Uw brein — Hoe werkt het?

„Het brein is het moeilijkste deel van het lichaam om te bestuderen”, zegt E. Fuller Torrey, psychiater aan het Nationale Instituut voor de Geestelijke Volksgezondheid in de VS. „Wij dragen het mee in dat kastje op onze schouders dat zich helemaal niet leent voor onderzoek.”

NIETTEMIN zeggen wetenschappers dat zij al veel geleerd hebben over de manier waarop het brein de informatie verwerkt die het door onze vijf zintuigen aangeleverd krijgt. Sta bijvoorbeeld eens stil bij de manier waarop het met visuele gewaarwordingen omgaat.

De ogen van uw geest

Licht bereikt uw oog en komt op het netvlies, dat uit drie lagen cellen achter in uw oogbol bestaat. Het licht dringt door tot de derde laag. Deze laag bevat cellen die staafjes worden genoemd en gevoelig zijn voor helderheid, en kegeltjes, die reageren op licht van verschillende golflengten overeenkomend met de kleuren rood, groen en blauw. Het licht bleekt pigment in deze cellen, die daarop een signaal sturen naar cellen in de tweede laag en vandaar naar andere cellen in de bovenste laag. Axonen van deze cellen vormen met elkaar de oogzenuw.

De miljoenen neuronen van de oogzenuw komen aan bij een kruising in de hersenen die het chiasma opticum of de gezichtskruising heet. Hier ontmoeten neuronen die signalen van het linkerdeel van het netvlies van elk oog overbrengen elkaar nu en volgen parallelle banen naar de linkerkant van de hersenen. Signalen van de rechterkant van elk netvlies bundelen zich eveneens en gaan naar de rechterkant. De impulsen komen vervolgens bij een schakelcentrum in de thalamus, vanwaar de volgende neuronen de signalen doorgeven aan het gebied achter in de hersenen dat de visuele schors wordt genoemd.

Diverse aspecten van visuele informatie volgen parallelle paden. Onderzoekers weten nu dat de primaire visuele schors samen met een nabijgelegen gebied fungeert als een postkantoor waar de verscheidenheid aan informatie die de neuronen aanvoeren, wordt gesorteerd, doorgestuurd en geïntegreerd. Een derde gebied bespeurt contouren, zoals de rand van een voorwerp, en beweging. Een vierde gebied herkent zowel vorm als kleur, terwijl een vijfde voortdurend kaarten van de visuele gegevens bijwerkt om beweging te traceren. Recent onderzoek wijst uit dat wel dertig verschillende hersengebieden de visuele informatie verwerken die het oog opvangt! Maar hoe werken ze samen om u een beeld te presenteren? Ja, hoe „ziet” uw geest?

„Zien” met de hersenen

Het oog verzamelt informatie voor het brein, maar kennelijk wordt de informatie die het brein ontvangt door de schors verwerkt. Maak een foto met een camera en het resultaat onthult details van het hele tafereel. Maar wanneer uw ogen hetzelfde waarnemen, ziet u bewust slechts dat deel van het tafereel waarop u uw aandacht richt. Hoe het brein dat doet, is nog steeds een raadsel. Sommigen denken dat het het resultaat is van een gefaseerde integratie van visuele informatie in zogenoemde convergentiezones, die u helpen dat wat u ziet te vergelijken met wat u al weet. Anderen opperen de gedachte dat wanneer u iets dat wel in het zicht is, toch niet ziet, dat eenvoudig komt doordat de neuronen die het aandachtig zien reguleren, geen impuls afgeven.

Hoe het ook zij, de moeilijkheden die wetenschappers ondervinden bij het verklaren van het zien, verbleken bij de problemen waarop men stuit wanneer men wil bepalen wat er precies bij „bewustzijn” en de „geest” betrokken is. Scantechnieken, zoals MRI (beeldvorming door magnetische resonantie) en PET (positronemissietomografie), hebben wetenschappers een nieuw venster op het menselijk brein verschaft. En door de bloedstroom naar bepaalde hersengebieden tijdens denkprocessen te observeren, hebben zij met redelijke zekerheid vastgesteld dat verschillende regionen van de schors iemand blijkbaar helpen woorden te horen, woorden te zien en woorden te uiten. Maar, zoals een schrijver concludeert, „het verschijnsel geest, bewustzijn, is veel complexer . . . dan iemand had vermoed”. Ja, een groot deel van het mysterie van de hersenen moet nog ontrafeld worden.

Het brein — Niet meer dan een geweldige computer?

Om ons ingewikkelde brein te begrijpen, kan het nuttig zijn vergelijkingen te trekken. Aan het begin van de Industriële Revolutie, midden achttiende eeuw, raakte het in de mode het brein met een machine te vergelijken. Toen later telefooncentrales een symbool van vooruitgang werden, vergeleek men het brein met een drukke centrale waarin een telefoniste de verbindingen tot stand bracht. Nu computers ingewikkelde taken verrichten, vergelijken sommigen het brein met een computer. Verklaart deze vergelijking helemaal hoe het brein werkt?

Aanzienlijke fundamentele verschillen onderscheiden het brein van een computer. In principe is het brein een chemisch systeem, geen elektrisch. In elke cel voltrekken zich talrijke chemische reacties, en dat is totaal verschillend van de manier waarop een computer werkt. Daar komt nog bij dat, zoals dr. Susan Greenfield opmerkt, „niemand het brein ook maar enigszins programmeert: het is een proactief orgaan, dat spontaan werkt”. Een computer daarentegen werkt niet anticiperend maar moet geprogrammeerd worden.

Neuronen staan op een ingewikkelde manier met elkaar in contact. Veel neuronen reageren op 1000 of meer synaptische signalen. Beschouw om te begrijpen wat dat wil zeggen, het onderzoek eens van één neurobioloog. Hij bestudeerde een gebied aan de onderkant van de hersenen net boven en achter de neus om te ontdekken hoe wij geuren herkennen. Hij merkt op: „Zelfs bij deze schijnbaar simpele taak — ogenschijnlijk een fluitje van een cent vergeleken bij het bewijzen van een meetkundige stelling of het begrijpen van een strijkkwartet van Beethoven — zijn zo’n zes miljoen neuronen betrokken, die elk misschien wel 10 000 signalen van hun maatjes ontvangen.”

Het brein is echter meer dan een verzameling neuronen. Per neuron zijn er verscheidene gliacellen. Die houden niet alleen het brein bijeen, maar verschaffen tevens de neuronen elektrische isolatie, weren infecties af en vormen met elkaar een beschermende bloed-hersenbarrière. Onderzoekers denken dat de gliacellen misschien nog meer functies hebben, die nog ontdekt moeten worden. „De voor de hand liggende vergelijking met computers van menselijke makelij, die elektronische informatie in digitale vorm verwerken, zou wel eens zo onvolledig kunnen zijn dat ze misleidend is”, concludeert het blad The Economist.

Er rest ons nog een ander mysterie.

Waaruit bestaan herinneringen?

Bij het geheugen — „misschien wel het bijzonderste verschijnsel in de natuur” volgens professor Richard F. Thompson — zijn diverse functies van het brein betrokken. De meeste onderzoekers van de hersenen verdelen het geheugen in twee soorten, het verklarende of declaratieve en het procedurele. Het procedurele legt vaardigheden en gewoonten vast. Het declaratieve daarentegen slaat feiten op. In The Brain — A Neuroscience Primer worden geheugenprocessen gespecificeerd naar de tijd die ze kosten: het zeer-korte-termijngeheugen, dat zo’n 100 milliseconden duurt; het korte-termijngeheugen, dat een duur heeft van een paar seconden; het werkgeheugen, dat recente ervaringen opslaat; en het lange-termijngeheugen, dat verbaal materiaal dat gerepeteerd is en motorische vaardigheden die geoefend zijn, herbergt.

Eén mogelijke verklaring voor het lange-termijngeheugen is, dat het begint met activiteit in het voorste deel van de hersenen. De voor het lange-termijngeheugen gekozen informatie gaat als elektrische impuls naar een deel van het brein dat de hippocampus heet. Hier versterkt een proces dat men lange-termijnpotentiëring noemt, het vermogen van de neuronen om boodschappen door te geven. — Zie het kader „Hoe de spleet wordt overbrugd”.

Een andere geheugentheorie spruit voort uit het denkbeeld dat hersengolven een sleutelrol spelen. De voorstanders daarvan geloven dat regelmatige schommelingen in de elektrische activiteit van de hersenen, zo ongeveer als het ritme van een trommel, bijdragen tot het combineren van herinneringen en het moment bepalen waarop verschillende hersencellen worden geactiveerd.

Onderzoekers geloven dat de hersenen verschillende aspecten van herinneringen op verschillende plaatsen opslaan, omdat elk concept verband houdt met het deel van de hersenen dat zich specialiseert in het waarnemen ervan. Sommige delen van de hersenen dragen beslist hun deel bij aan het geheugen. De amygdala, een klein klompje zenuwcellen ter grootte van een amandel dicht bij de hersenstam, verwerkt herinneringen aan angst. De basale ganglia richt zijn aandacht op gewoonten en fysieke vaardigheden, en het cerebellum, onder aan de hersenen, concentreert zich op geconditioneerd leren en reflexen. Hier, zo denkt men, slaan wij de vaardigheden om ons evenwicht te bewaren op — die welke nodig zijn bij het fietsen bijvoorbeeld.

Bij onze korte beschouwing van de werking van het brein hebben wij geen aandacht kunnen besteden aan details van andere opmerkelijke functies, zoals het tijdsbesef, de neiging zich woorden eigen te maken, de complexe motorische vaardigheden en de manier waarop het het zenuwstelsel en vitale organen reguleert en met pijn omgaat. Er wordt nog steeds onderzoek gedaan naar de chemische boodschappers die communiceren met het immuunsysteem. „De complexiteit is zo ongelooflijk,” merkt de neuroloog David Felten op, „dat je je afvraagt of we ooit mogen hopen het te ontrafelen.”

Hoewel veel van de mysteries van het brein nog niet opgelost zijn, verschaft dit opmerkelijke orgaan ons het vermogen om te denken, te mediteren en ons te binnen te roepen wat wij al geleerd hebben. Maar hoe kunnen wij de hersenen het beste gebruiken? Het antwoord staat in ons slotartikel in deze serie.

[Kader/Illustraties op blz. 8]

HOE DE SPLEET WORDT OVERBRUGD

Wanneer een neuron wordt gestimuleerd, gaat er een zenuwimpuls langs het axon van het neuron. Bij het bereiken van de synapsknop zorgt die ervoor dat minuscule bolletjes (synapsblaasjes), met elk duizenden neurotransmittermoleculen erin, die in de knop liggen, versmelten met het membraan van de knop en hun lading legen in de synapsspleet.

Aan de overkant weet de neurotransmitter via een gecompliceerd systeem van sleutels en sloten receptorkanaaltjes in het volgende neuron te openen en te sluiten. Het resultaat is dat elektrisch geladen deeltjes het doelneuron binnenstromen en nieuwe chemische veranderingen teweegbrengen die daar óf een elektrische impuls afgeven óf verdere elektrische activiteit remmen.

Een verschijnsel dat lange-termijnpotentiëring heet doet zich voor wanneer neuronen regelmatig worden gestimuleerd en neurotransmitters vrijmaken die de synapsspleet overbruggen. Sommige onderzoekers geloven dat dit de neuronen dichter bij elkaar brengt. Anderen beweren dat er aanwijzingen zijn dat een boodschap van het ontvangende neuron terugkoppelt naar het uitzendende neuron. Daardoor worden dan weer chemische veranderingen teweeggebracht die nog meer eiwitten produceren om als neurotransmitters te dienen. Die sterken dan de band tussen de neuronen.

De veranderende verbindingen in de hersenen, de flexibiliteit van het brein, zijn reden om het motto op te volgen: „Blijf gebruiken wat anders verloren gaat.” Om een herinnering te bewaren, is het dus nuttig u die vaak te binnen te brengen.

Axon

Een signaal-geleidende vezel die neuronen verbindt

Dendrieten

Korte, sterk vertakte uitlopers die neuronen verbinden

Neurieten

Tentakelachtige uitlopers van het neuron. Er zijn twee hoofdtypen — axonen en dendrieten

Neuronen

Zenuwcellen. Het brein telt zo’n 10 tot 100 miljard neuronen, „elk verbonden met honderden, soms duizenden, andere cellen”

Neurotransmitters

Chemische stoffen die een zenuwsignaal over de zogenoemde synapsspleet tussen een uitzendend neuron en een ontvangend neuron brengen

Synaps

De spleet tussen een uitzendend en een ontvangend neuron

[Verantwoording]

Gebaseerd op Zo werken onze hersenen, door professor Susan A. Greenfield, 1996

CNRI/Science Photo Library/PR

[Kader/Illustraties op blz. 9]

VERMOGENS DIE DE MENS ONDERSCHEIDEN

Gespecialiseerde delen van het brein bekend als taalcentra rusten mensen toe met opmerkelijke communicatievaardigheden. Wat wij willen zeggen, blijkt georganiseerd te worden door het deel van de linkerhersenhelft dat het centrum van Wernicke heet (1). Dit staat in verbinding met het centrum van Broca (2), dat grammaticaregels toepast. Vervolgens arriveren er impulsen bij nabijgelegen motorische gebieden die de gelaatsspieren besturen en ons helpen passende woorden te vormen. Bovendien staan deze gebieden in verbinding met het visuele systeem van de hersenen, zodat wij kunnen lezen; met het gehoor, zodat wij kunnen horen en begrijpen wat anderen ons vertellen en erop kunnen reageren; en, niet te vergeten, met onze geheugenbank, om waardevolle gedachten op te slaan. „Wat mensen echt van andere dieren onderscheidt,” merkt de studiegids Journey to the Centres of the Brain op, „is hun vermogen een verbazingwekkende verscheidenheid aan vaardigheden, feiten en regels te leren, niet alleen over fysieke dingen in de wereld om hen heen, maar vooral over andere mensen en wat hen beweegt.”

[Illustraties op blz. 7]

Verschillende delen van het brein verwerken kleuren, randen en vormen, en traceren ook beweging

[Verantwoording]

Parks Canada/J. N. Flynn