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!

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).

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)