Wetenschappelijk onderzoek legt de ingewikkelde weg bloot van chemische stoffen naar bewustzijn. Waarom en hoe denken wij ? Een reportage in sneltreinvaart langs neuronen en hersenpatronen.
Van de plompe zeeslak Aplysia kan veel worden gedacht, maar niet dat ze tot enige vorm van hersenactiviteit in staat zou zijn. Toch ligt deze lelijke slak aan de basis van een belangrijke doorbraak in het onderzoek naar de werking van de hersenen. De slak beschikt met haar miezerige twintigduizend zenuwcellen namelijk over een vorm van geheugen. Meer zelfs. Net als de mens heeft de slak een geheugen op korte én op lange termijn. ?Ik wil hiermee niet zeggen dat ze originele inzichten heeft,? stelt haar mentor Eric Kandel, hoogleraar aan de universiteit van Columbia (Verenigde Staten), in het blad New Scientist, ?maar ze beschikt over een geheugen voor reacties op pijnlijke prikkels.?
De onderzoeksploeg van Kandel slaagde erin uit te vissen hoe de slak sommige korte-termijnherinneringen voor langere tijd stockeert. Alles draait rond de balans van twee verwante eiwitten in de hersenen : het CREB1 en het CREB2. Die zouden fungeren als een soort van sleutel voor de verhuis van een stukje informatie van het ene type geheugen naar het andere. Belangrijk is dat ook muizen over deze eiwitten beschikken, zodat vermoed kan worden dat ze ook bij de mens voorkomen. Kandel neemt aan dat de eiwitten ervoor verantwoordelijk zijn dat iemand enerzijds een dom liedje uit zijn jeugdjaren dagelijks door zijn hoofd hoort spoken, maar zich anderzijds met de beste wil van de wereld nooit de naam van onze minister van Buitenlandse Zaken kan herinneren. De eiwittenbalans werkt niet altijd mee.
De twee eiwitten CREB1 en CREB2 zouden een cruciale rol spelen in een ingewikkeld fysiologisch proces met vele tussenstappen. Ze worden geactiveerd door een cascade van reacties die vertrekt bij de productie van de prikkeloverdrager serotonine in de hersenen. Zelf zorgen ze voor de aanzwengeling tot activiteit van genen, die op hun beurt andere eiwitten produceren. Over welke genen en welke eiwitten het gaat, is nog niet duidelijk. Maar Kandel weet nu wat hij moet zoeken : ?De twee eiwitten zullen zich in de hersenen binden aan hetzij andere eiwitten van hetzelfde type, hetzij eiwitten van het andere type. De relatieve verhouding tussen de twee types zal bepalen of iemand een goed of een slecht lange-termijngeheugen heeft. Meer CREB1 wil zeggen dat er veel eiwitten geproduceerd worden voor een opslag op lange termijn. Meer CREB2 wil zeggen dat een geheugen een zeef is. Toch heeft ook het CREB2 een functie. Het moet voorkomen dat er te veel trivialia worden opgeslagen : te veel informatie zorgt voor overvolle hersenen, en een beperking van de creativiteit. Te veel wagens op de baan stremmen de vooruitgang.?
EEN IMAGO VAN MEELOPERS
De hersenen zijn een ongelooflijk ingewikkeld orgaan. Een massa hersencellen ( neuronen) de hersenen van een mens zouden er tweehonderd miljard hebben staat met lange uitlopers in verbinding met elkaar. De punten waar de uitlopers elkaar raken, zijn de synapsen. Eén neuron zou met vijftienduizend andere neuronen in verbinding kunnen staan. Talloze chemische boodschappers zorgen voor de communicatie tussen neuronen. In de synapsen heerst een bruisende activiteit van biochemische boodschappen. De boodschappermoleculen ankeren zich aan de receptoren op de zenuwcelwand die voor hen gemaakt zijn, en verwittigen de cel op die manier van de reden waarvoor ze op pad werden gestuurd. Elk type boodschapper heeft zijn eigen type receptor.
Op basis van de boodschappen die binnenkomen, en die afhangen van de prikkels die met het bloed of langs de zenuwen de hersenen bereiken, worden de verbindingen tussen de neuronen herschikt. De hersenen zijn in feite een gigantisch netwerk van cellen die aan een hels tempo boodschappen uitwisselen en allianties vormen of afbreken. Er lijkt weinig logica in te zitten, hoewel de basisprocessen beschrijfbaar zijn. Geheugen en in een latere fase van de evolutie ook bewustzijn zouden gewoon het resultaat zijn van een handig gebruik van de mogelijkheden die deze enorme complexiteit biedt. Complexiteit is daarbij het magische woord en niet, bijvoorbeeld, omvang.
De neuronen zijn niet de enige cellen in de hersenen. Het algemene inzicht wil dat de neuronen gevoed worden door eenvoudige werkers : gliacellen die aan hen kleven als een butler aan zijn baas. Dit inzicht is ondertussen echter ook door de wetenschap achterhaald. Gliacellen schudden snel hun imago van domme meelopers van hersenhuishoudsters van zich af. Ze blijken namelijk ook grote communicatoren te zijn. Ze wisselen voortdurend boodschappen uit met elkaar, en ontvangen opdrachten van de neuronen. Er wordt vermoed dat ze ook actief met de neuronen communiceren, omdat ze voor hun onderlinge boodschappen hetzelfde scheikundige vocabularium gebruiken. Er zijn geen meelopers in de hersenen. Iedere cel staat in dienst van de grote taak.
Deze complexiteit schijnt enorm goed te functioneren. Het wetenschappelijke topvakblad Science publiceerde een verhaal over een recent onderzoek met zebravinken. Dat toonde aan dat de hersencellen perfect kunnen beoordelen welke informatie belangrijk is, en dus bij voorkeur in het lange-termijngeheugen moet worden opgeslagen. Deze filter is belangrijk. De naam van de vrouw van de baas vergeten kan dramatischer zijn dan die van het vriendje van de dochter. Een mens herinnert zich nog gemiddeld vijftien gebeurtenissen van de vorige dag, maar amper twee van een willekeurige dag uit de vorige maand. Na een maand is hij bijna 90 procent van zijn waarnemingen en ervaringen vergeten. Merkwaardig genoeg zit veel van die voor het bewustzijn verloren informatie nog in de hersenen opgeslagen : ontmoetingen of foto’s of geheugensteuntjes kunnen probleemloos verloren herinneringen oprakelen, soms jaren na de opslag ervan.
Neuroloog Fernando Nottebohm van de Rockefeller Universiteit in New York registreerde in de hersenen van de vinken de frequentie waarmee neuronen boodschappen op elkaar afvuurden in verhouding met de zang die ze hoorden. De vinken bleken over drie scherp in de tijd afgelijnde categorieën van geheugen te beschikken. Het kortste geheugen duurde tussen zes en zeven uur ; het langste ongeveer zevenenveertig uur ; tussenin lag een geheugen van gemiddeld achttien uur. De vinken staken hun ervaringen met een menselijke stem steevast in het kortste geheugentype. De zang van een andere vink ging altijd naar het langste type. Een beoordeling van wat de leden van de eigen soort uitspoken, is uiteraard belangrijker dan het luisteren naar het gegrom van een vreemd wezen.
BEWUSTZIJN IS EEN INSTINCT
Dat doet de vraag rijzen naar het proces achter de ?interpretatie? van informatie door de hersencellen. Hoe beslissen de hersenen welke informatie relevanter is dan andere ? Deze vraag behoort tot het onderzoeksdomein van een van de bekendste neurowetenschappers ter wereld : professor Michael Gazzaniga van de universiteit van Davis in het Amerikaanse Californië. Gazzaniga vatte vorig jaar de in zijn sector heersende inzichten samen in een kanjer van bijna vijftienhonderd bladzijden : ?The Cognitive Neurosciences?. Hij verwierf wetenschappelijke vermaardheid door zijn onderzoek van mensen met een split in de hersenen. De hersenen hebben twee fysiek min of meer gelijke helften : de linker en de rechter. Die staan met elkaar in verbinding via, onder meer, het corpus callosum of de hersenbalk : een dikke streng zenuwen die echter niet dik genoeg is om te vermijden dat ze kan worden doorgesneden in, bijvoorbeeld, een ongeval.
Uit onderzoek van patiënten die met dit euvel te kampen kregen, leerden neurologen onder meer dat beide hersenhelften totaal verschillende dingen doen. We hebben geen twee hersenen zoals we twee longen of twee nieren hebben. We hebben een linkerhelft die onder meer het taalvermogen bevat, en een rechterhelft met de herkenningsvermogens. Er zijn schitterende experimenten gedaan om die splitsing te illustreren. Daaruit bleek onder meer dat het lichaam kan reageren op visuele prikkels die een patiënt niet ?gezien? heeft. Een lichtflits voor het rechteroog van een patiënt met gespleten hersenen, leidt tot een reactie van de linkervinger de meeste reacties tussen hersenen en ledematen of organen verlopen kruisgewijs maar de patiënt is zich niet bewust van het feit dat hij een lichtflits gezien heeft.
Op basis van dit soort bizarre experimenten veronderstelt Gazzaniga het bestaan van een soort interpreteerder, die hij in de linkerhersenhelft situeert : een neurologisch instrument dat voortdurend waarnemingen, emoties en andere prikkels analyseert, evalueert, coördineert en tot een coherent geheel tracht samen te ballen. Gazzaniga aarzelt nog om het toe te geven, maar deze interpreteerder zou best eens de basis van het bewustzijn kunnen zijn. Bewustzijn is een overschat gegeven. Meer dan 95 procent van onze handelingen en bedenkingen gebeuren of beginnen op zijn minst onbewust. De meeste zinnen in een gesprek worden niet bewust gezegd. Vele mensen denken ?spontaan? aan alles en nog wat. Routinehandelingen gebeuren zelden bewust. Iemand die nadenkt over hoe hij moet lopen, struikelt over zijn voeten. Volgens Gazzaniga is het bewustzijn ook aangeboren : een instinct. Niemand moet leren zich bewust te zijn. Dat komt vanzelf.
Het postuleren van het bestaan van zo’n interpreteerder zegt natuurlijk niets over de aard ervan. Maar ook op dat gebied komt de wetenschap los. Een sleutelrol in het vastpinnen van het bewustzijn (en de ?geest? van het Engelse ?mind?) op een fysiek aan te duiden stuk weefsel, vervult neuroloog Antonio Damasio van de universiteit van Iowa (VS), auteur van het boek ?Descartes’ Error? een referentie aan de stelling van de Franse denker René Descartes dat lichaam en geest twee totaal verschillende dingen zijn. ?Mis,? zegt Damasio. ?De geest zit in het lichaam, en meer bepaald in de hersenen. De mysterieuze geest is gewoon het gevolg van fysiologische processen die we pas nu beginnen te begrijpen, zoals de voor onze voorouders mysterieuze regenboog gewoon het gevolg is van eenvoudige natuurkundige verschijnselen die we al kennen. De geest is de symfonie die volgt uit de coördinatie van een kakafonie aan noten. De geest is een neveneffect van de simultane activiteit van een massa enorm snelle en hyperactieve neuronen.?
AL ZIENDE BLIND ZIJN
Concreet heeft Damasio het over convergentiezones in de hersenen, die misschien hetzelfde zijn als Gazzaniga’s interpreteerder, behalve dat ze in Damasio’s visie liggen in goed gelokaliseerde centra, verspreid over de linkerhelft van de hersenen. Ze fungeren als tussenstation. Ze zorgen ervoor dat informatie uit bepaalde centra doorgespeeld wordt naar andere centra die er iets nuttigs mee zouden kunnen aanvangen. Ze vragen informatie uit centra op en toetsen die aan wat elders beschikbaar is. Dit proces van voortdurend zappen langs verschillende kanalen, en van het herkennen en samenbrengen van nuttige elementen, zou de essentie van het bewustzijn uitmaken.
Er zijn ondubbelzinnige aanwijzingen voor het bestaan van convergentiecentra. Damasio slaagde er zelf in enkele zones op te sporen waarvan hij denkt dat ze een coördinerende functie hebben. Zo vond hij een stukje in de temporale lob van de linkerhersenhelft dat in staat bleek informatie te verzamelen over de namen van voorwerpen, dieren en mensen. Een stukje in de frontale cortex had een speciaal gevoel voor de behandeling van werkwoorden. Een derde zone stond in voor het aan elkaar koppelen van de kennis uit de beide vorige, zodat namen en werkwoorden samen begrijpbare zinnen konden vormen. Wat wij als een eenvoudig gegeven beschouwen, het maken van een zin, vergt de coördinatie van diverse hersencentra, en de activiteit van vele miljoenen cellen.
De Britse hoogleraar Larry Weiskrantz van de universiteit van Oxford werd vermaard door zijn studie van ?blindzicht? ( ?blindsight?). Hersenschade die de zones lamlegde, die verantwoordelijk zijn voor de opvang van visuele prikkels, leidde tot merkwaardige vaststellingen bij de onfortuinlijke mensen die ermee te maken kregen. Deze patiënten waren niet bij machte om in bepaalde omstandigheden een object te zien, maar ze konde het object wel aanwijzen. Zij zagen het dus niet, maar hun hersenen wel. Dit zou mogelijk zijn omdat de weg van de ogen naar de hersenen in een aantal parallelle secties splitst, die niet allemaal terechtkomen in het in de proeven vernietigde visuele analysecentrum. Deze parallelle centra staan niet garant voor een visuele bewustwording, wel voor andere vormen van waarneming.
Een min of meer vergelijkbaar patroon volgt uit de analyse van een afwijking die bekend is als anosognosia. Die aandoening komt voor bij patiënten die een beroerte hadden in hun rechterhersenhelft, en bijgevolg in de linkerhelft van hun lichaam verlamd werden. Het bizarre aan deze mensen is dat ze hun linkerarm en -been niet kunnen bewegen, maar dat ze denken dat ze het wel kunnen. Ze zien dat hun arm en hun been niet bewegen, maar toch zijn ze overtuigd van het tegendeel. Ze denken dat ze op vraag van een arts zijn neus aanraken, maar hun arm verroert geen millimeter. Professor Vilayanur Ramachandran van de universiteit van het Amerikaanse San Diego beschreef deze gevallen en vermoedt dat ze het gevolg zijn van het feit dat de beroerte een belangrijk stuk uitschakelt in de rechterhersenhelft, dat een bijdrage levert tot de organisatie van waarnemingen in de hersenen. Na uitschakeling zouden de hersenen eigenwijs worden : ze zouden weigeren te aanvaarden dat er niet op hun prikkels wordt gereageerd.
Moderne onderzoekstechnieken leggen hoe langer hoe meer van de intieme activiteit van de hersenen bloot. Positron-emissie-tomografie (PET) en neuromagnetische resonantie (NMR) zijn twee technieken waarmee neurologen kunnen nagaan welke zones van de hersenen actief zijn bij het uitvoeren van bepaalde taken. Zo komt er een ingewikkeld plaatje tevoorschijn. Diverse activiteits- en coördinatiecentra liggen schijnbaar willekeurig over de hersenen verspreid. De hippocampus, bijvoorbeeld, is een sikkelvormige collectie van neuronen die diep in de hersenen liggen en helpen bij het opslaan van herinneringen. Patiënten bij wie de hippocampus operatief wordt verwijderd, leven in hun verleden : ze herinneren zich alles van vroeger, maar maken geen nieuwe herinneringen aan.
Andere soorten geheugen worden door andere zones verzorgd. De amygdala is een amandelvormige structuur in de hersenstam die gespecialiseerd is in het verzamelen van angstige herinneringen, en gekenmerkt wordt door rechtstreekse verbindingen naar alle hoeken van het lichaam, zodat ze snelle reflexmatige afweerreacties waarborgen. De amygdala schiet sneller dan zijn schaduw. De basale ganglia zijn klompjes van grijze hersenmaterie die verantwoordelijkheid dragen voor het afhandelen van gewoonten en het bepalen van fysieke kwaliteiten. De kleine hersenen of cerebellum dienen essentieel voor een goede organisatie van het leergedrag.
Talloze zones liggen in een ingewikkeld patroon in de grijze massa gebed, maar weten elkaar blijkbaar zonder problemen te vinden als ze elkaar nodig hebben. De complexiteit uit zich ook in de moeilijkheden die wetenschappers ondervinden om neurologische degeneratieprocessen als de ziekte van Parkinson of de ziekte van Alzheimer te begrijpen en beschrijven. De inzichten groeien, maar slechts moeizaam, enerzijds omdat het zo moeilijk is zijn weg te vinden in de chaos van de hersenen, anderzijds omdat er een grote en nog altijd niet begrepen individuele variatie in de hersenactiviteit bestaat.
DE HERSENEN SLAPEN NIET
De hersenen zijn een spiegel van de chaotische manier waarop de evolutie tewerk ging. Hier werd een zone met neurologische informatie over woorden neergepoot, daar een zone met neurologische informatie over taal. De hersenen hebben aparte zones voor kleur, vorm, beweging en perspectief. Zelfs kleine beschadigingen aan deze zones kunnen merkwaardige afwijkingen veroorzaken. Er is een patiënt beschreven die prachtige tekeningen van gebouwen kan maken, maar nooit weet wat hij tekent. Een andere slaagt er probleemloos in de vormen op de schilderijen van Piet Mondriaan te kopiëren, maar niet de kleuren. Onderzoekers ontdekten dat tweetalige patiënten verschillende circuits activeerden voor elk van beide talen die ze spraken. De neuronen die actief zijn als we een woord horen, zijn niet dezelfde neuronen die in werking treden bij het uitspreken van dat woord.
Bizarre waarnemingen volgden ook uit het werk van de Belgische hoogleraar Pierre Maquet van de universiteit van Luik. Eind vorig jaar publiceerde hij in het gerenommeerde vakblad Nature de eerste analysen van de hersenactiviteit tijdens dromen. De hersenen sliepen niet. De hersenen bleken bijzonder actief. Alleen bepaalde zones waren geïnactiveerd, bijvoorbeeld deze die naar de spieren leidden, zodat een dromende mens niet wild in zijn bed lag te stampen. In experimenten met katten werden deze nachtelijke inactiveringszones uitgeschakeld. Na de ingreep voerden de slapende katten ware jachtscènes uit : ze joegen op ingebeelde tegenstanders, vochten en sloegen in paniek op de vlucht.
Maquet speculeert erop dat de nachtelijke droomactiviteit een belangrijke functie heeft. Ratten die in wrede experimenten moe werden gemaakt, maar belet werden te dromen, stierven onherroepelijk na zestig droomloze nachten. Mensen zonder dromen krijgen te kampen met psychologische moeilijkheden. Het dromen zou een leer- en verwerkingsproces in de hersenen zijn. Tijdens de droom worden dezelfde zones in de hersenen geactiveerd als tijdens de dagactiviteit, maar dan in het kader van beelden uit de droom en niet uit de realiteit. De hersenen leven voort tijdens de droom, maar ze hebben gemakshalve het bewustzijn uitgeschakeld.
Dirk Draulans
De hersenen bestaan uit een eindeloos aantal cellen die een kluwen van verbindingen met elkaar vormen.
De twee hersenhelften zien er hetzelfde uit, maar ze hebben duidelijk verschillende functies.
Speciale technieken leggen de activiteit van verschillende gespecialiseerde hersenzones bloot.
Wetenschappers denken dat het bewustzijn volgt uit de complexiteit van de hersenwerking.
