De ene herinnering is de andere niet: de onbedoelde waarde van amnesiepatiënten

(Click here for the English version of this blog)

Als we aan geheugenstoornissen denken, betreft het vaak dementie of tijdelijk geheugenverlies door een ongeluk. Bij deze gevallen zijn het meestal de oude herinneringen die langzaam of ineens verdwijnen. Zelden komt het echter voor dat iemand zijn of haar vermogen om nieuwe herinneringen te maken kwijtraakt. Dit heet anterograde amnesie en de gevolgen hiervan zijn catastrofaal, iets wat erg mooi is verbeeld in de film "Memento".

Patiënten met algehele anterograde amnesie zijn (gelukkig) schaars, maar hun aandoening is heel interessant omdat het ons helpt om te begrijpen hoe herinneringen worden gemaakt. Deze patiënten worden dus in wetenschappelijke kringen vaak beroemd door hun uitgebreide deelname aan experimenten. Dit was bijvoorbeeld het geval bij de in 2008 overleden Henry Molaison, die tengevolge van een operatie voor zijn onbehandelbare epilepsie geen nieuwe dingen meer kon onthouden. De omstandigheden van Henry's resulterende amnesie heeft in geheugenonderzoek geleid tot een focus op de bij hem verwijderde hippocampus, iets wat tot heel veel inzichten en nieuwe vragen heeft geleid over de processen die de werking van ons geheugen verklaren.

Door al die aandacht voor Henry krijgt, in boeken en collegezalen, zou je bijna denken dat hij de enige was die neurowetenschappelijke theorieën heeft beïnvloed. Dit is niet waar. De onlangs overleden Kent Cochrane (eerder bekend onder zijn initialen K.C.) heeft met zijn specifieke amnesie ook erg veel betekend voor geheugenonderzoek!

Motorongeluk

Kent Cochrane was een Canadees die werkte in een fabriek. Hij werd geboren in in 1951, twee jaar voor Henry zijn ongelukkige operatie. In 1981, toen hij 30 was, kreeg Kent een motorongeluk en verloor hierdoor onder andere zijn beide hippocampi. Zoals je zou verwachten van Henry zijn verhaal, had Kent algehele anterograde amnesie en kon hij dus geen nieuwe herinneringen meer maken. Ook een gedeelte van zijn oudere herinneringen was hij kwijt, maar niet alle. Toen onderzoekers - onder leiding van Dr. Endel Tulving - verder begonnen te testen, kwamen ze erachter dat ze de overgebleven herinneringen makkelijk konden classificeren.

Hij bleek alle specifieke persoonlijke gebeurtenissen uit zijn leven kwijt te zijn, maar feitelijke kennis - bijvoorbeeld informatie die je in encyclopedieën vindt - was onaangetast!

Verschillende soorten geheugen

Uitleg van het verschil tussen episodisch, semantisch
en procedureel geheugen. (plaatje van hier)

Door Henry wisten onderzoekers al dat het geheugen in te delen was in procedureel geheugen (onbewust geheugen voor procedures, bijvoorbeeld weten hoe je moet fietsen) en declaratief geheugen (bewust geheugen voor informatie dat "gedeclareerd" - of betoogd - kan worden, bijvoorbeeld een herinnering aan een specifieke fietstrip). Henry kon bijvoorbeeld leren spiegelschrijven, al had hij geen bewuste herinnering dat hij dat ooit geleerd had.

De amnesie van Kent wierp licht op een verdere opdeling van het bewuste declaratieve geheugen in episodische (specifieke persoonlijke ervaringen) en semantische (feitelijke) herinneringen. De episodische herinneringen waren compleet verdwenen bij Kent, zodat hij nog wel algemene feitelijke herinneringen had, maar geen specifieke, autobiografische herinneringen.

Daarnaast bleek Kent ook nieuwe informatie te kunnen leren, al duurde het langer en werden ze alleen opgeslagen als algemene, semantische herinneringen. Hij kon bijvoorbeeld wel Bill Clinton herkennen als bekend persoon, ook al werd deze pas president na zijn ongeluk. Kent kon zich alleen niet herinneren wat Bill zijn beroep was. Dit was een erg interessante bevinding aangezien wetenschappers er op dat moment inmiddels vanuit gingen dat er geen enkele declaratieve herinneringen konden worden aangemaakt zonder de hippocampus.

Dit bleek dus enkel te gelden voor episodische herinneringen, iets wat bij Henry later ook gevonden werd. Zo hebben beide gevallen elkaar wederzijds beïnvloed, en ons geholpen beter te begrijpen hoe herinneringen precies gemaakt worden.

Ons waardevolle geheugen

Wat leren deze patiënten ons nou precies? Kent en Henry hebben ons allebei
geleerd dat er verschillende soorten herinneringen bestaan waarvan alleen sommige door de inmiddels beroemde hippocampus worden opgeslagen. Wat dit precies betekent voor hoe deze herinneringen worden opgeslagen en hoe ze effect hebben op ons dagelijks leven wordt nu verder onderzocht. Kent heeft ons namelijk ook geleerd dat een hoop vragen over het geheugen nog niet beantwoord zijn.

Zo moeten Henry en Kent zich ongeveer gevoeld hebben
(plaatje van hier)

Het overlijden van een legende in de geheugenwetenschap herinnert me weer hoe vreselijk blij we mogen zijn dat deze mensen, ondanks hun vreselijke lot, hun tijd geven om de wetenschap vooruit te helpen. Bedankt Henry en Kent, het is nu aan ons om jullie waardevolle wetenschappelijke bijdragen te gebruiken om mensen met hetzelfde lot zo goed mogelijk te helpen en om ons begrip over ons mysterieuze en waardevolle geheugen te vergroten!

Bouwen op voorkennis: hoe leert het studenten- brein?

Dagelijks zijn we bezig om de enorme kennisbank in ons brein aan te passen en uit te breiden. Ons brein hunkert naar een zo accuraat mogelijke representatie van de werkelijkheid, zodat het nieuwe informatie zo makkelijk mogelijk kan integreren. In ons dagelijkse leven wordt nieuwe informatie dus vaak zo aangeboden dat we het makkelijk kunnen begrijpen. Op televisie en internet, maar natuurlijk ook in het onderwijs.

Het is extreem belangrijk in het onderwijs dat vakken goed worden opgebouwd. Bijvoorbeeld: als je niet kunt optellen en aftrekken, kun je ook niet vermenigvuldigen en als je niet kunt vermenigvuldigen wordt worteltrekken weer lastig. Natuurlijk is dit principe al lang bekend en wordt het wijdverbreid toegepast in het onderwijs.

Maar wat we niet weten is hoe deze kennis zo zorgvuldig wordt opgebouwd in ons brein en wat dit tot gevolg heeft voor het het leren van nieuwe dingen.

Verschillende manieren om informatie op te slaan

In mijn laatste experiment heb ik deze vraag onderzocht: hoe wordt nieuwe, studie-gerelateerde informatie opgeslagen in ons brein? Hiervoor heb ik twee groepen studenten getest die aan het begin van het tweede jaar van hun studie biologie of pedagogiek stonden. Deze studenten leerden korte zinnetjes met nieuwe informatie terwijl hun hersenactiviteit met een MRI-scanner werd gemeten. Deze zinnetjes bevatten informatie die óf voortbouwden op de studie die ze op dat moment volgden, óf op de andere studie. Een biologiestudent leerde dus ook de informatie voor pedagogiekstudenten en andersom. De volgende dag kregen de studenten een test over de informatie die ze hadden geleerd. Hierdoor wisten we precies welke zinnetjes ze hadden onthouden en welke waren vergeten.

De mediale prefrontale cortex bevindt
zich vooraan en middenin het brein,
achter je voorhoofd.

Wat kwam er nou uit dit experiment? Ten eerste bleken studenten veel beter in het onthouden van informatie die relateert aan hun eigen studie, maar dat is niks nieuws. Daarnaast vonden we dat het onthouden van deze informatie gerelateerd was aan activiteit in een ander hersengebied dan bij de niet studie-gerelateerde informatie. Dit hersengebied, de mediale prefrontale cortex, hadden we al eerder gevonden in ons onderzoek en we denken dat dit gebied nieuwe informatie integreert met oudere informatie. De informatie wordt dan dus niet apart opgeslagen, maar gekoppeld aan eerder opgeslagen informatie. Dit leidt vervolgens tot betere prestaties op de geheugentest.

Relatie met studieprestaties

We vonden daarnaast dat de activiteit in deze mediale prefrontale cortex positief correleerde met hoe de studenten presteerden in het tweede jaar van hun studie ten opzichte van het eerste. De mate waarin ze dit hersengebied gebruikten tijdens het leren van onze studie-gerelateerde zinnetjes was dus voorspellend voor de toekomstige prestaties in hun studie!

Kunnen we toekomstig studiesucces dan voorspellen door studenten in de scanner te leggen? Nee, de effecten in dit experiment zijn erg klein en de meetwaarden heel specifiek. Bovendien weten we bij een simpele correlatie als deze niet wat de leidende factor is en zijn er heel wat andere dingen die een rol kunnen spelen. Wel opent dit onderzoek nieuwe deuren door aan te tonen dat eerdere bevindingen – verschillende hersenprocessen tijdens het onthouden van simpele plaatjes of woorden - ook blijken te gelden voor het leren van ingewikkeldere informatie in de onderwijspraktijk.

Relatie tussen activiteit in de mediale prefrontale cortex (op
de x-as) en verschil tussen tweedejaars en eerstejaars cijfers
(op de y-as).

Toepassingen

Hoe kunnen we deze bevindingen dan wel gebruiken voor leren in het onderwijs? Voorlopig zijn directe toepassingen nog niet echt mogelijk, maar als we meer te weten komen over hoe ons brein voorkennis gebruikt om nieuwe informatie te leren, dan kunnen we proberen deze voorkennis beter en selectiever aan te spreken voordat we nieuwe informatie leren.

We kunnen dan bijvoorbeeld ons leerproces bewust efficiënter maken door ons vaker af te vragen hoe iets nieuws eigenlijk relateert aan iets ouds. Of op basis van de beschikbare voorkennis vaststellen of nieuwe informatie al geleerd kan worden of dat je beter nog even kan wachten. De mogelijkheden zijn eindeloos!

Referenties

Het artikel, nu in early access op de website van Journal of Cognitive Neuroscience.

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).