Navigatie en Alzheimer, of: wat hebben we aan neurowetenschap?

Als neurowetenschapper met affiniteit voor de toepassing van je onderzoek krijg je vaak die ene vraag voorgeschoteld: “Maar wat kunnen we hier nou mee? Wat voegt kijken in het brein toe?”. Ik probeer deze dooddoener vaak te beantwoorden met loze cliche’s als “we willen begrijpen wat de onderliggende processen zijn, zodat we theoretische modellen kunnen opstellen die gedrag kunnen verklaren”. Tsja, het blijft een lastige vraag... 

Maar nu heb ik eindelijk iets beters te vertellen. Een nieuw artikel maakt duidelijk wat neuroimaging kan betekenen voor geheugenonderzoek.

Alzheimer

Plaatje van http://amnesiainternational.net/en/node/4270.

We kennen allemaal de ziekte van Alzheimer, soms alleen van de de verhalen en soms van heel dichtbij. Er zijn heel veel theorieën over Alzheimer en het ontstaan van deze verwoestende ziekte. Voor deze progressieve ziekte geldt: hoe vroeger we kunnen beginnen met behandeling, hoe langer het kan worden uitgesteld. 

Wat we weten is dat Alzheimer zich al vroeg kan manifesteren in het brein, maar dat we (onbewust) kunnen compenseren voor de effecten waardoor er nauwelijks gedragsveranderingen te bespeuren zijn. Ook weten we dat een bepaald genetisch verschil een verhoogde kans op Alzheimer geeft, maar we hebben nog geen goede manier om te bepalen of iemand met dit gen de ziekte ook echt aan het ontwikkelen is.

Omgevingscellen

In een recent artikel in Science hebben Nederlandse en Duitse neurowetenschappers op een vernuftige manier de compensatiestrategieën van deze mensen met een genetisch risico voor Alzheimer blootgelegd. Ze gebruiken hiervoor het Nobel-waardige idee uit dieronderzoek; het bestaan van omgevingscellen, cellen die bepalen waar we in de omgeving zijn. Deze cellen bevinden zich vlakbij de hippocampus, het deel van de hersenen dat belangrijk is voor het geheugen. 

Een paar jaar geleden bleek dat ook mensen een dergelijk systeem in de hersenen hebben. Dit was weliswaar iets indirecter gemeten, maar de sterke relatie met het dieronderzoek – dat wel direct activiteit van cellen kan meten – doet vermoeden dat ook wij dergelijke cellen in ons brein hebben.

Omgevingscellen of "grid" cellen worden actief als een dier in een bepaald deel van de omgeving is. In dit plaatje wordt dit duidelijk gemaakt. Je ziet een vierkante omgeving van boven. Zwart is het pad dat de rat aflegt terwijl hij door de omgeving loopt. Rood zijn de plekken wanneer een bepaalde grid cel actief is. Deze cel is dus actief op verschillende plekken in de omgeving. Onderzoekers denken dat deze cellen ons helpen om plekken in een omgeving te onthouden. Plaatje van hier.

Compensatie in actie

Wat hebben de onderzoekers nou gedaan? Ze hebben hetzelfde experiment dat gebruikt was om dit systeem in de menselijke hersenen te vinden losgelaten op een groep jonge proefpersonen die wel of niet het "Alzheimer-gen" hadden. Ze vonden, zoals verwacht, dat er weinig verschil was tussen hoe goed de verschillende groepen de locaties onthielden. Maar dit zegt weinig, er zouden immers compensatiestrategieën gebruikt kunnen worden. Pas als er gekeken werd naar navigatiestrategieën van de proefpersonen, kwamen er kleine verschillen aan het licht, een gedragsmatige aanwijzing dat er gecompenseerd werd door de Alzheimer groep. 

Maar de belangrijkste vondst lag in de hersennetwerken die de proefpersonen gebruikten tijdens de taak. De proefpersonen met risico voor Alzheimer gebruikten hun omgevingscellen namelijk minder, maar andere hersengebieden weer meer. De onderzoekers concludeerden dus dat ze hier de compensatiemechanismen aan het werk zagen.

Toepassing

De vraag “wat voegt kijken in het brein toe” is nu dus iets makkelijker te beantwoorden: we kunnen mogelijk op basis van bevindingen in het neurowetenschappelijke geheugenonderzoek de vroege ontwikkeling van Alzheimer gaan zien. Als dit vastgesteld kan worden bij een persoon, dan kan deze vroeger geholpen worden, waardoor de ziekte kan worden uitgesteld. 

Ik heb nu dus eindelijk een goed verhaal te vertellen op feestjes: Wat helpt het om in het brein te kijken? Daarmee kunnen we verschillen blootleggen die onzichtbaar zijn voor psychologische gedragstesten!

Sciencepalooza: Koester je kennis, stamp je feitjes

Mijn nieuwste bijdrage op Sciencepalooza is hier te lezen.

Snel en efficiënt woordjes stampen

Een nieuwe blog over onze deelname aan de Memrise Prize, nu op Donders Wonders!

Life @ Stanford (final)

Ok ok, this final Life @ Stanford blog will be in English by popular request so that everyone can read it! Our time left in California is passing by slowly but steadily, only one week left to go! We will not leave the continent any time soon as we'll finish this adventure off with a west-to-east roadtrip through Canada. Either way, it feels like the end of an era somehow...

I know I've been pretty critical about things on this blog so this one will just be about things I'll miss from Stanford and California. Twenty random things, in random order!

1. The huge free cookies, pizza lunches, and burrito dinners at Stanford

http://clarksville.citysaver.com/wp-content/uploads/sites/13/2013/03/sites/13/great-american-cookie.jpg

2. This view from your office window in this building

https://psychology.stanford.edu/sites/all/files/imagecache/slideshow_item/slides/jordan-hall.png

3. Walking over this quad to get yourself some well-deserved coffee

4. Enjoying campus sports

5. All the great researchers that come to visit

6. These amazing views that make you feel so small...

7. Hiking (or scrambling) through all types of territory

8. Finding out about weird startups

9. Being amazed about some aspects of American culture

10. Just enjoying our favorite hangout on Friday evenings

11. Discovering new foods (no not just American!)

12. These sunsets at the bay after enjoying yet another full day of sun

13. Living amidst companies that are changing the world, whether you like it or not

14. Learning from how others find ways to manage their busy schedule

15. Oh yeah, and doing some research in the meantime

16. The abundance of food: huge BBQs and doggy bags

17. Being able to have pancakes on a sunny terrace in January, or BBQs in December

18. Making your own food

19. Noticing you're actually more Dutch than you want to believe

20. Learning how to deal with a persistent drought (ok this last one is sarcastic, let me have one! ;))

http://www.sandiegouniontribune.com/news/2014/oct/24/environment-drought-water-restrictions/

Sciencepalooza: Tetris tegen je trauma's

http://www.sciencepalooza.nl/2015/07/tetris-tegen-je-traumas/

Sciencepalooza: Onthouden met terugwerkende kracht

Mijn nieuwste blog voor Sciencepalooza is nu online, over ons retroactieve geheugen!

Over slaap en geheugen

Deze blog is eerder verschenen op Stanford's NeuWrite, dit is een directe vertaling.

Slaap en geheugen, deze termen zijn op een ingewikkelde manier met elkaar verbonden geraakt over de afgelopen decennia. Over het algemeen wordt gedacht dat een goede nacht slapen het herinneren van oude en het leren van nieuwe informatie versterkt, herinneringen zal beschermen tegen verval, en inzicht verbetert. Maar hoeveel van deze stellingen zijn eigenlijk waar? Helpt de juiste hoeveelheid slaap echt zo miraculeus als je informatie wilt leren en onthouden? En zo ja, hoe kunnen we deze inzichten gebruiken op school?

Deze vragen lijken simpel op het eerste gezicht, maar heel veel onderzoekers zijn nog dagelijks bezig met het vinden van de antwoorden. Hieronder zal ik een paar redenen noemen waarom de relatie tussen slaap en geheugen niet zo simpel is als je zou denken.

Slaap is niet eenzijdig

Jammer genoeg zijn slaap en geheugen complexer dan ze op het eerste gezicht lijken. Deze samengestelde aard maakt het moeilijker om zomaar te zeggen dat sleep effect heeft op geheugen. Het lijkt er meer op dat verschillende soorten slaap effect hebben op verschillende soorten herinneringen.

De verschillende slaapfases in een grafiek (plaatje van hier)

Je hebt het misschien niet door, maar je slaapt in fases. Ons brein cirkelt systematisch door deze fases vanaf het moment dat je in slaap sust totdat de wekker gaat. Slaaponderzoekers maken onderscheid tussen twee algemene slaapfases: non-REM en REM-slaap. Tijdens Rapid Eye Movement (REM) slaap, zoals de naam al impliceert, bewegen je ogen alle kanten op. Je hersengolven lijken op wakkere hersengolven en de kans dat je aan het dromen bent is heel groot.

Non-REM slaap is een beetje saaier wat betreft de oogbewegingen en hersengolven, maar is daarmee niet minder interessant voor wetenschappers. Non-REM slaap is opgedeeld is 4 fases, die elk corresponderen met steeds langzamer bewegende hersengolven. De laatste fases (3 en 4) worden ook wel diepe of slow-wave slaap genoemd en zijn, naast REM-slaap, de favoriete slaapfases voor geheugenonderzoekers. En ja, wat het brein ook precies aan het doen is tijdens deze fases, het lijkt erop dat het op een bepaalde manier samenhangt met geheugen.

Geheugen is niet eenzijdig

Net zoals slaap is ook geheugen ook ingewikkelder dan het lijkt. Er zijn verschillende soorten geheugen: van de herinnering aan je laatste vakantie tot de herinnering aan hoe je moet fietsen. Om het simpel te houden zal ik alleen één onderscheid binnen ons complexe geheugensysteem bespreken: dat van declaratie. Dit onderscheid werd duidelijk toen de epilepsie-patiënt Henry Molaison na een hersenoperatie bleek geen nieuwe herinneringen aan te kunnen maken, maar wel nieuwe bewegingen kon leren. Onderzoekers hebben vervolgens het geheugensysteem opgedeeld in declaratieve herinneringen (benoembare, zoals de herinnering aan je laatste vakantie) en niet-declaratieve herinneringen (niet-benoembare, zoals de herinnering aan hoe je moet fietsen). Deze verschillende soorten geheugen lijken afhankelijk te zijn van verschillende delen van het brein en het wordt dus aangenomen dat ze relatief onafhankelijk van elkaar zijn.

Herinneringen zijn geen unieke entiteiten; ze versmelten graag met andere, eerder opgeslagen herinneringen. Dit betekent dat details over wat je hebt geleerd steeds waziger worden over de tijd (en slaap). Wetenschappers denken dat dit gebeurt door geheugen consolidatie, waarbij herinneringen stabiliseren en integreren, vaak ten koste van specifieke details. Dit samenvoegingsproces is waarschijnlijk nuttig omdat een goed opgebouwd network van herinneringen kan helpen om nieuwe herinneringen op te slaan en het leren van overlappende informatie te versnellen.

Slaap en geheugen interacteren met elkaar

Maar als ze niet eenzijdig zijn, hoe zijn slaap en geheugen dan gerelateerd? Zoals ik hierboven al zei vinden onderzoekers wel relaties tussen verschillende slaapfases en verschillende vormen van geheugen. Om het simpel te zeggen: REM-slaap lijkt niet-declaratief geheugen te beïnvloeden terwijl slow-wave sleep declaratief geheugen beïnvloed. Ook al zijn de onderliggende mechanismen nog onduidelijk, dit lijkt het algemene plaatje in verschillende experimenten. Betekent dit nu dat je gewoon genoeg slow-wave slaap moet krijgen voor een examen als je het wilt halen? Jammer genoeg is dit nog niet het hele verhaal; er zijn meerdere factoren.

Denk eens terug aan je laatste vakantie. Als deze vakantie een paar weken geleden was dan zul je meer gedetailleerder herinneringen erover hebben dan als het een paar maanden geleden was. We lijken meer te vergeten dan herinneren, vooral als we niet vaak herinnerd worden of weinig aanwijzingen krijgt om iets te herinneren. Dit geleidelijke vergeten betekent dat consolidatieexperimenten bijna nooit een verbetering van geheugen meten. Experimenten naar de effecten van slaap op geheugen vinden meestal een minder sterke verslechtering van het geheugen dan je zou verwachten door alleen vergeten.

Verlopen tijd en slaap zijn sowieso gerelateerd

De onmiskenbare relatie tussen vergeten, consolidatie en tijd belast het slaaponderzoek omdat slaap sowieso tijd kost terwijl tijd zonder slaap juist interferentie toevoegt. Onderzoekers proberen dit de omzeilen door een niet-slapende controlegroep toe te voegen die met hetzelfde tijdsverschil worden getest. Dit betekent dat de controlegroep op een andere tijd van de dag wordt getest of wakker moet worden gehouden terwijl de andere groep gaat slapen, en dit geeft wel wat problemen.

Iedereen die weleens een nacht doorhaalt weet dat niet slapen een groot effect heeft op je aandacht, motivatie en focus. Jammer genoeg zijn deze dingen ook erg belangrijk voor je geheugenprestatie. Een controlegroep die niet heeft geslapen is dus geen goede controlegroep. Onderzoekers vangen dit op door proefpersonen bijvoorbeeld 4 uur te laten slapen of zich op speciale slaapfases te richten door de proefpersoon wakker te maken op een herinneringen te reactiveren als een bepaalde slaapfase zich aandoet (dit kan gemeten worden met EEG). Dit betekent dat wanneer een experiment concludeert dat geheugen beter is na de slaap, je altijd moet bedenken dat dit relatief is, vergeleken met een niet-slapende of slecht-slapende controlegroep.

Dus: wat weten we wel?

Ik hoop dat ik duidelijk heb gemaakt dat de vraag "heeft slaap een positief effect op geheugen" lastig te beantwoorden is door de sterke afhankelijkheid van de soort slaap en het soort geheugen dat je wilt verbeteren. Daarnaast vergelijken de meeste slaap en geheugen experimenten een volledige nacht slaap met slechte slaap of geen slaap, wat het moeilijk maakt om conclusies te trekken over of slaap echt het geheugen verbetert of dat het juist nadelig is als je niet slaapt.

Niettemin zijn wetenschappers nu redelijk zeker dat slaap (en voornamelijk slow-wave slaap) een effect heeft op declaratief geheugen, voornamelijk de integratieve aspecten zoals kernbegrip en het leggen van verbanden. Dit gebeurt vaak ten koste van specifieke details die vaak vervagen over consolidatie tijdens slaap. Dus als je kennis goed op wilt bouwen, zoals belangrijk is voor veel schoolvakken, dan kan je het beste goed en consistent slapen maar tegelijk ook de details in de gaten houden.

Een paar tips

Ok, dus we weten jammer genoeg nog relatief weinig over de interacties tussen slaap en geheugen. Maar wat kan een neurowetenschapper als ik nu adviseren over het belang van slaap voor schoolprestaties? Eens kijken:

• Probeer een ritme aan te houden zodat je natuurlijk wakker wordt en niet door je wekker. Probeer de aanbevolen 7-9 uur slaap te krijgen zodat je alle slaapfases doorgaat, aangezien al deze fases een unieke en essentiële functie hebben. Als je 's nachts niet genoeg slaap hebt gehad, dan blijken middagdutjes en gewone rust ook belangrijk voor leren en geheugen.
• Ja, met stampen en nachten doorhalen zul je waarschijnlijk je examen de volgende dag wel halen. Je zult alleen heleboel van deze informatie weer snel vergeten. Kleine stukjes informatie bestuderen over een langere periode (inclusief slaap) helpt je om kennisstructuren op te bouwen die langer blijven hangen en die vervolgens weer helpen met het integreren van nieuwe informatie.
• Omdat details vervagen over tijd is het slim om specifieke details te herhalen voor een examen, zoals definities, wiskundige functies of jaartallen. Als je de lesstof systematisch hebt bestudeerd zul je je niet veel zorgen hoeven te maken over de grote lijnen, maar het helpt zeker om deze details op het laatste moment te herhalen! Vergeet vervolgens alleen niet te slapen zodat je wel goed kan focussen.
• Neem de tijd. Een sterke herinnering en diep inzicht duurt een tijd en hier is het belang van slaap overduidelijk. Bijvoorbeeld, als ik een moeilijk artikel moet lezen of me in een nieuw onderzoeksgebied moet verdiepen, dan lees ik stukjes over verschillende dagen of zelfs weken totdat ik de grote lijnen zie ontstaan. Het helpt heel erg om zulke taken op te delen en eerder geleerde informatie regelmatig terug te halen. En, het allerbelangrijkste: informatie blijft langer hangen als je het wat tijd geeft. Dus neem de tijd, je zult er geen spijt van krijgen!