Over dendrieten en somas: waar ligt de rekenkracht van ons brein?

Als wetenschapper loop je soms tegen nieuwe bevindingen aan die je basisovertuigingen op hun grondvesten doen schudden. Zulke bevindingen overdonderen je eerst, maar beïnvloeden later je kritisch denken en ze herinneren je eraan dat je in de wereld van wetenschap nooit blind van iets moet uitgaan. Nee, nooit!

Het huidige beeld van een atoom, al is
zelfs dit beeld niet onomstreden.
Afbeeldingen van hier.

Atomen versus neuronen

Neem het atoom. Ooit geloofde men dat dit een enkel solide bolletje was, maar we weten nu dat dit kleine bouwsteentje uit verschillende deeltjes bestaat en het lijkt er voorlopig nog niet op alsof natuurkundigen al klaar zijn met tellen. Een vergelijkbare ontdekking, maar dan in de neurowetenschap, is laatst gepubliceerd in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Nature. De bevindingen die beschreven worden in dit artikel betwijfelen een wijdverbreide en inmiddels vastgeroeste aanname binnen de neurowetenschap door voor te stellen dat het brein een grotere rekenkracht heeft dan altijd werd aangenomen. Deze rekenkracht bevindt zich voornamelijk in de bouwsteentjes van ons brein: de neuronen.

Als je dit kan lezen, dan ben je zeer waarschijnlijk de eigenaar van een brein dat ongeveer honderd miljard neuronen telt. Elk van deze minuscule neuronen is een rekeneenheid wiens simpele functie het is om continu te berekenen wat voor informatie het zal geven gebaseerd op inkomende informatie van omliggende cellen. Ongeveer net als een computer met een internetconnectie, ontvangen en versturen neuronen continu informatie door gebruik te maken van electrische signalen. Deze signalen komen het cellichaam (of de soma) binnen via de dendrieten, uitlopers die verbindingen vormen met honderden of zelfs duizenden omliggende neuronen en die informatie vanuit deze cellen opvangen. Tot nu toe werd de rekenkracht nodig om deze informatiesignalen te kunnen verwerken puur en alleen toegeschreven aan de soma. Neem elk tekstboek over neurowetenschap en het zal je vertellen dat de magie plaatsvindt in de soma. Logisch, want de dendrieten zijn maar simpele draadjes die passief signalen doorsturen. Toch?

Een neuron met zijn verschillende onderdelen. Informatie van andere
neuronen komt binnen via de dendrieten en wordt getransporteerd via
de soma naar het axon, waar de informatie weer doorgegeven wordt aan
verbonden neuronen. Plaatje van hier. 

In dit plaatje zie je een dendriet die gemeten wordt door
middel van two-photon microscoop. Plaatje komt uit het
artikel.

Sterke microscoop

Neurowetenschappers van verschillende Britse en Amerikaanse universiteiten hebben besloten dit wijdverbreide feit verder te onderzoeken door beter te gaan kijken naar hoe deze electrische signalen zich precies door de dendrieten voortbewegen, zelfs al dacht iedereen dat dit niet de moeite waard was. De wetenschappers hebben hiervoor een heel erg sterke microscoop (een "two-photon microscoop") gebruikt om electrische signalen te kunnen meten die zich door deze dendrieten verplaatsen. Geen makkelijke taak, omdat het met deze techniek onmogelijk is te zien waar in de cel je eigenlijk aan het meten bent, totdat je de signalen hebt geanalyseerd, het goede oude naald in een hooiberg probleem dus. Desondanks waren de wetenschappers succesvol en vonden ze dat de simpele draadjes hypothese voorbarig was. Volgens hun metingen leken dendrieten juist in staat om berekeningen uit te voeren en "beslissingen" te kunnen maken op basis van de informatie die ze voortdragen. Zo kunnen ze waarschijnlijk de soma helpen om deze informatie beter te begrijpen en te integreren met informatie uit andere dendrieten.

Cogito ergo sum?

In dit experiment werd deze rekenkracht specifiek gevonden in dendrieten van neuronen in de visuele hersengebieden van muizen, maar volgens de onderzoekers is het heel goed mogelijk dat dendrieten in het hele brein dit soort berekeningen uitvoeren, ook in mensen. Deze bevindingen zijn dus niet alleen een hele goede reden om neurowetenschappelijke tekstboeken te herschrijven en uit te breiden, ze suggereren ook dat onze neuronen veel meer berekeningen kunnen uitvoeren dat we altijd dachten. Net als de wereldschokkende vinding dat atomen niet solide bolletjes waren, is deze observatie naar mijn bescheiden mening een revolutionaire wetenschappelijke bevinding die de manier waarop we denken dat we denken voor altijd zal veranderen!

Van het ene naar het andere brein

Kijk eens naar dit filmpje:

Dit filmpje circuleerde de afgelopen weken op het internet, verspreid door de University of Washington via dit persbericht. Ziet er wel indrukwekkend uit toch? Ik moet je teleurstellen: dit filmpje is een duidelijk voorbeeld van hoe wetenschapscommunicatie sterk overdreven kan worden en ik zal hieronder uitleggen waarom.

Niks nieuws

Laat ik beginnen bij het begin, dit experimentje is niks bijzonders: elke hobbyende (neuro)wetenschapper die de beschikking heeft tot een brein, een internetconnectie, een EEG en een TMS apparaat kan dit simpele experimentje uitvoeren en dit is ongetwijfeld al eerder gebeurd. Deze mensen hebben het echter, zeer wijselijk, binnen hun eigen wetenschappelijke of vriendschappelijke kring gehouden en daarmee een nutteloze media-hype voorkomen...

Het "experiment"

In het filmpje is redelijk duidelijk te zien wat er gebeurt. Door het besturen van zijn hersengolven kan de "zender" een simpel spelletje spelen: een cirkel op het scherm moet omhoog worden bewogen, iets wat lastig kan zijn, maar na flinke training slagen de meeste mensen hier wel in. Tot zo ver niks nieuws dus. Als het spelletje slaagt wordt er een signaal via internet gestuurd dat vervolgens een TMS-apparaat aanstuurt bij de volgende proefpersoon (de "ontvanger") die een magnetische puls toegediend krijgt. Hierdoor beweegt zijn vinger en drukt een knopje in waardoor er in een ander spelletje een kanon wordt afgevuurd. Nog steeds niks nieuws, ook dit kunnen we al heel lang. In combinatie is dit "experiment" dus een heel leuk spelletje om te spelen na schooltijd, maar niks nieuwswaardigs naar mijn mening. Sterker nog: dit bericht lokte alleen maar media-geile berichtjes aan die repten over het direct beïnvloeden van de hersenen van iemand anders (al dan niet gerelateerd aan science fiction). Maak je geen zorgen hoor, het direct beïnvloeden van de hersenen van mensen om je heen doen we al dagelijks en op een veel simpelere manier dan bovenstaande, namelijk via standaard communicatie: verbaal, non-verbaal én in toenemende mate via (je raadt het al) het internet!

Telepathie?

Tuurlijk, het idee van het direct aansturen van hersensignalen bij iemand anders klinkt heel spannend en riekt naar telepathie, maar zo lang het via deze indirecte weg gebeurt is het niets opzienbarends. De persoon die hier het signaal verstuurt doet een simpel spelletje, hij is niet bewust bezig de gedachten van de ander te beïnvloeden. Op zijn beurt weet de ander niet precies wat voor signaal er verstuurd is, hij weet alleen dat zijn vinger beweegt. Van "gedachten beïnvloeden" is dus nog weinig sprake bij dit experiment. Dit is anders bij een eerder experiment, waarbij hersencellen van twee verschillende ratten direct met elkaar in contact gebracht werden en de ontvangende rat ook echt leerde van signalen die de andere rat verstuurde (ook al had de ontvangende rat het nog steeds erg vaak fout). In dat experiment was er sprake van directe en zinvolle invloed op hersenprocessen, en hier kunnen de relaties met gedachten-beïnvloeding kunnen worden gelegd, samen met de bijkomstige zinnenspelende toekomstvoorspellingen over telepathie. Bovengenoemd experiment met mensen zonder implantaten betreft een enkele observatie, is (nog) niet gepubliceerd in een wetenschappelijk tijdschrift en voegt weinig nieuws toe aan wat we al weten over het brein...

Puur media-gehypt dus!

Je dagelijkse portie nieuwe hersencelletjes

Je merkt er niks van, maar elke dag maak je nieuwe cellen aan in je lichaam. Overal, behalve in je brein. Tenminste, dat hebben wetenschappers heel lang gedacht, omdat hersencellen (neuronen) niet kunnen delen zoals de meeste andere cellen in ons lichaam. De neuronen die aanwezig zijn in je brein tijdens je geboorte waren dus de cellen waar je het mee zou moeten doen gedurende je hele leven. Sterker nog: de aantallen neuronen in je brein bleken zelfs sterk af te nemen tijdens je leven. Moeten we deze cellen dan niet zoveel mogelijk koesteren zolang we ze nog hebben? Of is er iets anders aan de hand?

Neurogenese

Cellen in de dentate gyrus, een deel van de hippocampus
waar nieuwe cellen zich nestelen. Alle cellen hebben een
andere kleur gekregen, waardoor duidelijk is te zien hoe ze
liggen (foto van hier).

In de jaren '80 kwam er een einde aan dit fatalistische idee van alleen maar afnemende aantallen neuronen toen er herhaaldelijk werd aangetoond dat neuronen weliswaar niet kunnen delen, maar wel geboren kunnen worden tijdens je leven (dit wordt ook wel neurogenese genoemd). Dit neurogenese proces was een erg belangrijke bevinding, aangezien de meeste hersenmodellen tot dan toe ervan uit gingen dat de hersenen een gesloten netwerk waren waarin zich geen nieuwe cellen konden nestelen. Sindsdien weten neurowetenschappers dat ze rekening moeten houden met de integratie van nieuwe cellen in specifieke hersengebieden, voornamelijk in de hippocampus, een gebied belangrijk voor het opslaan en terughalen van herinneringen.

In dieren is neurogenese duidelijk aangetoond, maar in mensen is dit een ander verhaal, omdat de standaard methoden die gebruikt worden om neurogenese aan te tonen niet gebruikt mogen worden in mensen. Tot nog toe waren wel er een aantal omstreden experimenten die meenden neurogenese aan te tonen in de menselijke hippocampus, maar veel neurowetenschappers waren erg sceptisch over de technieken die gebruikt werden. Een nieuw experiment, recentelijk gepubliceerd in Cell door een groep Zweedse onderzoekers brengt hier verandering in door een opzienbarende techniek te gebruiken, of eigenlijk te stelen uit de geologie.

Koolstofdatering

Overzicht van het gebruik van koolstofdatering in dit
experiment, uit het artikel zelf.

Om te bepalen hoe oud gesteente is wordt koolstofdatering gebruikt. Bij deze methode wordt het verval van radioactief koolstof, dat in kleine hoeveelheden aanwezig is in gesteente, gebruikt om de leeftijd van het gesteente te bepalen. Mensen krijgen dit radioactief koolstof ook tot zich door hun voeding en dit koolstof is vervolgens specifiek terug te vinden in het DNA van cellen die nieuw geboren worden of zich delen. Dit feit op zich is niet genoeg voor het testen van neurogenese in mensen, aangezien de koolstof-waarden gemiddeld gezien gelijk blijven. De Zweedse onderzoekers maakten echter een extra gedachtestap: in de tijd van de Koude Oorlog was er extra radioactief koolstof in de atmosfeer door alle testen die gedaan werden met kernbommen. Dit zouden ze toch moeten kunnen gebruiken om te kunnen aantonen dat er nieuwe neuronen aan worden gemaakt tijdens ons leven!

Dit ingenieuze inzicht bleek goud waard. De onderzoekers lieten in hun experiment overduidelijk zien dat dat er neuronen met verhoogd radioactief koolstof in de breinen van hun (dode) proefpersonen aanwezig was tijdens de hoogtijdagen van de Koude Oorlog. Deze neuronen waren specifiek gevestigd in de hippocampus en waren ontstaan tijdens het leven van de proefpersonen. De onderzoekers gaven zelfs een schatting van de geboorte van zo'n 1400 nieuwe neuronen per dag die ook overleven tot de dood, een veel groter aantal dan altijd gedacht en dan eerder gevonden was bij dieren.

                    Wat hebben we aan al deze celletjes?

Over de functie van neurogenese zijn al erg veel (voorzichtige) speculaties gedaan, speculaties die jammer genoeg nog uitgebreider onderzocht moeten worden voordat we kunnen zeggen of ze kloppen. Aangezien de nieuwe neuronen zich specifiek vestigen in de hippocampus lijkt het dat neurogenese belangrijk is voor het aanmaken van nieuwe herinneringen, maar wat de eenmaal geinstalleerde neuronen specifiek doen en hoe dit iets toevoegt aan de functie van de bestaande neuronen is nog grotendeels onbekend. Bij ratten blijkt neurogenese ook afhankelijk van externe factoren zoals nieuwe ervaringen en beweging, dus de kans is er dat dit soort factoren bij mensen ook effect heeft op de aantallen nieuwe neuronen die zich definitief nestelen in je hippocampus. Wil je dus optimaal gebruik maken van je dagelijkste portie nieuwe celletjes dan zou ik je aanraden om eens iets totaal nieuws te doen of de sportschool weer eens op te zoeken (of allebei natuurlijk).

iPad-scholen: ja of nee?

Leren met de iPad als leerboek. Je leraar als leercoach. Zelf beslissen wat je wanneer wilt leren. Zijn iPad-scholen, of Steve Jobsscholen, echt de onderwijsvorm van de toekomst waarmee we onze kinderen voorbereiden op onze steeds informatie-overvloedigere maatschappij? Of gaat dit alles misschien een beetje te snel en kan ons brein, en in het bijzonder het kinderbrein, deze veranderingen helemaal niet zo snel bijbenen?

De iPad als leermiddel?

Kinderen met een iPad (foto van hier).

Het O4NT (Onderwijs voor de Nieuwe Tijd) is een nieuw onderwijsconcept waarin het kind, volgens de oprichters, optimaal wordt voorbereid op de huidige maatschappij. Een onderdeel van deze overtuiging is het les krijgen met de iPad, maar ook een leraar als coach, de school als reeël en virtueel instituut en extra ouderparticipatie, zijn cruciale onderdelen (zie dit filmpje voor meer uitleg). Het draait dus niet alleen om een centraler gebruik van digitale middelen om het leren te beïnvloeden, maar is beter uitgedacht dan de media soms doen vermoeden. Dat gezegd hebbende blijven er duidelijke voors en tegens te stellen aan dit onderwijsconcept. Ik zal het nu niet hebben over het gebruik van de iPad, de "21st century skills" die de oprichters menen te ontwikkelen met deze methode, en de mogelijke overvloed aan informatie door het gebruik van de iPad, dit zijn onderdelen die al overbelicht zijn en waar ik bovendien geen expert in ben. Nee, ik ga een ander probleem aansnijden, een probleem waar we al eerder op gestuit zijn bij de Tweede Fase en Iederwijs, een probleem waarvan ik denk dat het niet genoeg meegenomen wordt in dit soort "vernieuwende"onderwijsvormen, terwijl het aan de basis van onze leervermogens ligt.

Het belang van voorkennis

Voorkennis kan van alles zijn, niet per definitie
op school geleerde informatie.

Voor het goed en systematisch leren van nieuwe informatie is goede voorkennis van cruciaal belang, dat zal niemand ontkennen. Het opbouwen van voorkennis en optimaal relateren van nieuwe kennis aan deze voorkennis is een van de belangrijkste drijfveren achter de opzet van curricula in alle vormen van onderwijs. Door het bewust en systematisch opbouwen van voorkennis (of een schema), en deze vervolgens tijdens nieuw leren opnieuw te activeren, wordt het leren zeer vergemakkelijkt en versterkt (zie hier voor meer informatie, in het Engels). Deze zorgvuldige opgebouwde curricula zullen op de iPad-scholen volledig aan het kind overgelaten worden en de vraag is of dit een goed idee is. Hoe kun je immers bedenken hoe je informatie het beste kunt leren als je deze informatie nog niet kent?

Daarbij komt dat een belangrijk deel van de nodige voorkennis in  het basis- en voortgezet onderwijs uit relatief saaie informatie bestaat, vaak opgebouwd uit rijtjes of regeltjes die een strikt herhaalregime vereisen. We kunnen ons allemaal deze informatie wel voor de geest halen: tafels, rijtjes voornaamwoorden, plaatsnamen bij aardrijkskunde etc. En zeg nou zelf: als je terug zou gaan naar je schooltijd, zou je dit soort informatie voor geen goud zelf hebben uitgekozen, laat staan dat je deze informatie zou hebben gestampt tot je pril ontwikkelende hersentjes helemaal beurs waren! Toch is het informatie waar je nu erg veel profijt van heb om dagelijkse vaardigheden te versnellen omdat je niet elke keer stil hoeft te staan bij deze kleine basisdingetjes. Je zorgvuldig ingeprente voorkennis zorgt er automatisch voor dat je nieuwe informatie makkelijker verwerkt, bijvoorbeeld als je nieuwe talen leert. Ik ben bang dat zonder deze basisinformatie deze "kinderen van de toekomst" een groot probleem krijgen, omdat ze continu deze informatie zullen moeten opzoeken op hun iPad. Dit is voor veel van deze simpele basisinformatie echt teveel moeite en het is daarnaast zeer goed mogelijk dat dit tot sterk versnipperde kennis leidt...

Tweede Wereldoorlog

Een mooi voorbeeld van wat een gebrek aan voorkennis in combinatie met een overvloed aan informatie kan doen las ik laatst in een column van Sylvia Witteman in de Volkskrant. Ze schreef over het werkstuk van haar zoontje, dat in groep zeven zit. Hij koos voor het onderwerp "Tweede Wereldoorlog" omdat "daar zo lekker veel informatie over was" en kwam er pas gaandeweg achter dat het onmogelijk was om die hele oorlog in een dergelijk werkstukje te beschrijven. Hij verdronk in de informatie die hij op internet vond en kon zonder hulp van zijn ouders geen lijn ontdekken in deze overvloed. Daarnaast had hij natuurlijk weinig voorkennis over het concept oorlog, de topografie van Europa in de jaren '30-'40 en de omvang van deze oorlog wereldwijd. Ik wil hiermee niet stellen dat we kinderen geen werkstukken moeten laten maken over de Tweede Wereldoorlog, noch wil ik het zelfstandig informatie opzoeken totaal afkeuren, maar ik wil wel benadrukken dat enige begeleiding in het opzoeken van informatie op internet absoluut geen overbodig luxe is. De vraag is of de "leercoaches" op de iPad-scholen dit voor elkaar kunnen krijgen voor meerdere kinderen die ieder hun eigen pad mogen trekken. Lijkt me een gezellige chaos met weinig structuur!

Zelf doen..?

Nee, laat kinderen alsjeblieft niet zelf beslissen wat ze wanneer willen leren, daar zijn ze simpelweg nog niet toe in staat. Dit concept werkt al nauwelijks bij pubers in het Studiehuis, laat staan bij kleutertjes die hun luiers nog maar net ontgroeid zijn. Mijn advies: zet de iPad in met mate, begeleid kinderen zorgvuldig bij het vinden van nuttige, gedoseerde, informatie indien dit iets toevoegt aan hun basiskennis, maar voorkom overvloed te allen tijde. Laat ze daarnaast die o zo nuttige basiskennis in hun hoofd stampen nu het nog kan, ze zullen merken dat ze het later hard nodig hebben. Al die specifieke details over de Tweede Wereldoorlog kun je veel beter later, wellicht pas tijdens de academische scriptie, invoegen. Je zult zien dat het dan ineens allemaal op zijn plaats valt, allemaal dankzij de jarenlang zorgvuldig opgebouwde voorkennis in ons brein!

Referenties

Zie voor meer informatie over voorkennis (of schema's) in het brein mijn proefschrift.

Hoe meer, hoe beter?

Is meer altijd beter? We leven in een maatschappij waar we het liefst alles verbeteren: onze gezondheid, prestaties en ons plezier proberen we continue zo goed mogelijk te maken. Hierbij gaan we, wellicht gedreven door gemakszucht, wellicht door onwetendheid, meestal uit van lineaire verbanden. Want: meer van het ene leidt automatisch tot meer van het andere! Toch?

Dit soort lineaire grafieken hebben we allemaal moeten
tekenen bij wiskunde op de middelbare school. We gaan
er vaak vanuit dat veel dingen in het leven een lineaire
relatie hebben, maar is dit ook echt zo? (plaatje van
http://www.hyle.org/journal/issues/3/hoffman.htm)

Lineaire verbanden zijn makkelijk te begrijpen. Voor het gemak gaan we er daarom vaak maar van uit dat de wereld om ons heen lineair is, een aanname die wordt gevoed door wetenschappelijke principes. Zie de grafiek hiernaast: een duidelijke lineaire relatie, je kan er makkelijk een rechte lijn doorheen trekken. Maar als er in deze grafiek een paar punten zouden wegvallen, dan is het al een stuk moeilijker om de lineaire relatie vast te stellen. Deze "gemakszucht" als het gaat om het onbewust stellen van lineaire verbanden wordt in de wetenschap daarnaast versterkt door "Ockhams scheermes", een theorie van Wilhelm van Ockham. Deze theorie stelt dat we bij het bepalen van onderlinge verbanden tussen elementen die in de wereld voorkomen altijd de simpelste benadering, namelijk degene met de minste aannames, moeten kiezen.

In de grafieken links en rechts is deze theorie geïllustreerd. De punten in de grafiek kunnen worden verbonden met een rechte lijn (links), of een lijn die alle kanten op schiet (rechts). Ockhams scheermes zegt dat we in dit soort gevallen altijd de linker mogelijkheid moeten kiezen, gezien deze op de minste
aannames berust.

Lineaire wereld?

Mede door dit principe zijn we dus geneigd veel verbanden in de onzekere wereld in ons heen zo simpel mogelijk te verklaren en dit is vaak goed, omdat het geen overmoedige conclusies in de hand werkt. Echter, niet-lineaire verbanden blijken vaak aanwezig in onze wereld en veel van deze relaties worden niet herkend door de focus op makkelijkere, lineaire verbanden.

De Yerkes-Dodson wet die de relatie tussen opwinding en
prestatie beschrijft. (plaatje van
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Yerkes-Dodson_wet.png)

Een voorbeeld van een vaak voorkomende relatie tussen biologische en psychologische factoren is de omgekeerde U-vorm, met de hoogste waarden voor y bij gemiddelde x-waarden. Als x erg groot wordt, gaat de waarde voor y juist weer omlaag. Een voorbeeld die dit goed laat zien is de Yerkes-Dodson wet, die de relatie tussen opwinding (in de vorm van stress) en prestaties op verschillende testen weergeeft. Deze wet laat zien dat een bepaalde mate van opwinding belangrijk is voor optimale cognitieve prestaties, maar dat teveel opwinding juist weer slecht is. Hierbij is juist middelmatigheid dus belangrijk voor de beste prestatie!

U-tjes in het dagelijkse leven

U-vorm verbanden zijn niet altijd even makkelijk vast te stellen, meestal omdat er niet altijd genoeg punten gemeten (kunnen) worden. Daarnaast zijn lineaire verbanden gewoon makkelijker te testen. We weten dus niet hoeveel verbanden in onze wereld zo'n omgekeerde U-vorm volgen. Als ik een gok zou mogen doen zou ik verwachten dat veel verbanden die wij nu als lineair beschouwen eigenlijk een andere vorm hebben. Middelmatigheid is bij deze omgekeerde U-verbanden dus goed: niet teveel en niet te weinig is het sleutelwoord. Een te grote toename van het één (hierboven stress) kan zelfs desastreus zijn voor het ander (prestatie op een taak), waardoor het stimuleren van deze ene factor niet altijd de juiste keus is. Denk hierbij bijvoorbeeld aan het gebruik van Ritalin of caffeïne voor het verbeteren van je aandachtsspanne tijdens het studeren: teveel is ook hier niet bevorderlijk. Het gezegde "doe maar gewoon dan doe je al gek genoeg" is misschien zo gek nog niet!

De wiskundeknobbel: fictie of realiteit?

Het idee van de wiskundeknobbel is eeuwenoud, maar bestaat zo'n knobbel ook echt bij wiskunde-bollebozen? En zo ja, hoe ziet zo'n wiskundeknobbel er dan uit? Is het zichtbaar in het brein en kunnen we  informatie over die wiskundeknobbel misschien gebruiken om kinderen die goed zijn in wiskunde te selecteren of kinderen die slecht zijn in wiskunde individuele bijles te geven? Vragen te over, maar hoeveel bewijs is er nu echt voor het daadwerkelijke bestaan van een wiskundeknobbel? Een recent artikel van onderzoekers van de Amerikaanse Stanford Universiteit werd breed uitgemeten in de media (zie nieuwsberichten van nu.nl en de Volkskrant) als hét antwoord op deze vragen. Dit onderzoek geeft echter jammer genoeg (of interessant genoeg) net zoveel antwoorden als dat het nieuwe vragen oproept.

Knobbels in het brein

Een typisch plaatje van een frenologische
indeling van hersenfuncties.  Een soort
wiskundeknobbel (voor "calculation") zit
volgens dit model tussen het oog en het
oor. (plaatje van hier)

Waar komt de term "wiskundeknobbel" eigenlijk vandaan? Aan het einde van de 18e eeuw was er een wetenschapper, Franz Joseph Gall, die beargumenteerde dat bepaalde delen van de hersenen gerelateerd waren aan verschillende persoonlijke karakteristieken. Deze leer werd bekend als frenologie en was erg populair bij psychologen en artsen, die deze leer gebruikten om karakters van mensen te bepalen door hun aan hun schedel te voelen. Verdikkingen van de schedel op bepaalde plekken zouden dan het gevolg zijn van grotere hersendelen die weer verbonden werden aan specifieke functies. Deze mogelijkheid tot lokalisatie van bepaalde hersenfuncties is diep geworteld binnen de neurowetenschap en de algemene perceptie van neurowetenschappelijk onderzoek. Nog steeds spreekt men namelijk over functies zoals taal en emotie die toegeschreven worden aan bepaalde hersendelen. Dit idee wordt daarnaast versterkt door technieken als functionele MRI, waarbij mooie plaatjes van hersenactiviteit in verschillende delen van de hersenen dit lokalisatieprincipe lijken te ondersteunen. Echter, juist door dit soort technieken weten we dat we niet zo makkelijk kunnen spreken over EEN gebied wat EEN bepaalde functie representeert, omdat een gebied meerdere functies blijkt te kunnen hebben en een bepaalde functie op zijn beurt meerdere gebieden tegelijk kan activeren, een conclusie die de onderzoekers in dit artikel ook moesten maken.

Een typisch plaatje van hersenactiviteit
gemeten met een MRI-scanner. Dit soort
plaatjes lijken lokalisatie van hersenfuncties
te ondersteunen, omdat ze activiteit in
specifieke gebieden laten zien. (plaatje van
http://www.autism-community.com/)

De hippocampus, zetel van de wiskundeknobbel?

In het experiment van de Stanford-onderzoekers werden 8 en 9 jarige kinderen gevolgd tijdens een 8 weken durende intensieve wiskundecursus gevolgd. Voor ze deze cursus volgden werden ze intensief getest met vragenlijsten, testjes en hersenscans en tijdens de cursus werd hun voortgang gemeten. Geen van deze psychologische testen, waaronder bijvoorbeeld een IQ-test, was gerelateerd aan de voortgang van de kinderen tijdens de wiskundecursus. Toen de onderzoekers echter keken naar het brein van de kinderen, vonden ze dat de kinderen met een grotere hippocampus betere vooruitgang tijdens de cursus lieten zien. De hippocampus is een gebied diep in het brein (dus onzichtbaar voor frenologen en absoluut niet de plek van de frenologische wiskundeknobbel) en wordt voornamelijke onderzocht in geheugenonderzoek, aangezien patiënten waarbij de hippocampus niet meer goed werkt veel geheugenproblemen laten zien. Daarnaast vonden de onderzoekers dat de hippocampus van de betere scorende kinderen ook sterkere verbindingen liet zien met andere hersengebieden, voornamelijk gebieden vooraan in het brein.

De hippocampus is een gebied diep in
het brein en is vernoemd naar het
zeepaardje (hippocampus in het Latijn),
omdat de vorm van het gebied op de
vorm van een zeepaardje lijkt. (plaatje
van memorylossonline.com)

Wiskundeknobbel of wiskundebrein?

Deze bevindingen roepen nieuwe vragen op: waarom de hippocampus, die was toch al belangrijk voor geheugen? De eerder genoemde patiënten die problemen hebben met hun hippocampus, laten ook geen wiskundige problemen zien. En in hoeverre heeft het puur onthouden van informatie te maken met het leren van wiskundige regels? Daarnaast blijkt de hippocampus met een heleboel andere gebieden in het brein te koppelen, wat gebeurt er in dat netwerk van hersengebieden dat voorspellend is voor het leren van wiskunde? Één ding is duidelijk: de onderzoekers reppen met geen woord over het zoeken naar een wiskundeknobbel en claimen ook niet dat ze deze gevonden hebben met dit experiment. De hippocampus is dus niet de wiskundeknobbel van het brein, net zo min als andere gebieden een specifieke talenknobbel of emotieknobbel zijn. Wat je wel kan concluderen naar aanleiding van dit onderzoek is dat een grotere hippocampus en sterkere verbindingen tussen deze hippocampus en andere gebieden in je brein ervoor kunnen zorgen dat je beter wiskundige vaardigheden kan leren. Dit netwerk, gestuurd door de hippocampus, is dus wel belangrijk voor het leren van wiskunde. Deze bevinding kan, mits verder uitgewerkt, in de toekomst belangrijk kan zijn voor het beter detecteren en begeleiden van kinderen met leerproblemen.
Wiskundeknobbel? Welnee, gewoon een wiskundebrein!

Dus: weg met de wiskundeknobbel, leve het wiskundebrein!

Bronnen

Het bewuste artikel in PNAS (alleen beschikbaar met abonnement)

Dromen lezen?

Een recent onderzoek dat erg veel aandacht heeft gekregen binnen en buiten de neurowetenschap is een experiment waarbij wetenschappers uit Japan uit hersenactiviteit gemeten tijdens slaap konden afleiden waarover hun proefpersonen aan het dromen waren. In de media is dit artikel besproken met titels als "Wetenschappers kijken mee in dromen" (nu.nl), "Hersenscanner leest dromen" (visionair.nl) en "Wetenschap maakt dromendiefstal mogelijk" (vief.be). De, iets subtieler liggende, conclusies van dit artikel heb ik eerder al aan verschillende mensen uitgelegd en ik zal hier trachten dit nog een keer te doen.

Hersenactiviteit "lezen"

Als neurowetenschappers praten over het "lezen" of "decoderen" van hersenactiviteit, dan refereren ze aan een computerprogramma dat, gegeven een bepaald patroon in hersenactivatie (meestal gemeten met een MRI-scanner), kan voorspellen op welke van tevoren bepaalde en gemeten categorieën deze activiteit het meeste lijkt. Dit zijn zogenaamde "machine learning" programma's die leren om patronen met elkaar te vergelijken en berekenen hoeveel deze op elkaar lijken. Om dit te kunnen doen moet dit decodeer-programma dus eerst leren hoe deze categorieën, bijvoorbeeld plaatjes van gezichten of objecten, relateren aan hersenactiviteit. Hiervoor krijgen proefpersonen eerst vaak honderden plaatjes uit deze verschillende categorieën voorgeschoteld waarop het computerprogramma vervolgens kan worden getraind. Als dit decodeer-programma vervolgens tijdens een testfase, waarin proefpersonen opnieuw dezelfde of gerelateerde plaatjes te zien krijgen, consequent met meer dan 50% zekerheid kan voorspellen of een bepaald patroon van hersenactiviteit tot de gezichten of objecten-categorie behoort, dan concluderen de onderzoekers hieruit dat deze categorieën "gelezen" kunnen worden uit de hersenen.

Maar let op: meestal is dit programma echter maar in ongeveer 55% tot 60% van de gevallen correct, en dus in zeker 40% van de gevallen incorrect. Daarnaast kan dit programma nooit direct (of "online") worden gebruikt, maar altijd pas achteraf tijdens tijds-intensieve analyses. Onderstaand plaatje, waar een computer direct kan zien waar iemand aan denkt, is dus (vooralsnog) onmogelijk.

De computer in dit plaatje voorspelt op basis van hersenactiviteit waar de proefpersoon aan denkt, een scenario dat op het moment onmogelijk is omdat de analyses pas achteraf gedaan kunnen worden en erg veel tijd en rekenruimte kosten. "Online" berekenen waar een proefpersoon op een bepaald moment aan denkt is dus vooralsnog onmogelijk. (plaatje komt van www.the-scientist.com)

De dromenlezer

Wat deden deze Japanse droomwetenschappers nu? Ze trainden hun decodeer-programma op een periode waarin de proefpersonen naar plaatjes van verschillende categorieën keken (zoals hierboven beschreven) en gebruikten dit programma om vervolgens activiteit tijdens hun slaap te bekijken. Proefpersonen sliepen in de MRI-scanner en werden op gezette tijden wakker gemaakt om hun voorafgaande droom te beschrijven, waaruit de onderzoekers verschillende onderdelen filterden. Als deze onderdelen eerder gezien waren door de proefpersoon en  dus geleerd door het decodeer-programma konden ze de eerder gekoppelde activiteitspatronen voor deze onderdelen terug proberen te vinden in het patroon dat de hersenen tijdens de droom lieten zien. Dit kon het programma voor een aantal categorieën correct voorspellen maar hierbij was het programma nooit veel meer dan 70% correct, met een paar uitschieters tot 80%. Omdat dit experiment laat zien dat een onbewuste staat van het brein ook decodeerbaar is, is dit een geweldige vooruitgang voor de wetenschap van het decoderen van hersenactiviteit, maar het betekent absoluut niet dat we met MRI-scanners direct af kunnen lezen waar iemand over droomt, en al helemaal niet met 100% zekerheid.

De opzet van het droomexperiment. Hersenactiviteit werd gemeten tijden slaap (links) en vergeleken met eerder verkregen activiteitspatronen tijdens het kijken naar verschillende plaatjes (midden). Hierdoor konden ze onderzoekers de droom in stukjes opdelen en voorspellen welke hersenactiviteit ze zouden moeten zien in de slaappatronen. Dit werkte voor een deel van de categorieën (rechts). Plaatje van http://ajw.asahi.com/.

Conclusie

De algemene conclusie uit dit artikel is dus niet: "we kunnen uitlezen waar iemand over droomt" (en dat is trouwens ook niet wat de auteurs zelf claimen). Ook "meekijken" in of "diefstal" van dromen is met deze techniek vooralsnog onmogelijk. Wat we wel kunnen concluderen uit dit artikel is dat de wetenschappers met een bepaalde (significante) zekerheid achteraf konden vaststellen of een bepaald hersenactivatiepatroon aanwezig was tijdens een droom van een proefpersoon, mits er voor deze proefpersoon van tevoren was bepaald welke activatiepatronen gerelateerd zijn aan het waarnemen van bepaalde dingen. Sommige onderdelen van dromen konden dus inderdaad gelezen worden, maar alleen achteraf en niet voor elke categorie met evenveel zekerheid. Om je een beetje een indicatie te geven van wat er daadwerkelijk uit het experiment kwam, zie het filmpje op deze website. Deze limitaties nemen natuurlijk niet weg dat dit een belangrijk en uitermate fascinerend experiment is, ik heb me er in ieder geval erg om verwonderd!

Referenties

Originele artikel in Science (in Engels en alleen verkrijgbaar met abonnement)

Algemeen filmpje over decoderen (in Engels)

Welkom!

Welkom op mijn blog. Ik zal binnenkort een eerste verhaal posten. Meer informatie over mij en mijn wetenschappelijke carriere is te vinden op mijn LinkedIn profiel: nl.linkedin.com/pub/marlieke-van-kesteren/14/b57/340/ (in Engels). Hopelijk tot ziens in de recente toekomst.