klinkt goed, maar er zijn veel problemen met de definitie. Wat tel je als ‘informatie’ en wat niet. Integratie betekent dat het geheel meer is dan de som der delen, maar hoe definieer je de delen en het geheel? Aantal hersencellen? Hoeveelheid stroompjes? Wat is de eenheid van informatie in het brein? Dit zijn vragen die nog lang niet beantwoord zijn.

De ontwikkeling rondom het meten van de bewusteratuur laten zien dat het niet ondenkbaar is dat we tot een maat voor de mate van bewustzijn kunnen komen. En dat we daarmee ons begrip van bewustzijn voorgoed veranderen. Als we bewustzijn zien als geïntegreerde informatie, kunnen we nieuwe antwoorden vinden op vragen zoals welke organismen (of apparaten) bewustzijn hebben. Maar we verliezen ook iets. De ‘bewusteratuur’ beantwoordt niet de vraag hoe het voelt om een vleermuis te zijn, en misschien zullen we die vraag in de toekomst dan ook niet meer stellen. Ik zelf zou dat enorm jammer vinden.

Meer lezen?

Dit blogje maakt uit van een serie over het bewustzijn. In bewust besprak hoe het maar de vraag is of het bewustzijn maar één vraagstuk, of eerder een familie van losse problemen die elkaar soms wel en soms niet raken. In ervaring ging ik in op de vraag of dieren ervaringen hebben en hoe we dat kunnen weten. In dualisme zette ik een aantal filosofische posities over het bewustzijn uiteen. In een volgend blogje ga ik nog in op de vraag of computers een vorm van bewustzijn kunnen hebben.

Ik scheef al eerder over de hersenwetenschap in: breinquintologie, op zoek naar het brein, informatieverwerker, gedachtenmeting en het onbegrijpelijke brein.

Voor dit blogje maakte ik dankbaar gebruik van het boek Being You van Anil Seth.

6 reacties Een reactie plaatsen

Dualisme

Ik ben er vrij zeker van dat, als je dit leest en denkt: “wanneer houdt-ie eens op over dat bewustzijn” – en je dan je ergernis gaat uitleven door het buiten uit schreeuwen, dat je dan een bewustzijn hebt. Vooruit: om mij te overtuigen dat je een bewustzijn hebt hoef je dit blogje alleen maar uit te lezen. Of nog beter, want laat ik eens lief zijn: zelfs als je het lezen niet tot deze zin hebt volgehouden wil ik wel aannemen dat je een bewustzijn hebt. Ik heb er een: medemensen vast ook.

Ik denk er daarmee heel anders over dan sommige neurowetenschappers. Die zeggen dat niemand een bewustzijn heeft. Het bewustzijn is gewoon een praatdoos, die we om on-ver-klaar-bare reden kado hebben gekregen in de evolutie, met als belangrijkste doel om ons een beetje senang te laten voelen met wat we door toedoen van onze hersenen zoal ondernemen. Zeker niet om ons te helpen enige controle uit te oefenen over onze omgeving: zoiets als het breien van een trui, of het bouwen van een kerncentrale, ofzo.

Ik weet het: er is veel verwarring over het bewustzijn en ik draag daaraan bij door vrijelijk te shoppen in de dingen die er door allerlei filosofen al over geschreven zijn. Dus laat ik de discussie toch wat verder uitpluizen. In een eerder blogje maakte ik al onderscheid tussen het idee van bewuste ervaringen, zelfbewustzijn en de vrije wil. Volgens mij zijn dit verschillende vraagstukken die te vaak in samenhang bekeken worden. Ik besprak ook al hoe we kunnen weten dat dieren ervaringen hebben. Maar één hete aardappel ging ik tot nu toe uit de weg, hoe moeten we het bewustzijn eigenlijk begrijpen.

Dan komen we op het terrein van de filosofie. Voor filosofen is de uitspraak dat octopussen acht bewustzijnen hebben eigenlijk bijzaak; iets dat aan biologen en/of cognitiewetenschappers overgelaten kan worden. Filosofen kijken meer naar de vraag achter de vraag. Wat bedoelen we eigenlijk met de uitspraak dat octopussen meerdere bewustzijnen hebben? Wat zijn de onderliggende ‘concepten’?

Nu zijn filosofen het hierover zeker niet eens. Ze zijn grofweg in drie stromingen te verdelen: het materialisme, het emergentiedenken en het dualisme. Laat ik die kort toelichten.

Materialisme

Materialisten geloven dat het bewustzijn gelijk te stellen is aan processen die in het brein plaatsvinden. Er zijn gewoon stroompjes tussen hersencellen en die geven ons ervaringen. Als we het bewustzijn willen begrijpen moeten we gewoon de stroompjes volgen. En als die stroompjes er niet zijn, is er ook geen bewustzijn. Bacteriën en bomen hebben geen ervaringen.

De materialistische opvatting is populair onder neurowetenschappers, maar niet onder filosofen. Dat heeft veel te maken met die vraag uit mijn vorige blogje: over hoe het voelt om een vleermuis te zijn. Ervaringen zijn per definitie subjectief. We kunnen een poging doen ons in te leven in de ervaringen van anderen, maar we zullen het nooit precies weten. Het idee dat de verschillen tussen de stroompjes in vleermuizenbreinen en die in mensenbreinen ons gaan helpen om ons beter in te leven in de ervaringen van vleermuizen staat veel filosofen tegen.

Ze stellen dan ook dat materialisten een denkfout maken. Als je twee concepten gelijk wilt stellen aan elkaar, dan moeten alle eigenschappen gelijk zijn. Twee auto’s zijn pas gelijk als ze evenveel wielen hebben, dezelfde kleur, motor, bekleding en achteruitkijkspiegels. Anders zijn het verschillende auto’s. Het terugvoeren van het bewustzijn tot stroompjes in het brein suggereert dat de subjectieve bewuste ervaring geen (essentieel) onderdeel is van het bewustzijn. Materialisten stellen het bewustzijn eigenlijk gelijk aan een auto zonder wielen. Dat deugt niet. Het materialisme kan niet het definitieve antwoord zijn op de vraag naar het bewustzijn, hoeveel stroompjes we ook doormeten.

Emergentie

Emergentisten delen met materialisten dat ze denken dat stroompjes in het brein het bewustzijn veroorzaken, maar ze erkennen dat het bewustzijn zelf heel andere karakteristieken heeft dan je op basis van de stroompjes zou kunnen verwachten. De stroompjes verhouden zich tot het bewustzijn zoals het individuele gedrag van automobilisten zich tot files verhouden. Auto’s reageren op de auto voor hen door te remmen of te accelereren, maar bij voldoende auto’s op de weg leidt dit tot filevorming. Files hebben hele andere kwaliteiten dan de automobilisten die ze veroorzaken. Files bewegen bijvoorbeeld achteruit in plaats van vooruit. We spreken in zo’n geval van emergent gedrag of een emergent verschijnsel.

Het voordeel van de emergentistische visie is dat het ruimte laat voor kwalitatieve verschillen tussen het karakter van ervaringen en de onderliggende processen in het brein. Het lost dus op een elegante manier de conceptuele denkfout van de materialisten op. Het filosofische probleem met de emergentistische visie is echter de vraag hoe bewuste besluitvorming dan plaatsvindt. Hoe werkt de vrije wil?

Als je eenmaal weet hoe het verkeer werkt is het relatief makkelijk om je voor te stellen hoe het gedrag van individuele automobilisten tot een file kan leiden. Maar het is moeilijker om te bedenken hoe de file weer invloed uitoefent op het gedrag van individuele automobilisten. Natuurlijk, de automobilisten gedragen zich anders in een file dan daarbuiten, maar dat gedrag wordt vooral gestuurd door wat de auto voor hen doet, niet door de file als geheel. Het maakt bijvoorbeeld voor het gedrag van individuele automobilisten niet uit hoe lang de file is, of in welke richting ze beweegt.

Het idee dat ervaringen emergente verschijnselen zijn die voortkomen uit hersenprocessen werkt dus goed omdat het ruimte laat voor verschillende karakteristieken van ervaringen en de breinprocessen zelf, maar het werkt minder goed als verklaringsmodel voor bewuste besluitvorming. Daarvoor is tenminste nodig dat hersenencellen weer op de hoogte zijn van de (emergente) ervaringen. Ongeveer zoals een radiobericht over een file, het gedrag van automobilisten beïnvloedt, maar conceptueel is een dergelijke ‘hersenradio’ niet zo gemakkelijk uit te werken.

Dualisme

Dualisten denken dat het bewustzijn en hersenprocessen verschillende processen zijn die elkaar eventueel beïnvloeden. De hersenstroompjes zouden door het bewustzijn aangestuurd kunnen worden, in plaats van andersom. Net zoals krachten materie in beweging kunnen brengen, zou bewustzijn het denken teweeg kunnen brengen.

Op zich is er niet zoveel mis met deze analogie, maar ik zie weinig pogingen ze serieus uit te werken. Dualisten voeren steevast het twijfelargument van Descartes ten tonele om hun positie te onderbouwen. We kunnen niet ontkennen dat we bewust zijn: we denken immers, dat weten we zeker; terwijl we wél kunnen twijfelen aan het bestaan van de materie. Materie zou een illusie kunnen zijn die onze geest voor ons produceert. De bewijslast, zo zeggen dualisten, ligt dus bij de materialisten. Zolang zij geen sluitende verklaring hebben voor hoe het bewustzijn veroorzaakt wordt door het brein, is het dualisme de betere positie. We zullen materie moeten begrijpen vanuit het bewustzijn, en niet andersom.

Tja, als je de discussie moet winnen door je tegenstander op achterstand te zetten dan sta je zelf niet zo sterk, denk ik dan. Volgens mij hebben dualisten wel degelijk zelf een aantal Grote Vragen te beantwoorden. Als bewustzijn niet voortkomt uit de hersenen is de vraag waar het wel vandaan komt. Komt het van buitenaf, en besluit het bij de geboorte in onze hersenen te gaan wonen? Kan het besluiten iets te doen zonder gebruik te maken van mensen? Kan het ook functioneren als mensen onder narcose zijn? En als dan niet zo is: wie zet het dan uit en weer aan? En de allerbelangrijkste vraag: hoe slaagt dit bewustzijn er precies in de materie in de hersenen in beweging te brengen?

Conclusies

Gaat dit debat ergens over, of speelt er vooral een machtsstrijd? Is de vraag naar de aard van het bewustzijn slachtoffer van een andere vraag: namelijk hoeveel controle we als mensen hebben over ons handelen én ook wie in een betere positie is om die vraag te beantwoorden: breinwetenschappers of filosofen. Laat ik dit blogje gebruiken om vredesduif te spelen.

Als je het mij vraagt zijn de materialisten, emergentisten en dualisten het namelijk helemaal niet oneens. Ze hebben alle drie dezelfde wetenschappelijke vraag te beantwoorden: hoe het bewustzijn en het brein het goede gesprek met elkaar aangaan.

Materialisten beginnen daarbij bottom-up: bij de materie en de stroompjes in het brein. Ze zijn niet geneigd om veel macht toe te kennen aan het bewustzijn en de vrije wil, maar dat komt ook omdat ze daar nog niet zijn. Al hun aandacht gaat uit naar het meten van stroompjes, en daartussen ga je de vrije wil niet vinden, totdat je weet waar je het moet zoeken. Stoere uitspraken over de vrije wil zijn dan eigenlijk niet gepast. Als je er niet serieus naar gekeken hebt, ben je ook niet in een positie om erover te beginnen.

De dualisten beginnen aan de andere kant, bij het karakter van ervaringen en de vrije wil, maar ze hebben niet het empirische gereedschap van de materialisten tot hun beschikking. De kans dat zij op korte termijn in de positie zijn om iets zinnigs te zeggen over de stroompjes, lijkt me klein. Het bewustzijn krijgt van hen alle ruimte, maar dualisten zijn ook vaak ijdele dromers – net als Descartes zelf. Als ze echt werk willen maken van hun betoog over de vrijheid van het handelen, zullen ze de empirie gewoonweg serieuzer moeten nemen.

De emergentisten zijn feitelijk in de beste positie om de wisselwerking tussen brein en ervaring te doorgronden. Daarbij is wel de vraag hoe de ervaring als ‘emergent fenomeen’ het gedrag van hersencellen daadwerkelijk kan bijsturen. We hebben in de neurowetenschap concepten nodig die lijken op de fileberichten op de radio. Ik zie niet in waarom die niet te bedenken en aan te tonen zouden zijn, maar hier liggen zowel filosofische als empirische uitdagingen. Zodra ik van een doorbraak hoor blog ik er over.

Meer lezen?

Dit blogje maakt uit van een serie over het bewustzijn. In bewust besprak hoe het maar de vraag is of het bewustzijn maar één vraagstuk of een familie van losse problemen die elkaar soms wel en soms niet raken. In ervaring ging ik in op de vraag of dieren ervaringen hebben en hoe we dat kunnen weten. In een volgend blogje ga ik nog in op de wetenschap van het bewustzijn en de vraag of generatieve AI bewustzijn kan hebben.

Ik scheef al eens over de vrije wil in wil, over zelfbewustzijn in poetsvissen en over Descartes’ twijfelexperiment in Brein in een vat.

Voor dit blogje maakte ik dankbaar gebruik van een serie podcasts die er door NRC over gemaakt is door ‘Future Affairs’, met name van aflevering 1.

5 reacties Een reactie plaatsen

Ervaring

Het stond in de krant, dus is het waar:”Papegaaien die leerden videobellen voelen zich minder eenzaam“.

Tja. Onderzoekers vergeleken papegaaien die videobelden met papegaaien die dit niet deden – en kwamen tot de conclusie dat de videobellende papegaaien meer sociaal gedrag vertoonden: poetsen, zingen, samen spelen.

Het onderzoek roept allerlei vragen op, maar voor dit blogje is de belangrijkste: hoe weten we dat de gedragingen van papegaaien die videobelden te herleiden zijn tot ‘gevoelens van eenzaamheid’? Hebben papegaaien ervaringen? Voelen ze dingen?

Het is een lastige vraag omdat ervaringen en gevoelens subjectief zijn. Je brengt de hele dag door met je eigen ervaringen. Je ziet het licht in je kamer als je opstaat. Allerlei dingen hebben een kleur. Je luistert en geniet van muziek. Je zit, of misschien word ik nu wel heel persoonlijk, aan het eind van de dag aan je ‘sociale tax’ . Daarom zijn er weinig redenen om te twijfelen aan je eigen ervaringen; maar of anderen ook ervaringen hebben – en of die gelijksoortig zijn – kunnen we eigenlijk niet weten.

Dat roept de vraag op: hoe bijzonder is het eigenlijk? Hebben alle mensen ervaringen? Zijn er dieren die ervaringen hebben? Hebben alle dieren ervaringen? Ook insecten en bacteriën? Hebben planten ervaringen? Algoritmen? Materialen? Moleculen?

De wetenschappelijke wind waait mee in de leesrichting. Vroeger dachten we dat het iets unieks menselijks was, maar inmiddels denken we dat het wijd verbreid is onder dieren, zeker sociale dieren; sommige wetenschappers geloven in bewuste planten, een enkeling gelooft ook in bewuste technologie of materie.

Maar als planten of materie al bewustzijn hebben zal het toch weinig weghebben van het bewustzijn zoals we dat kennen van onszelf? Het is moeilijk om je voor te stellen dat de ervaring van ijzererts dat tot staal gesmeed wordt, vergelijkbaar is met die van mensen die in zo’n oven geknikkerd worden.

Of neem Octopussen. Octopussen zijn slimme dieren, die reageren op hun omgeving en die met planmatige en inventieve oplossingen komen voor hun problemen. Dat lijkt mij allemaal moeilijk te doen zonder ervaringen en een vrije wil, maar octopussen hebben acht breinen in plaats van één. Zouden ze ook acht bewustzijnen hebben? En zijn die het dan eens? Of neem papegaaien… nou ja.

De filosoof Thomas Nagel vatte de vragen die ik hier noem samen onder de noemer ‘hoe voelt het om een vleermuis te zijn’? We kunnen het vleermuizen helaas niet vragen. En er zijn zelfs filosofen, of eigenlijk vooral Ludwig Wittgenstein, die van mening zijn dat je, zelfs als je het kon vragen, je niet in positie zou zijn om het antwoord te begrijpen. Het subjectieve karakter van ervaringen, maakt het voor ons heel moeilijk om ons te relateren aan ervaringen van anderen en die op waarde te schatten.

Wat ons rest is projectie: we stellen ons voor dat ervaringen van anderen op één of andere manier gelijksoortig zijn aan die van ons. Honden voelen dingen aan, octopussen zijn nieuwsgierig, papegaaien kunnen eenzaam zijn. Het aanvoelen, die nieuwsgierigheid en de eenzaamheid herkennen we in onszelf. We proberen dieren te begrijpen in een menselijk begrippenkader.

Die projectie is wetenschappelijk gezien misschien verdacht, maar er zijn ook goede redenen voor te geven. Frans de Waal, onderzoeker van primaten, zoals chimpansees en bonobo’s, wijst ons op het gradualisme uit de evolutietheorie van Charles Darwin. Uit de evolutietheorie volgt dat de verschillen tussen verschillende diersoorten kleiner zijn naarmate de evolutionaire nabijheid groter is. Mensapen staan dicht bij ons, en we mogen veronderstellen dat hun gevoelsleven gelijksoortig is als dat van ons. Voor papegaaien en octopussen is dat al een stuk minder. Voor AI of materie is er eigenlijk weinig hoop.

Zo redeneren de onderzoekers van de papegaaien blijkbaar ook. De manier waarop we over het bewustzijn van anderen praten is gebaseerd op hoe we over onze eigen ervaringen praten. Wij zijn verrast, gekwetst, nieuwsgierig; bij die gevoelens hoort gedrag. Beesten hebben soortgelijke ervaringen die herkenbaar zijn aan soortgelijk gedrag. Als je lang met papegaaien omgaat heb je een idee van welk gedrag bij ‘eenzaamheid’ zou kunnen horen. En kun je dus voorzichtig conclusies trekken over hun gevoelsleven.

Heb je dan meer van het bewustzijn van dieren begrepen? Ja en nee. Ik schaar me achter Frans de Waal door te stellen dat het gevoelsleven van dieren die op ons lijken op dat van ons zal lijken. Dat het bewustzijn van primaten, zoogdieren en andere intelligente dieren gelijksoortig is aan dat van ons. Het is alleen moeilijk te zeggen waar die vergelijking ophoud: zijn onze ervaringen vergelijkbaar met die van vogels, reptielen, insecten? Zodra ik daar zicht op krijg meld ik me.

Meer lezen?

Dit is het tweede deel van een serie blogjes over het bewustzijn. In het eerste deel ging ik in op de verschillende vormen van bewustzijn: ervaringen, zelfbewustzijn en vrije wil. In de volgende twee blogjes ga ik achtereenvolgens in op het filosofische en het wetenschappelijke denken over het bewustzijn. Daarna bespreek ik nog of taalmodellen zoals ChatGPT of LaMDA bewustzijn kunnen hebben.

Ik schreef eerder over bewustzijn in bewust, over zelfbewustzijn in poetsvissen, en over de vrije wil in wil. Ook mijn serie blogjes over de hersenwetenschap: breinquintologie, op zoek naar het brein, informatieverwerker, gedachtenmeting en het onbegrijpelijke brein. zijn gerelateerd aan dit onderwerp.

Hier vind je her artikeltje van nu.nl waar ik aan refereer.

7 reacties Een reactie plaatsen

Bewust

Tot ik een blogje over de vrije wil schreef, en dat allerlei heftige reacties opriep, had ik er nooit zo bij stilgestaan, maar: ‘het bewustzijn’ is een van de meest intieme onderwerpen waar je in wetenschappelijke of filosofische zin over kunt schrijven.

Eigenlijk zijn er meerdere vragen over het bewustzijn die in elkaar grijpen. De meest fundamentele vraag is misschien wel wat het karakter en de oorzaak is van onze ervaringen. We brengen de hele dag door met onze gedachten en ervaringen. Op school mag je best zwaktes hebben, als je je er maar bewust van bent. We gaan naar een concert en praten na over hoe we dat ervaren hebben. We nemen ingrijpende beslissingen op basis van onze ervaringen. Ervaringen zijn gewoon belangrijk voor ons. Dan kan het knap confronterend zijn als er iemand van buiten komt die over onze ervaringen spreekt op een manier die niet overeen komt met hoe we het ervaren – of met hoe bijzonder dat is: het feit dat we ervaren!

De tweede vraag licht er één type ervaring uit. Die van het zelf. Die vraag ligt nog veel gevoeliger. We zijn ons bewust van ons lichaam. We denken ‘s ochtends dat we nog dezelfde zijn als gisterenavond. We kennen onszelf unieke eigenschappen en karakteristieken toe; een identiteit. Meer nog dan het feit dat we ervaringen hebben vinden we het belangrijk dat die ervaringen onze individualiteit onderstrepen. Ik schreef in poetsvissen al eens over zelfbewustzijn en hoe moeilijk het is aan te tonen in andere dieren dan mensen. En eerlijk is eerlijk: het liefst willen we het ook niet overal vinden. We kunnen misschien leven met het idee dat andere dieren, of zelfs planten ervaringen hebben, maar zelfbewustzijn: dat houden we liever voor onszelf.

De derde vraag, die over de vrije wil, is het meest explosief. We hebben als mensen het idee dat we zelf beslissingen nemen. We kunnen er voor kiezen om naar buiten te gaan of lekker binnen te blijven. We kunnen onze stem uitbrengen op de ene of de andere politieke partij. We kunnen hier al stoppen met lezen, of toch nog doorgaan tot het einde van dit blogje. Het is best mogelijk dat we al deze beslissingen nemen onder invloed van dingen van buiten, maar uiteindelijk hechten we er erg aan dat we zelf het laatste woord hebben.

Dat is waarschijnlijk waarom de filosofische posities op dit onderwerp zo verhard zijn. Mensen die beweren dat de vrije wil ‘niet bestaat’ hebben met zoveel weerstand te maken dat ze zich helemaal ingraven in hun positie, en mensen die aan het idee hechten laten zich ook niet zomaar iets anders wijsmaken. Het heeft veel discussie tot gevolg, waarin volgens mij vaak meer op het spel gezet wordt dan nodig. Determinisme, het recht, de menselijke conditie, religie; het zijn misschien grote intellectuele belangen die gebaat zijn bij een duidelijk antwoord over bewustzijn, het zelf en de vrije wil, maar de kans dat de antwoorden zo genuanceerd zijn dat het voor al deze kwesties weinig uitmaakt is levensgroot. Ik schreef het al in wil: als er hersenactiviteit is voor we ons er bewust van zijn betekent dat nog niet dat we het niet uit vrije wil doen. En als we een bewuste keuze maken om een hond uit het water te redden, betekent dit nog niet dat we vrij waren in de zin van ‘vrij van invloeden van buitenaf’. We ervaren vrijheid en hebben het waarschijnlijk ook, maar die vrijheid is gewoon niet absoluut.

Misschien is het bewustzijn het laatste bastion van de menselijke hoogmoed. Nadat de aarde al niet het middelpunt van het heelal bleek, en de mens niet de kroon op de evolutie, houden we ons vast aan de unieke menselijke psyche. We willen het idee dat het bewustzijn iets unieks menselijks is, iets fundamenteels, iets dat ons specialer maakt dan een toevallige samenloop van omstandigheden nog niet opgeven. Maar zoals eerder met die andere onderwerpen knagen de wetenschap en filosofie ondertussen wel aan onze stoelpoten. Bewustzijn is minder bijzonder dan we graag zien, maar vooral: bewustzijn, zelfbewustzijn en vrije wil zijn misschien wel verschillende dingen die op verschillende plekken en verschillende manieren in de natuur voorkomen.

Pas als we bereid zijn dat te erkennen kunnen we de discussie verder brengen, een genuanceerd beeld van het bewustzijn vormen en verkennen of, en hoe, de grote vragen beïnvloed worden door het antwoord. Tot die tijd zit onze trots, ons soortbewustzijn, ons alleen maar in de weg.

Meer lezen?

Dit is het eerste deel van een serie blogjes over het bewustzijn. In het volgende blogje ga ik in op ervaringen van dieren en wat we daar van kunnen weten. Daarna bespreek ik nog het filosofische en het wetenschappelijke denken over het bewustzijn, en ik ga in op de vraag of generatieve AI bewust is.

Ik schreef eerder over zelfbewustzijn in poetsvissen, en over de vrije wil in wil. Ook mijn serie blogjes over de hersenwetenschap: breinquintologie, op zoek naar het brein, informatieverwerker, gedachtenmeting en het onbegrijpelijke brein. zijn gerelateerd aan dit onderwerp.

6 reacties Een reactie plaatsen

Helix

Ik kan me weinig onderwerpen voor de geest halen waar vormonderzoek zoveel impact had als bij het onderzoek naar de structuur van het DNA. De ontdekking van James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins en Rosalind Franklin in 1953 vormde een belangrijke schakel in de bewijsketen van de evolutietheorie. Het was de eerste grote mijlpaal in het vakgebied van de microbiologie en veranderde het onderzoek naar erfelijkheid definitief.

Dat is allemaal mooi, maar het allermooiste aan deze ontdekking is misschien dat er een heel smakelijk boekje over geschreven is door één van de onderzoekers. James Watson gaf in ‘The Double Helix’ een kijkje achter de schermen en liet zien hoe de ontdekking in zijn werk ging. Althans zijn versie ervan, want de bijdragen van de andere onderzoekers – en met name die van Rosalind Franklin – worden als bijzaak weggezet. Nog mooier dan het boekje zelf is misschien de controverse die er over ‘The Double Helix’ ontstond.

De ontdekking zelf hing ook van toeval en intriges aan elkaar. Dat begint al met het onderwerp. Het lag op dat moment helemaal niet voor de hand om de structuur van DNA te gaan onderzoeken. Begin jaren 50 was het nog onzeker of DNA wel een rol speelde in erfelijkheid. Onderzoekers namen aan dat erfelijke informatie in de cel moest worden vastgelegd en dat elke cel deze informatie moest bevatten. Maar er waren allerlei eiwitten in de cel en de informatie zou best eens verdeeld kunnen zijn over verschillende eiwitten. Dit was eigenlijk ook de heersende visie.

Dat de vier onderzoekers zich op DNA gingen toeleggen had te maken met experimenten met bacteriën in de jaren 40, die suggereerden dat DNA wel eens een grote rol zou kunnen spelen bij de erfelijkheid. Maar het was zeker niet zo dat men al dacht dat DNA de enige drager van erfelijk materiaal zou zijn. Dat het blootleggen van de structuur van het molecuul ook kennis zou opleveren over de rol van DNA bij erfelijkheid was ook helemaal niet aannemelijk.

Daarnaast was het lastig te achterhalen. De techniek om de structuur van moleculen bloot te leggen stond nog in de kinderschoenen. Men gebruikte daar röntgenstraling voor, maar dit soort straling kon niet door lenzen worden afgebogen, waardoor er niet zoiets bestond als een röntgenmicroscoop. Wat wel kon was een preparaat met röntgenstraling bestralen en dan kijken hoe de straling afboog. Afhankelijk van de buigingspatronen kon je de kenmerken van de moleculaire structuur herleiden. Het was een zeer pittige experimentele techniek omdat het materiaal dat bestraald werd heel goed geprepareerd moest zijn. Daarnaast viel er bij materialen die te complex waren niets meer te herleiden, omdat de buigingspatronen te ingewikkeld waren. Rosalind Franklin perfectioneerde deze techniek en stelde ons in staat die op zoiets complex als het DNA toe te passen.

Maar in ‘The Double Helix’ gaat James Watson eigenlijk niet in op dit experimentele werk. Het boekje leest eerder als een schelmenroman. Hoofdpersoon James Watson is een 24-jarige onderzoeker, vrij lui, arrogant en egocentrisch, maar wel gedreven om een grote ontdekking te doen. Hij is niet het soort onderzoeker dat zich bezighoudt met details, of het stap voor stap ontwikkelen van een nieuwe techniek om precieze metingen te kunnen doen. Nee, Watson is meer een vrijbuiter die her en der ideeën vandaan plukt en dan op basis van gissingen en intuïties tot nieuwe inzichten wil komen. Die moeten natuurlijk wel een beetje belangrijk en baanbrekend zijn want anders telt het niet. Francis Crick is hierin zijn partner in crime, maar ook wel zijn geweten – iemand met meer senioriteit, die de kritische vragen stelt.

Het balletje gaat rollen als Watson een presentatie ziet van Linus Pauling over een ander biologisch molecuul. Het heeft toevallig ook de vorm van een helix, maar dat is niet wat het meeste indruk maakt. De onderzoeker is achter de structuur gekomen door op basis van de Röntgenbeelden een model te maken van het molecuul. Ongeveer zoals je dat vroeger bij scheikunde gedaan zal hebben door bolletjes die atomen moesten voorstellen met stokjes te verbinden. Dat spreekt Watson aan: het moet voor hem op basis van wat er van DNA bekend is toch ook mogelijk zijn een model van DNA te maken? En misschien levert dat dan wel iets interessants op!

Dus gaan Watson en Crick aan de slag met hun moleculaire Lego, maar ze hebben er weinig succes mee.
Er is simpelweg te weinig van DNA bekend om zo’n structuur meteen te kunnen bouwen. Met behulp van de Röntgentechnieken van Wilkins en Franklin kunnen ze misschien wel iets meer te weten te komen, maar de relaties zijn niet bepaald warm. Daarbij hebben ze andere wetenschapsopvattingen: Wilkins en Franklin willen eerst de data laten spreken en Watson en Crick speculeren er op los. Wat ook niet helpt, is dat Watson en Crick in hun eigen lab weinig steun krijgen: men ziet weinig in het onderwerp en vindt dat ze te weinig progressie boeken.

Toch sprokkelt Watson stukje bij beetje de elementen bij elkaar die hij nodig heeft. Welke moleculen aan de binnenkant zitten en welke aan de buitenkant; het gegeven dat de aminozuren waarmee de dwarsverbindingen in DNA gemaakt worden in gelijke hoeveelheden voorkomen; het feit dat ook DNA een helixstructuur heeft en welke afstand er tussen de verschillende ringen moet zitten. Het meeste hiervan haalt hij uit foto’s van Franklin, die hij door de grote antipathie tussen de twee alleen indirect weet te verkrijgen. Het bouwwerk dat ze uiteindelijk maken is nog altijd een gok, maar het is een erg mooie oplossing. Dit is voor Watson en Crick reden om aan te nemen dat het wel waar moet zijn.

Waarom is die structuur zo van belang? Het is zeker een mooie structuur. Zo mooi dat die nu als symbool voor erfelijkheid dient, maar die culturele betekenis zal de natuur natuurlijk weer worst wezen. Dus wat wel?

Watson en Crick drukken het in hun artikel als volgt uit.

“It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material.”

De ontdekking is dat de structuur van het DNA laat zien hoe je een precieze kopie van een gen kunt maken. De dwarsverbanden in de dubbele helix kunnen uit verschillende aminozuren bestaan, maar er zijn wel vaste paren van aminozuren. Bij celdeling kan het molecuul dus doormidden gesneden worden waarna de twee helften aangevuld kunnen worden met nieuw materiaal. Door de vaste paring kan dat maar op één manier, waardoor de kopie precies hetzelfde moet zijn als het origineel.

Het was destijds een kernprobleem hoe genetisch materiaal zo goed intact kon blijven als het bij elke celdeling opnieuw gekopieerd moest worden. De structuur van Watson en Crick loste dat op. De consequentie van dat inzicht is dat de genetische informatie omsloten zit in de volgorde van de aminozuren die de bruggen vormen. Elke brug vormt dan een letter die exact overgeschreven wordt bij deling. Dit biedt op haar beurt een verklaring voor de diversiteit van levensvormen die allemaal DNA als erfelijk materiaal gebruiken. Er kan immers op deze manier heel verschillende informatie opgeslagen worden in DNA (bijvoorbeeld voor verschillende dieren), die toch exact behouden blijft bij elke nieuwe kopie. Samen leiden deze aspecten van de structuur tot de conclusie dat DNA de drager van het genetische materiaal van levensvormen kan zijn.

‘The Double Helix’ laat zien hoeveel gokwerk er nodig was om tot deze structuur te komen, en hoe dun het bewijs voor deze structuur bij publicatie was. Laat staan voor de verdergaande conclusies die we er nu makkelijk aan kunnen verbinden. Het boekje verkondigt ook Watsons visie dat wetenschap in de eerste plaats om ideeën gaat en pas in de tweede plaats om experimenteel werk. En voor de oplettende lezer laat het zien hoe veel dat wringt. De waardeloze samenwerking tussen Watson en Franklin wordt door Watson bijvoorbeeld breed uitgemeten, maar de schuld wordt natuurlijk bij het karakter van Franklin gelegd en het feit dat ze een vrouw is. Watson lijkt zich niet schuldig te voelen over het feit dat hij haar metingen ‘leende’ zonder daar credits voor de ontdekking tegenover te stellen, terwijl het volstrekt duidelijk is dat ze zonder haar metingen nergens kwamen.

Dit is ook het mooie van het boekje. Het gebruikt een van de belangrijkste ontdekkingen uit de geschiedenis om de slechte kanten van de wetenschap te belichten. Het gaat niet bepaald over de zorgvuldigheid die je van het wetenschappelijk bedrijf mag vragen. Het gaat om het spel en het sociale proces met al haar intriges, die ook een rol spelen binnen dat systeem.

Dat brengt Watson met veel bravoure, waar je kritisch op kan zijn. Hij heeft immers een voorbeeldfunctie. Maar ik zie het meer als een karaktertrek van Watson. De onderzoeker die met Lego de structuur van DNA hielp ontdekken, is dezelfde als de onderzoeker die schaamteloos schreef over de rafelrandjes van die ontdekking. Watson was steeds iemand die zich weinig aantrok van hoe dingen horen. Ik vind het moeilijk om dat niet charmant te vinden.

Wel heb je je als lezer de plicht om je ook te verdiepen in de perspectieven van de andere spelers. Dit kun je bijvoorbeeld doen door ‘Rosalind Franklin and DNA’ van Anne Sayre te lezen. Dit boekje belicht de ontdekking vanuit het perspectief van een persoon die een voorbeeldiger wetenschapper was en die in de geschiedenisboeken thuis hoort. Want als je het mij vraagt is het Rosalind Franklin die, meer nog dan James Watson, aanspraak kan maken op de titel ‘ontdekker van de structuur van het DNA’.

Meer lezen?

Ik schreef eerder over de evolutietheorie in evolutiesnelheid en over gedachtenexperimenten als een manier om de wetenschap verder te brengen. Ik schreef over wetenschapssociologie in Lableven en De zwarte dozen van Latour.

Voor dit blogje maakte ik gebruik van The Double Helix van James Watson en Rosalind Franklin and DNA van Anne Sayre. De quote komt direct uit het oorspronkelijke artikel van Watson en Crick.

2 reacties Een reactie plaatsen

Het onbegrijpelijke brein

The Idea of the Brain van Matthew Cobb geeft lezers een inkijkje in waar de neurowetenschap vandaan komt en waar deze staat. Je leert ervan over hoe het brein werkt en over hoe de wetenschap werkt. Die dubbele laag maakt het boek zo boeiend.

Cobb is een nuchtere wetenschapshistoricus. Het zou gemakkelijk genoeg geweest zijn om te laten zien dat ideeën die we nu natuurlijk vinden, zoals specialisatie in het brein, al voorkwamen bij de oude Grieken of Islamitische geleerden en dat de voortschrijdende wetenschap steeds meer bewijs gevonden heeft voor die ideeën. Maar Cobb kiest ervoor om te laten zien hoe een idee over het brein ontstond, welke vruchten het afwierp en hoe eigenlijk steeds ook het spoor weer doodliep. Dat doet hij voor ideeën die we nu absurd vinden, zoals het idee dat het brein in het hart zit, maar ook voor ideeën die we nu voor waar aannemen zoals evolutie.

Daarmee laat hij zien dat de wetenschap niet vooruitgaat via een serie briljante ideeën en ontdekkingen, maar dat er evengoed, of zelfs vooral, toevallige ontdekkingen, verwarring en fouten nodig zijn om verder te komen. Cobb beschrijft de ideeën uit het verleden niet als stappen op weg naar ons huidige begrip, maar zoals ze vroeger gebruikt werden. Min of meer volledige theorieën in al hun complexiteit en met de bijbehorende onduidelijkheden. Dat geeft, mits je als lezer de neiging kunt onderdrukken de lijntjes naar de toekomst zelf te leggen een eerlijk beeld van de ontwikkeling van de wetenschap.

Door het boek heen valt steeds op hoe belangrijk technologie is geweest als metafoor voor het brein. Het meest algemeen begrijpen we het brein ‘als een machine’, maar eigenlijk gaf elke opwindende nieuwe technologie ook aanleiding om op een andere manier naar het brein te kijken. Dat werkte zo in twee richtingen. Technologie was een metafoor voor het brein en het brein een metafoor voor de technologie. Het brein werd gezien als een telegraaf, terwijl telegraaflijnen op hun beurt werden geïnterpreteerd in termen van zenuwactiviteit. Daarmee is het begrip van het brein dus sterk cultureel verankerd.

Wat ook opvalt is hoe weerbarstig het brein is als het gaat om het verzamelen van empirisch bewijs over haar werking. Dat gold voor de Aristotelianen die hun kennis moesten vergaren door breinen van verschillende dieren te verzamelen. Het gold ook voor de wetenschappers die stroomstootjes gingen toedienen aan het brein van zieke patiënten, maar het geldt nog steeds voor de hedendaagse neurowetenschappers. Zij komen met hun dure scanners niet verder dan te laten zien welke stukjes, met elk tientallen miljoenen cellen van het brein, een beetje actiever zijn bij het uitvoeren van een bepaalde taak.

Het lukt ook maar niet om het goede niveau van analyse te vinden. Het lijkt erop dat het brein op verschillende organisatieniveaus op een andere manier begrepen moet worden. Losse cellen werken wezenlijk anders dan groepen cellen. Op sommige niveaus is het brein gespecialiseerd en gelokaliseerd, op andere niveaus is het gedistribueerd.

Een mogelijkheid om het gedrag van groepen cellen te begrijpen is het terug te brengen naar eenvoudigere netwerken en dan op te schalen. Onderzoek aan fruitvliegjes en zebravissen kan ons misschien meer leren over het brein, dan de beste fMRI-scanners. Genetische manipulatie kan daarbij mogelijk helpen. Het maakt het mogelijk systematisch te experimenteren met hoe het gedrag van deze dieren beïnvloed wordt door kleine aanpassingen aan het brein.

Maar of we daarmee wél verder komen is nog steeds de vraag. We zullen ook nieuwe ideeën moeten ontwikkelen: nieuwe metaforen en concepten om het brein te begrijpen. Want Cobb laat zien dat de moderne breinwetenschap, met al haar empirisch geweld en technisch vernuft nog steeds beperkingen heeft. De wetenschap die valse herinneringen in dieren kan implanteren en mensen in staat kan stellen computers te besturen met hun gedachten, boekt toch weinig vooruitgang in het daadwerkelijke begrip van de werking van het brein als geheel.

Deze kwestie wordt ook door breinwetenschappers zelf opgeroepen. Eric Jonas en Konrad Paul Koning deden een poging om de technieken die neurowetenschappers gebruiken op verschillende manieren toe te passen op de MOS-6507 processor. De MOS-6507 is de chip die in de jaren ’70 in computers zat en spelletjes als Donkey Kong en Space Invaders mogelijk maakte. Het is een relatief eenvoudig apparaat waarvan de werking volledig bekend is.

Jonas en Koning brachten de structuur in kaart, schakelden sommige delen uit en deden allerlei andere dingen die neurowetenschappers zoal doen met het brein. Ze slaagden er echter niet in te achterhalen hoe informatie in die chip werd verwerkt. Dit mislukte jammerlijk. Ze concludeerden dat de technieken van de neuroscience onvoldoende geschikt waren om het noodzakelijke begrip van dit intelligente apparaat op te bouwen.

Kunnen we, vraagt Cobb, het brein leren begrijpen met de technieken die we nu tot onze beschikking hebben? En hebben we meer techniek of eerder meer verbeelding nodig om dat te doen? Cobb neigt naar het laatste, maar misschien is de vraag die het boek het meeste oproept, wat we eigenlijk bedoelen met het begrijpen van het brein.

Ooit waren we best tevreden met het idee van het brein als een computer, maar nu willen we echt meer. Ooit dachten we dat het brein de complexiteit van een stoommachine zou hebben, nu weten we echt wel beter. Maar als we Cobb’s geschiedenis serieus nemen moeten we ook meenemen dat de invulling van begrijpen mee veranderd is met de wetenschap. Elk hoofdstuk, elke metafoor, elk kernidee, bracht niet alleen begrip, maar ook een veranderende en groeiende behoefte om het brein in detail te begrijpen. Dat zal in de toekomst niet anders zijn. We blijven op reis.

Meer lezen?

Dit is de slotpost van een serie blogjes over breinwetenschap aan de hand van het boek van Matthew Cobb. De serie start met een introductie in het blogje ‘brein quintologie‘, om daarna in op zoek naar het brein in te gaan op de oude breinwetenschappen; in informatieverwerker op de toepassing van het idee van informatie en communicatie op het brein; en in gedachtenmeting op de moderne breinwetenschap.

Ik schreef al eerder over het brein. Bijvoorbeeld in ‘wil‘ waar ik inga op de wetenschappelijke discussie rondom het bewustzijn, en in ‘geheugenmachine‘ waar ik inga op de werking van het geheugen.

Ik schreef ook al eerder over wetenschapsgeschiedenis. Bijvoorbeeld in de wetenschapsgeschiedenis van Rens Bod en over de wisselwerking tussen informatiewetenschappen en technologie en in ‘reading James Gleick’s the information’. Het schrijven van Cobb doet ook sterk denken aan de wetenschapsfilosofie van Larry Laudan.

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

6 reacties Een reactie plaatsen

Gedachtenmeting

Technologieontwikkeling heeft ons denken over het brein beïnvloed doordat we het brein proberen te begrijpen vanuit de werking van die machines: zoals het idee van het brein als een telefooncentrale of het brein als een computer.

Maar dankzij de technologie kunnen we ook steeds slimmere metingen aan het brein doen. Toegegeven: ook de leerlingen van Aristoteles deden aan empirische breinwetenschap – door het uiterlijk van het brein van verschillende dieren te vergelijken. Maar de moderne technologie stelt ons in staat om in levende breinen activiteit te meten, om in te grijpen in het denken met elektronica en het brein na te bootsen in computermodellen. Dat is machtig gereedschap.

Hoe ver brengt al dit technologische geweld ons eigenlijk bij het begrijpen van het brein? De moderne wetenschap is versnippert in allerlei specialismen en dit geldt ook voor het onderzoek aan het brein. Laten we er eens een aantal van bekijken.

Geheugen
Ik heb het eerder in deze serie al gehad over de lokalisatiegedachte : dat bepaalde taken op een bepaalde plek in het brein worden uitgevoerd. Maar we kunnen dit idee natuurlijk toepassen op het geheugen. Als ik aan mijn oma denk, heb ik daarvoor dan een specifieke cel of een klein groepje cellen nodig?

Het idee van lokalisatie van het geheugen heeft een grote impuls gehad door de experimenten van neurochirurg Wilder Penfield. Hij liet zien dat als het brein op specifieke plekken gestimuleerd wordt mensen zeer specifieke, levendige herinneringen rapporteren – alsof ze het op dat moment meemaakten. De suggestie dat die herinnering op die specifieke plek is opgeslagen is dan ook sterk. Ook de verwerking van zintuiglijke informatie was volgens Penfield gelokaliseerd hetgeen resulteerde in het beroemde homunculus plaatje: waar de hersenen zijn afgebeeld met specifieke delen van het lijf waar ze aan gekoppeld zijn.

Toch wierpen deze bevindingen niet meteen het idee dat herinneringen juist gedistribueerd werden opgeslagen tegen. Een probleem was dat de herinneringen die Penfield kon oproepen heel anders zijn dan normale herinneringen. Ze waren heel levendig en vol detail, terwijl ‘normale’ herinneringen juist vaag zijn en met veel raadwerk aan elkaar gehouden worden. Bovendien was zijn stimulatie vrij grofmazig waardoor het nog altijd de vraag is wat hij precies stimuleerde. Een andere vraag was hoe een herinnering precies in een hersencel opgeslagen kan zijn.

Deze laatste vraag werd beantwoord door Donald Hebb. Hij stelde dat het brein leert door het netwerk van neuronen aan te passen. Erik Kandel toonde later aan de hand van zeeslakken aan dat Hebbs hypothese correct was. Geheugen werkt via het versterken en verzwakken van connecties in het brein. Dit netwerkidee sluit niet uit dat specifieke cellen aan specifieke herinneringen gekoppeld zijn, maar hoe ‘lokaal’ of ‘geïsoleerd’ die netwerken zijn is een open vraag. We weten simpelweg niet hoeveel cellen samen een herinnering vangen, of die dicht bij elkaar zitten – en in hoeveel herinneringen elke cel een rol speelt.

Het vermogen om nieuwe herinneringen op te slaan kan kapot gaan. De patiënt Henry Molaison werd bijvoorbeeld voor epilepsie behandeld met een breinoperatie waarin delen van het brein worden verwijderd (lobotomie) – een behandeling die wel op schizofrene patiënten werd uitgevoerd.

Daarna kon Henry geen nieuwe herinneringen meer opslaan. Oude herinneringen waren nog prima en werkten zoals altijd, maar nieuwe gebeurtenissen sloeg hij gewoon niet op. Henry is uitgebreid onderzocht en daardoor hebben we veel geleerd over het brein, maar een van de meest duidelijke dingen is dat er een specifiek hersengebied is: de hippocampus, waar de opslag van herinneringen geregeld wordt.

Inmiddels weten we zoveel van de biochemie van leren, dat we valse herinneringen in muizen kunnen inplanteren met elektronica. Bepaalde cellen waarvan we weten dat ze betrokken zijn bij het herkennen van een bepaalde geur worden gestimuleerd samen met cellen die met beloning te maken hebben. Vervolgens herkennen muizen die geur, ook al hebben ze hem nooit eerder in het lab geroken.

Het neurologische onderzoek van het geheugen is dus wat paradoxaal. We weten erg veel en we begrijpen het brein zelfs zo goed dat we het kunnen controleren, terwijl we tegelijkertijd nog altijd geen antwoorden op basale vragen hebben over hoe herkenningen worden opgeslagen.

Circuits
Aangezien we weten dat herinneringen in netwerken van cellen worden opgeslagen, is het dan niet mogelijk om het brein te leren kennen door het simpelweg in kaart te brengen? Dat wil zeggen door vast te stellen welke neuronen met welke verbonden zijn?

Wetenschappers hebben dit op verschillende manieren proberen te doen. Eén manier is om het gedrag van individuele neuronen te bestuderen in het lab en in het brein. Dit onderzoek is begonnen met katten. Onderzoekers verdoofden een kat en maten de activiteit van één van de hersencellen als gevolg van lichtinval in het oog. De cel bleek alleen gevoelig voor een lijn die verticaal bewoog. Andere vormen en bewegingen hadden geen effect. Het idee was geboren dat cellen hoogst gespecialiseerd zijn.

Mensen zijn ook op deze manier onderzocht. Ook daar bleek specialisatie. Er bleken bijvoorbeeld cellen bij proefpersonen die reageerden op afbeeldingen Jennifer Aniston, maar niet op andere gezichten of beelden.

Toch is de conclusie dat er zoiets bestaat als een Jennifer-Aniston-cel niet helemaal terecht. De cel maakt immers deel uit van een netwerk. De ‘code’ voor de actrice kan verdeeld zijn over heel veel cellen waar deze toevallig bij hoort. En de cel kan bijdragen aan andere codes waar we geen weet van hebben omdat die niet getest zijn.

Door onze focus op die ene cel verliezen we het totaal uit het oog – en daardoor weten we eigenlijk nog steeds vrij weinig. De indruk die wel ontstaat is dat er een hiërarchie bestaat in het brein, waarbij sommige cellen gevoelig zijn voor veel verschillende stimuli en anderen die veel meer gespecialiseerd zijn, waarbij de gespecialiseerde cellen veel bijdragen aan de herkenning van een bepaald concept. Maar wat die ‘topcel’ dan precies codeert is alsnog een grote vraag.

Als je niet te veel wilt inzoomen op een enkele cel kun je als wetenschapper ook de bedrading als geheel onderzoeken: welke cellen zijn precies met elkaar verbonden? Dit wordt het connectome genoemd. Dit is alleen voor de meest eenvoudige dieren te doen. Een enkele hersencel kan verbindingen hebben met tientallen andere cellen en dat kan wel 30 meter bedrading betekenen.

In de jaren tachtig lukte het voor een wormpje: C. elegans. Het wormpje heeft 900 cellen, waaronder 300 neuronen. Seymour Benzer kreeg er de Nobelprijs voor. Inmiddels wordt aan een diagram van de fruitvlieg larve gewerkt. Daarmee is iets wat ook maar in de verste verte lijkt op de complexiteit van een zoogdierenbrein nog ver weg.

En dan is de vraag wat die bedrading laat zien. Onderzoek liet zien dat verantwoordelijkheden op verschillende manieren in het netwerk terecht kunnen komen. Met andere woorden: voor zover we al een eenduidig antwoord uit te halen is over wat de fysieke bedrading is, dan kan hersenactiviteit nog altijd op verschillende manieren door die bedrading lopen. Cellen kunnen verschillende rollen aannemen. Dat roept de vraag op hoe dit breinkaart project ooit inzichten gaat opleveren waar we direct mee doorkijken. Op zijn minst zullen we moeten modelleren wat er op die infrastructuur gebeurt.

Computers
Daar komen computers weer van pas het brein kan softwarematig gesimuleerd worden. Vroege pogingen lijken op wat nu het neurale netwerk genoemd wordt. Er is een input en een output en stukjes software daar tussenin (verborgen lagen) die signalen bewerken en doorgeven aan andere cellen.

In principe is dit een krachtig model van hoe het brein werkt en het heeft ons lerende en patroonherkennende computers gebracht, maar weinig inzicht in hoe het brein werkt. Op zich kan je monitoren hoe de software verandert op basis van een leertaak, maar dat heeft zo weinig inzicht gebracht dat van AI gezegd wordt dat het een soort alchemie is. Soms werkt het goed, maar soms ook niet en niemand lijkt te kunnen begrijpen waarom dan.

Een indrukwekkende loot aan deze stam zijn brein-computer interfaces. Via een implantaat bouwen wetenschappers een directe link tussen het brein en een computer. Mensen kunnen zo met hun brein een prothese leren besturen en er zijn ook pogingen om protheses voor de zintuigen, zoals de ogen, te maken. Het lijkt het ultieme bewijs dat we het brein zo goed begrijpen dat we het onder controle kunnen krijgen, maar feitelijk zien we hoe twee lerende systemen zich op elkaar aan kunnen passen. Het brein leert de input van de prothese verwerken, de prothese leert patronen in de elektriciteit van het brein te herkennen. Die lerende systemen blijken succesvol samen te kunnen werken en, hoe indrukwekkend dat ook is, het leert ons weinig over de precieze werking van het brein.

Chemie
Tot nu toe hebben we vooral de elektrische kant van het brein besproken, maar het brein is ook een chemische fabriek.

De ontdekking van LSD luidde een tijdperk in waarin de chemie van het brein volop in de belangstelling kwam te staan. De werking werd toevallig ontdekt door Albert Hofmann in 1943 toen hij het stofje, dat ontwikkeld was als middel om beter te kunnen ademen tot zich nam en tijdens een fietstochtje in een hallucinante trip belandde.

Er was wel bekend dat er stoffen waren die je stemming konden beïnvloeden, maar zulke sterke en precieze effecten op het brein waren onbekend. Al snel werden ook andere stoffen ontdekt zoals antidepressiva en lithium. De ontdekking van deze stoffen viel ongeveer samen met de vaststelling dat de overdracht van neuroactiviteit chemisch en dus niet elektrisch van aard is. Het had een enorme impact op de psychiatrie (destijds nog in de ban van psychoanalyse), maar na deze vruchtbare beginperiode liep de vondst van psychoactieve stoffen dood.

Er werden honderden chemische stoffen geïdentificeerd die op verschillende tijdschalen een effect op het brein hadden, waardoor er een nieuwe laag van complexiteit aan ons begrip van het brein werd toegevoegd. Alsof een brein dat puur elektrisch werkt al niet ingewikkeld genoeg was. Helaas begrijpen we nog weinig van de precieze rol van al deze stoffen en is het toedienen van psychoactieve stoffen aan het lichaam een vrij grofmazige methode om het brein mee te behandelen. Daarom – en omdat er al jaren geen goede kandidaten zijn – lijkt dit onderzoek een beetje op een dood spoor te zitten.

Lokalisatie
Naast lokalisatie van het geheugen is ook lokalisatie van functie nog altijd een onderwerp van onderzoek. Dit onderzoek nam in de tweede helft van de 20e eeuw een grote vlucht door fMRI. fMRI is een indrukwekkende scanningstechniek die vrij precies kan vaststellen waar er bloed door het brein stroomt. Dit wordt op haar beurt als een indicator van activiteit gezien. Vrij precies is overigens nog altijd zeer grofmazig in relatie tot individuele hersencellen: een gebiedje van één fMRI-pixel bevat 5,5 miljoen neuronen.

fMRI is populair omdat op relatief eenvoudige wijze kan worden aangetoond dat bepaalde hersengebieden actief zijn bij bepaalde taken, waardoor een hersengebied voor specifieke emoties, bepaalde soorten beelden en andere stimuli geïdentificeerd kunnen worden. Het idee achter dit programma is dat we die hersengebieden één voor één in kaart kunnen brengen, waarmee we een basis leggen om ook iets te zeggen over de samenwerking van al die gebiedjes. We kunnen de losse radertjes als het ware later weer in elkaar zetten om te laten zien hoe de machinerie van ons denken werkt.

Het probleem is echter er geen bewijs is dat zulke specialisaties bestaan. Immers dat een bepaald gedeelte actiever is tijdens een bepaalde taak zegt niet zoveel over wat het gebied precies doet en in hoeverre het steun ondervindt van andere hersenonderdelen, noch hoe het zou reageren op andere stimuli. Het is vrijwel onmogelijk om op basis van al deze losse experimenten ook maar te begrijpen hoe de hersendelen die oplichten werken.

En dan is er nog de vraag of die fMRI metingen zelf wel deugen. Omdat er zoveel statistiek nodig is om tot de beelden te komen is er een risico op ‘valse positieven’: experimenten waarin de hersendelen oplichten zonder er iets aan de hand is. Dat dit kan optreden is op spectaculaire wijze aangetoond door onderzoekers die een hersengebied vonden voor het herkennen van emoties in een dode zalm. Ze schreven het artikel over de dode zalm vervolgens precies op zoals onderzoekers die fMRI bij levende mensen toepassen doen, waardoor ze op een pijnlijke manier duidelijk maakten dat deze wetenschap niet zo sterk is als dat de auteurs zelf geloven.

Ook de interpretatie dat fMRI ten minste heeft laten zien dat lokalisatie de regel en niet de uitzondering is in het functioneren van het brein lijkt niet te kloppen. Veel experimenten laten ook zien dat veel taken in het brein gedistribueerd zijn over het hele brein. Zoals de beroemde spiegelneuronen. Eerst dachten we dat die op een bepaalde plek zaten, maar later bleek dat ze verdeeld zijn over het hele brein. Er zijn er ook veel meer dan we dachten: 11% van de neuronen uit de neocortex blijken spiegelneuronen te zijn. Eigenlijk is de uitkomst van al dit onderzoek dat lokalisatie nooit het hele verhaal vertelt en dat we nog altijd weinig weten van hoe het brein haar netwerken organiseert.

Lokalisatie van functies in netwerken van cellen is nog altijd een plausibele hypothese, maar die netwerken zijn zeker niet altijd ook geconcentreerd in de ruimte. De fMRI heeft dezelfde problemen als de Jennifer-Aniston-cel-experimenten – en die zijn nog lang niet opgelost.

Bewustzijn
Als we toch aan het meten zijn: wat zou het mooi zijn als we op een fMRI-plaatje precies konden zien waar het bewustzijn zit zodat we eindelijk kunnen vaststellen dàt, en hoe, het bewustzijn een product is van hersenactiviteit.

Dat kun je niet makkelijk met experimenten aantonen. Je moet immers onbewuste hersenactiviteit met bewuste hersenactiviteit vergelijken. Maar iemand een cognitieve taak geven, zoals in fMRI gebruikelijk is, werkt hier niet voor omdat dit allemaal ‘bewuste’ taken zijn.

Toch is er wel onderzoek uitgevoerd naar de ‘neurologische correlaten van het bewustzijn’. Men is begonnen met het meten van hersenactiviteit bij het ontwaken. Dat ligt voor de hand omdat we bij het slapen niet bewust zijn, en bij het wakker worden wel. Dat onderzoek liep echter dood omdat het signaal te vaag was.

Ander onderzoek richtte zich op de rol van hersenhelften. Dit was mogelijk bij dieren en mensen van wie de hersenhelften operatief gescheiden waren. Dit onderzoek gaf in ieder geval sterk bewijs dat het brein een rol speelt in het bewustzijn. Bij mensen met losgesneden hersenhelften kunnen de beide helften apart van elkaar bestudeerd worden, omdat de visuele input verdeeld is. Het rechteroog is gekoppeld aan de linker hersenhelft en andersom.

De experimenten laten zien dat de twee hersenhelften allebei tekenen van bewustzijn tonen, hoewel dit makkelijker te onderzoeken is voor de linker hersenhelft waar onze taalproductie zit. Beide helften lijken zich echter op geen enkele manier van de ander bewust. De suggestie van deze experimenten is dat als je het brein splitst je ook twee verschillende bewustzijnen krijgt. Dit wijst er in ieder geval op dat breinactiviteit en bewustzijn sterk samenhangen.

Nieuw onderzoek richt zich op het stimuleren van bepaalde delen van het brein. Zo zijn er delen van het brein die gevoelens van angst oproepen bij de proefpersonen als ze gestimuleerd worden. Of er een deel van de hersenen bestaat dat angstbewustzijn controleert is maar zeer de vraag. Dezelfde cellen zijn bij andere processen ook betrokken.

Er is dus nog weinig experimenteel bewijs voor de relatie tussen het brein en het bewustzijn. Genoeg om de stelling te ondersteunen dat het bewustzijn veroorzaakt wordt door het brein, maar niet genoeg om licht te werpen op hoe dat dan in zijn werk gaat. Er zijn in de laatste jaren theorieën ontwikkeld over deze relatie, maar overtuigend bewijs, of zelfs een scherp idee van hoe dat bewijs er uit moet zien is er gewoon nog niet.

Tot slot
De moderne wetenschap heeft met haar technologisch vernuft, en focus op wat meetbaar is enorm veel kennis opgeleverd over de biologie van het brein. Maar het is wel de vraag of we nu ook beter grip hebben op de werking van het brein. We zien het als een orgaan dat informatie opslaat door netwerken van cellen aan te passen. Maar hoe dat in zijn werk gaat; hoe die netwerken zelf georganiseerd zijn; wat de rol is van al die chemische stoffen die bij het proces betrokken zijn; en hoe belangrijk lokalisatie is. Eigenlijk weten we daar nog heel weinig van af.

We hebben er duizenden puzzelstukjes bij gekregen, maar niet zoveel overkoepelende nieuwe ideeën over hoe het brein zou kunnen werken. In die zin kun je je afvragen of we zoveel verder zijn dan een halve eeuw geleden. Er is door het empirische geweld en de explosie van onderzoek in de neurologische breinwetenschap veel hard bewijs, maar weinig ideeën over wat we eigenlijk proberen te bewijzen.

Een kernprobleem lijkt te zijn dat het bewijs op macroniveau: “hoe reageert het totale netwerk op een impuls?”, slecht te koppelen is aan het mesoniveau: “welke activiteit zien daarbij we in de hersenen?”, en het microniveau: “hoe reageert één cel?”. Het is natuurlijk niet uit te sluiten dat die schakels snel gevonden zullen worden, maar de bottleneck lijkt eerder in ons denken over het brein te zitten dan in de metingen, waar in de moderne tijd zo sterk de nadruk op is komen te liggen.

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 vijfdelige serie, die begon met de post ‘brein quintologie’, verder ging met ‘op zoek naar het brein’ en ‘informatieverwerker’ en nog verder gaat met ‘het onbegrijpelijke brein‘.

Ik schreef al eens over de ontwikkeling van ‘little science naar big science‘, iets dat zich spiegelt in de breinwetenschap, besprak het bewustzijn in wil, en bewust en het geheugen in geheugenmachine.

Deze blogjes zijn natuurlijk nog het meest bedoeld om jullie lekker te maken om ‘The Idea of the Brain‘ zelf te lezen.

6 reacties Een reactie plaatsen

Informatieverwerker

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

Tijdens de industriële revolutie probeerden we het brein vooral te begrijpen als een machine, met begrippen als krachten, elektriciteit en scheiding van functies. Pas in het begin van de 20e eeuw werd ‘informatie’ het dominante begrip.

Met de introductie van de meet- en regeltechniek, en later de computer, ontstond een generatie machines die misschien beter 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 die door deze ontwikkeling is veroorzaakt.

Inhibitie (19e eeuw)
Misschien was het een wetenschappelijke ontdekking uit de late negentiende eeuw 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 maakten. Alleen was het 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 Helmholtz 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 moeten worden gezien als een soort conclusie die aan het bewustzijn gevoerd wordt, eerder dan een directe afdruk van de buitenwereld.

Helmholtz’ idee werd ondersteund door de filosofie van Emanuel 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 waaruit ons zenuwstelsel 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 men niet vaststellen of het zenuwstelsel uit losse cellen bestond of een weefsel vormde dat tussen andere cellen lag. Dit veranderde toen Camillo Golgi bij toeval een techniek ontdekte waarmee zenuwcellen bij het afdrukken een andere kleur kregen dan omliggende cellen. Nu konden zenuwcellen zichtbaar gemaakt worden.

De techniek werd verbeterd door een andere wetenschapper: Ramón y 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 een stap 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. Op verschillende locaties zijn er verschillende cellen – hetgeen op specialisatie duidt. Verder hebben de cellen vertakkingen als ingangen (dendrieten) en uitgangen (axonen). De overgang tussen twee zenuwcellen (de synaps) speelt een belangrijke rol in het functioneren ervan.

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 door deze lijn van onderzoek ontdekten, 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, ze heel anders werkten dan de schakelingen in deze centrales.

Machines (20e eeuw)
Het gebruik van ideeën uit de techniek om het lichaam te begrijpen is vermoedelijk zo oud als het denken zelf. In de geschiedenis van het denken over het brein zijn we dit idee 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 uitmaken 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 pulsen sneller of langzamer afgeven, maar elke puls is even sterk.

In de eerste Eerste Wereldoorlog werden radioversterkers ontwikkelt. Edgar Adrian en Yngve Zotterman gebruikten dit om aan te tonen dat: (1) neuronen digitaal van karakter zijn, (2) ze stoppen met vuren als ze te veel gestimuleerd worden en (3) de intensiteit uitgedrukt wordt in pulsfrequentie en niet in puls-sterkte. 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 ze antwoorden gaven over de werking ervan. Maar ze introduceerden, samen met de robotexperimenten, wel nieuwe begrippen in het denken over het brein. Begrippen die later heel centraal zouden worden: informatie, code en boodschap.

Controle (20e eeuw).
En toen werd de computer uitgevonden: eerst op papier door Alan Turing en John von Neumann, in de jaren 40. Al snel, in de jaren 50, werden ze ook echt gebouwd. Turing bewees dat de ‘Turingmachine’, een vrij eenvoudig denkbeeldig apparaat, werkelijk elke denkbare berekening kon uitvoeren. Zou het brein niet op dezelfde manier kunnen werken?

In de vroege ontwikkeling van de computer was er veel enthousiasme over deze ideeën. Het vakgebied van de cybernetica kwam eruit 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 wordt 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 we moesten wachten op een theorie van hoe de biologie die verwerking aanpakt.

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 die we uit de techniek kennen. 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.

7 reacties Een reactie plaatsen

Op zoek naar het brein

Hoe zijn we erachter gekomen dat al onze zielenroerselen – ons denken over de meest alledaagse dingen tot de diepste vragen over onszelf en het bestaan, voortgebracht worden door een paar kilo weefsel ergens in ons hoofd?

Tot de negentiende eeuw was de vraag waar het denken plaatsvindt al even urgent als de vraag hoe het denken werkt. Omdat we nog weinig wisten van de natuurkunde en de biologie, en omdat we geen apparatuur hadden om eens goed te kijken wat er gebeurde in het lichaam. De breinwetenschap moest het tot de negentiende eeuw nog doen met veel gis- en conceptueel denkwerk. Iets waar we in de huidige, sterk experimentele wetenschap misschien juist wat meer behoefte aan hebben.

In ‘The Idea of the Brain’ laat Matthew Cobb zien dat het denken over het brein altijd sterk is beïnvloed door heersende theorieën buiten de breinwetenschap. Dat dit ideeën heeft opgeleverd waar we nog steeds op bouwen, mag haast niet verbazen.

Hart (tot 17e eeuw)
De eerste vraag die beantwoord moet worden is natuurlijk waar het brein zich bevindt, of preciezer: waar gedachten en gevoelens eigenlijk vandaan komen. Lang was het meest gegeven antwoord daarop het hart. Dat is ook niet zo vreemd als je bedenkt dat je hartslag verandert als je emotioneel wordt. Het hart is ook een actief orgaan, net zoals de gedachten actief zijn. Zonder biologielessen op de lagere school had je er waarschijnlijk net zo over gedacht.

Het is dan ook niet verrassend dat dit idee van het hart als denkorgaan lang dominant is geweest in de wetenschap. Aristoteles dacht al dat het denken in het hart zat – en tot in de middeleeuwen dacht bijna iedereen dat Aristoteles overal gelijk over had.

Het idee dat het centrum van het denken in ons hoofd zit en ideeën over de functie van de zenuwen ontstonden door experimenten op mensen en dieren. Leerlingen van Aristoteles viel het bijvoorbeeld al op dat mensenhersenen een complexere vorm hadden dan hersenen van dieren, terwijl mensen ook intelligenter leken dan dieren.

Na de Romeinse tijd lag het centrum van de wetenschap in de Arabische wereld, waar ideeën over het hart en het brein als oorsprong van ons mentale leven gebroederlijk naast elkaar bestonden. Het brein bestond misschien uit kamers met verschillende functies zoals waarnemen en inbeelden, redeneren en onthouden. Al die functies konden een eigen plek hebben in het brein. Misschien werden ze bewoond door geesten die weer hun oorsprong in het hart hadden. Al in de Romeinse tijd werd deze kamerhypothese weerlegd door anatomisch onderzoek. Er was in de anatomie van het brein niets te zien wat die functies kon verklaren.

Krachten (17e tot 18e eeuw)
In de wetenschappelijke revolutie mechaniseerde ons wereldbeeld. Wetenschap en techniek gingen hand in hand om oplossingen te vinden waarmee arbeid geautomatiseerd kon worden. Deze mechanische techniek werd vervolgens gebruikt als metafoor om mensen en dieren te begrijpen. Beroemd zijn plaatjes uit die tijd waar dieren voor het eerst als robots worden afgebeeld.

Zo verging het ook het brein. René Descartes dacht dat de geest iets fundamenteel anders was dan het lichaam en dat de geest het lichaam wist te besturen via de pijnappelklier. Het kernprobleem was hoe het brein er in kon slagen om invloed uit te oefenen op het lichaam. Dat de zenuwen een rol speelden werd algemeen aangenomen, maar hoe dat precies werkte bleef een groot raadsel. Oudere ideeën suggereerden dat die invloed het gevolg was van een bepaalde zenuwlucht (pneuma) of dat deze hydraulisch via een vloeistof werd overgebracht.

Gelukkig was de microscoop net uitgevonden. Die toonde aan dat er in de zenuwen geen ruimte was voor vloeistoffen of gassen. De filosoof John Locke stelde daarom voor dat het brein moest bestaan uit ‘denkende materie’. Dit werd als godlasterend gezien omdat de ziel dan niet onsterfelijk kon zijn. Daarnaast betekende het dat dieren, maar ook levenloze objecten, zouden kunnen denken – een idee dat iedereen absurd vond.

Elektriciteit (18e en 19e eeuw)
De opvolger van het krachtenidee was het idee van elektriciteit dat in de 18e eeuw populair werd. Hoewel dat nu een ‘correct’ idee lijkt, laat de geschiedenis vooral zien hoe weinig vooruitgang ermee geboekt werd.

Dat komt niet in de laatste plaats omdat elektriciteit zelf nog nauwelijks begrepen werd. Eerst was het nog vooral iets van circussen, waar elektriciteit als rariteit getoond werd. Later kreeg men iets meer controle met de uitvinding van de condensator en de batterij. Hoewel er bewijs was dat elektriciteit beweging kon stimuleren in kikkerbenen en in andere dieren, en dat men bepaalde sensaties elektrisch konden worden opgewekt, was geenszins duidelijk hoe dit precies samenhing met de werking van de hersenen.

Één probleem was dat zenuwsignalen veel langzamer waren dan elektriciteit in geleidende draden. Hermann von Helmholtz toonde aan dat zenuwsignalen ongeveer 30 m per seconde gingen. Dat is vrij traag. De waarneming zou dan altijd achterlopen. En ook voor het denken lijkt snelheid belangrijk. Een ander probleem was dat het niet logisch leek dat verschillende sensaties zoals zicht en gehoor dezelfde oorzaak zouden hebben. Ondanks dit gebrek aan bewijs was het idee van het elektrische brein populair. Het bekendste voorbeeld is Mary Shelley’s roman Frankenstein.

Functie (19e eeuw)
In de achttiende en negentiende eeuw ontstond ook het idee van functie en functielokalisatie. Dit past in het idee van het brein als een machine.

Het idee is dat bepaalde delen van het brein bepaalde functies vervullen. De schedelmetrie was op dit idee gebaseerd. Aan de hand van bulten in de schedel zou je iets kunnen vaststellen over iemands karakter. Schedelmetrie was altijd al controversieel en raakte uit de mode door gebrek aan bewijs.

Toch is lokalisatie geen vreemd idee. Er was bewijs doordat mensen met gedeeltelijk hersenletsel ook delen van hun vermogens kwijtraakten. Bij dieren kon je dit ook experimenteel aantonen. Door specifieke hersenbeschadigingen aan te brengen, kon worden aangetoond dat hun gedrag samenhing met de schade. En het toedienen van elektrische stoom in bepaalde delen van het brein had een vergelijkbaar effect.

Dergelijke experimenten konden natuurlijk niet bij mensen gedaan worden, hoewel sommige artsen hun kans grepen als ze konden. Berucht is het experiment op Mary Rafferty, door Roberts Bartholow. Mary’s brein lag bloot vanwege een scheur in haar schedel. Bartholow zette deze, naar eigen zeggen met goedkeuring van de patiënt, op verschillende plekken onder stroom hetgeen tot verschillende onwillekeurige reacties van de patiënt leidde.

Het experiment werd met interesse én afschuw bekeken. Het gaf steun aan het idee dat het brein gespecialiseerde gebieden kent, maar het werd ook als hoogst onethisch gezien. Naast ethische vragen was er iets anders waardoor het spoor doodliep. De experimenten met zwakstroom of via hersenbeschadiging waren zó grofmazig dat er te weinig echt nieuwe ontdekkingen mee gedaan konden worden.

Evolutie (19e eeuw)
De evolutietheorie wierp een nieuw licht op alle biologie, en dus ook op het brein. Op dit moment is het lastig een theorie te bedenken over het lichaam als het niet te verklaren is hoe een en ander geëvolueerd is, maar in de tijd van Charles Darwin moest de evolutietheorie bewijzen dat het oplossingen bood voor problemen van andere theorieën.

Om eerlijk te zijn lukte dat voor het brein aanvankelijk maar matig. Darwin was heel terughoudend met zijn ideeën over de evolutie van het brein en kwam pas geruime tijd na de ‘Origin of Species’ met het boek ‘The Descent of Man’ waarin hij zijn theorie over de evolutie van intelligentie ontvouwde.

In dit boek richt Darwin zich op de evolutie van gedrag. Hij somt gelijkenissen tussen mensen en dieren op. Insecten hebben sociale vermogens. Er zijn gelijkenissen tussen het gedrag van mensen en andere dieren. Huisdieren en primaten lijken emoties te hebben. Het past mooi in het gradualistische karakter van Darwins denken. Mensen hebben een combinatie van eigenschappen die we overal in de natuur terugvinden en die ontstaan zijn in een lange evolutionaire geschiedenis – bepaalde aspecten van de menselijke intelligentie zijn misschien verder ontwikkeld dan bij andere dieren, maar ze zijn niet essentieel verschillend.

Het was, en het is eerlijk gezegd nog steeds, zó moeilijk voor mensen om hun uitzonderingspositie in de natuur op te geven dat Darwins ideeën tot op de millimeter bevochten werden. Nog steeds heeft een wetenschapper als Frans de Waal moeite om de wetenschappelijke gemeenschap te overtuigen van het feit dat dieren empathie kunnen tonen. En het idee dat andere dieren dan mensen bewustzijn kunnen hebben wordt nog altijd bevochten.

Een belangrijk conceptueel probleem voor de evolutietheorie is dat het geen licht werpt op de relatie tussen het brein en ons bewustzijn. Hoe produceert het brein gedachten? De evolutietheorie heeft geen antwoorden. Snel na Darwins dood werd het idee van George Romanes populair dat alle materie bewustzijn heeft. Er zou een alles doordringende telepathische substantie bestaan, die los stond van de materie, maar die er wel mee kon interacteren. In de maalstroom van speculaties over het brein verdween het idee van evolutie naar de achtergrond, omdat het nog onvoldoende overtuigingskracht had.

Tot slot
Veel ingrediënten van het moderne denken over het brein hebben wortels in de vroege wetenschap: elektriciteit, lokalisatie van functie en evolutie. Maar deze jaren laten ook zien hoe een gebrek aan sterke ideeën over natuurkunde, biologie en informatiekunde de breinwetenschap bemoeilijkten.

Er was te weinig experimenteel bewijs om wetenschappers te dwingen antwoord te geven op specifieke vragen over het brein. Wetenschappers konden alleen speculeren over hoe het brein werkt. Het was daarom wachten op de twintigste eeuw waarin in de vorm van informatietechnologie, nieuwe modellen voor het begrijpen van het brein ontstonden én waar nieuwe manieren om het gedrag van het brein te leren kennen opgang deden.

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

Over de evolutietheorie schreef ik als eens eerder in ‘evolutiesnelheid‘ over het idee dat materie bewustzijn kan hebben schrijf ik in panpsychisme.

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

5 reacties Een reactie plaatsen

Brein quintologie

Hoe denken wij mensen eigenlijk over onze eigen intelligentie? Matthew Cobb probeert in ‘The Idea of the Brain’ uiteen te zetten hoe het denken over het brein zich door de tijd heen heeft ontwikkeld. Dat is snoepen natuurlijk. Wetenschapsgeschiedenis is altijd al boeiend omdat het ons iets leert over hoe we, met vallen en opstaan, aan kennis komen. Maar als het onderwerp van die geschiedenis dan ook nog het orgaan is waar we die kennis mee opdoen, dan kan een beetje kentheoreticus zijn geluk niet op. Maar Cobb maakt het ons tegelijkertijd helemaal niet makkelijk.

Cobb laat zeker zien hoeveel we meer te weten gekomen zijn over het brein in de loop van de tijd, maar ook hoeveel vragen nog open liggen – en hoe het maar de vraag is of we met de huidige wetenschappelijke aanpak antwoorden kunnen krijgen op die vragen. ‘The Idea of the Brain’ is het verslag van een onvoltooide reis. Als die reis je interesseert, dan moet je het boek zeker bestellen en lezen, maar als je meer geïnteresseerd bent in de bestemming dan is het misschien verstandig om tenminste nog een paar decennia te wachten.

Afijn. Zelf vind ik dat het de reis is die telt en daarom neem ik ook wat meer ruimte dan gebruikelijk om Cobb’s ideeën te bespreken. Ik deel dit blogje op in vijf delen. Na deze overzichtspost ga ik in het tweede blogje in op de oude geschiedenis van het denken over het brein. In de oude geschiedenis moesten we leren dat onze intelligentie geproduceerd wordt door een orgaan. We moesten leren dat het zenuwstelsel en de hersenen dat orgaan vormen. En we kwamen er achter dat het brein geen radartjes met specifieke functies heeft.

In het derde blogje over dit onderwerp ga ik in op het brein als ‘informatieverwerkende machine’. In de vroege 20e eeuw begonnen we het brein te begrijpen als een orgaan dat signalen verwerkt, en omdat we in dezelfde tijd machines gingen bouwen die dat ook deden, zoals de telegraaf -en later de computer, dachten we dat we een aardig eind waren met het begrijpen ervan. We moesten er nog achter komen dat het brein in een aantal opzichten fundamenteel anders in elkaar zit dan die machines.

In het vierde blogje ga ik in op hoe moderne wetenschappers het brein proberen te begrijpen door detailstudie van de processen die daar plaatsvinden. Ze bestuderen hersenactiviteit in zoveel detail als mogelijk; ze proberen het brein te besturen met implantaten; en ze proberen hersenprocessen na te bootsen in computers. Al die pogingen zijn op zichzelf erg indrukwekkend, maar Cobb roept wel de vraag op of we met al dat computergestuurd wetenschapsgeweld wel dichter bij het begrijpen van het brein gekomen zijn.

Tot slot ga ik in het vijfde blogje in op de overkoepelende lessen die we uit het werk van Cobb kunnen trekken: over het brein en over de hersenwetenschap. Over wat we weten, wat we nog moeten ontdekken en over de vraag of al dat gepuzzel wel zin heeft. Tot dan!

Meer lezen?

Dit is het eerste blogje van een serie over ‘The Idea of the Brain’ van Mathew Cobb. In het volgende blogje: op zoek naar het brein ga ik in op de oude breinwetenschappen; in informatieverwerker op de toepassing van het idee van informatie en communicatie op het brein; in gedachtenmeting op de moderne breinwetenschap; en in het ‘onbegrijpelijke brein‘ op de lessen die uit deze wetenschapsgeschiedenis getrokken kunnen worden.

Ik schreef al eens over het bewustzijn in ‘wil‘ en over de werking van het geheugen in ‘geheugenmachine‘

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

7 reacties Een reactie plaatsen