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 verschillend 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 om precieze 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 geld 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 lokalisatie gedachte : 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 daar dan een specifieke cel of een klein groepje cellen bij 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 veel 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 Hebb’s 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 kom Henry geen nieuwe herinneringen meer opslaan. Oude herinneringen waren nog prima en werkte 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 hypocampus, waar de opslag van herinneringen geregeld word.

Inmiddels weten we zoveel van de biochemische kant van leren, dat we valse herinneringen in muizen kunnen inplanten 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 onderzoek van de neurologie 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.

Cirquits
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. Één manier is om het gedrag van individuele neuronen bestuderen in het lab en in het brein. Dit onderzoek is begonnen met katten. Onderzoekers verdoofden een kat, 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 Aston en niet op andere gezichten of beelden.

Toch is de conclusie dat er zoiets bestaat als een Jennifer-Aston-cel niet helemaal terecht. De cel is immers verbonden in een netwerk. De ‘code’ voor de actrice kan verdeeld zijn over heel veel cellen waar deze cel toevallig een deel van uitmaakt. 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 teveel wil inzoomen op een enkele cel kan 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 30m bedrading betekenen.

In de jaren tachtig lukte het voor een wormpje: C.elegans. Het wormpje heeft 900 cellen, waaronder 300 neuronen. Seymour Benner kreeg er de Nobelprijs voor. Inmiddels wordt aan een diagram van de fruitvlieg larve gewerkt. Daarmee lijkt 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 bij 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 ontspinnen. 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 gebeurd.

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 tussen in (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 patroonherkennede computers gebracht, maar weinig inzicht in hoe het brein werkt. Op zich kan je monitoren hoe de software veranderd 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 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 luide een tijdperk in waarin de chemie van het brein volop in de belangstelling kwam te staan. De werking werd toevallig ontdekt door Albert Hofman in 1943 toen hij het stofje, ontwikkeld als middel om beter te kunnen ademen tot zich nam en tijdens een fietstochtje in een hallucinante trip belande.

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 psychoanalytica), 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 hebben, 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 – loopt dit onderzoek een beetje dood.

Lokalisatie
Naast lokalisatie van het geheugen is ook lokalisaties 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 hersensellen: een gebiedjes 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, waarop een hersengebied voor specifieke emoties, bepaalde soorten beelden en andere stimuli geïdentificeeerd 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 ondervind 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 het hersendeel zelf werkt.

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 ‘vals positieven’: experimenten met een uitkomst zonder dat er iets aan de hand was. 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 extra pijnlijk duidelijk maakten dat deze wetenschap niet zo sterk is als dat de auteurs zelf geloven.

Ook de interpretatie dat fMRI tenminste 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, die eerst verondersteld werden om met weinig op een bepaalde plek te zitten, maar later toch verdeeld bleken over het hele brein. 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-Aston-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 dat, en hoe, het bewustzijn een product is van hersenactiviteit.

Experimenteel is dat niet triviaal. 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. Hetgeen in ieder geval de suggestie werkt 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 door gestimuleerd te worden gevoelens van angst oproepen bij de proefpersonen. Of er een deel van de hersenen bestaat dat angstbewustzijn controleerde is maar zeer de vraag. Dezelfde cellen zijn bij andere processen ook betrokken.

Samengevat is er hooguit zwak empirisch 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 empirisch bewijs, of zelfs de definitie 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 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 nieuwe ideeën over hoe het brein zou kunnen werken waar al die puzzelstukjes in passen. 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 zullen gevonden worden, maar de bottleneck lijkt eerder in ons denken over het brein te zitten dan in de metingen waar in de moderne tijd zo 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 quintologie, 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 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.