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!

Hoe je brein zich vormt naar wat je leert

Neuronen (plaatje van hier)

Je leert dingen makkelijker als ze lijken op iets wat je al eerder hebt geleerd. Dit geldt voor feitelijke kennis (zie een eerdere blog over mijn eigen onderzoek), maar ook voor bijvoorbeeld bewegingen. Ga maar na: als je ooit hebt leren tennissen, is het makkelijker om daarna te gaan hockeyen. Als je gitaar kan spelen moet viool daarna ook makkelijker gaan. Door gebruik te maken van overeenkomsten tussen dingen die we leren lijkt ons brein bestaande kennisnetwerken te gebruiken om nieuwe dingen te leren.

Dit systeem kan ervoor zorgen dat je gerelateerde dingen beter en sneller leert, maar het kan er ook toe leiden dat het leren van iets ongerelateerds lastiger wordt. "Out of the box thinking" wordt hierdoor bijvoorbeeld lastiger.

Procedureel geheugen en BCI

Ons geheugensysteem is opgedeeld in verschillende onderdelen. Het belangrijkste onderscheid maken we in declaratief geheugen (geheugen voor feitelijke informatie) en procedureel geheugen (geheugen voor bewegingen). Deze geheugensystemen worden door verschillende hersengebieden aangestuurd, maar dat eerdere herinneringen invloed hebben op het leren van nieuwe lijkt in beide systemen het geval te zijn. Voor procedureel geheugen is kortgeleden gevonden hoe dit tot stand komt.

De voorkant van Nature over dit onderzoek

Onderzoekers van de universiteit van Pittsburgh in de Verenigde Staten lieten apen een taakje doen met een Brain Computer Interface (BCI), waarmee de aap leerde om met alleen hersensignalen een cursor op een computerscherm te bedienen. De onderzoekers konden tegelijkertijd meten welke neuronen in het brein van de aap hierbij betrokken waren. 

Toen de apen dit taakje goed konden, trainden de onderzoekers een computeralgoritme om het bijkomstige leerpatroon in de hersenactiviteit te herkennen. Vervolgens keken ze of hersensignalen gemeten tijdens het leren van nieuwe cursorbewegingen overeenkomsten vertoonden met het eerder getrainde leerpatroon. Het bleek dat hoe meer dit patroon overeenkwam, hoe beter deze nieuwe beweging werd geleerd. In andere woorden: hoe meer de eerder gebruikte hersencellen werden gebruikt om nieuwe bewegingen te leren, hoe sneller de apen deze bewegingen onder de knie hadden.

De onderzoekers konden dus met hun computerprogramma voorspellen hoe goed nieuwe bewegingen geleerd konden worden en dit verbeterde leren bleek afhankelijk van hoeveel de beweging leek op eerder geleerde bewegingen.

Locked-in patiënten

Een scene uit "The diving bell and the butterfly", een film
over een patiënt met het locked-in syndroom.

Dit onderzoek biedt mogelijkheden voor patiënten met het locked-in syndroom. Deze mensen kunnen vaak alleen nog maar hun ogen bewegen en dus wordt er gekeken naar mogelijkheden om met een hersengestuurde BCI met de buitenwereld te communiceren. Het is hierbij van groot belang dat ze makkelijk kunnen leren om met de BCI om te gaan, om bijvoorbeeld een cursor op het scherm kunnen bewegen of woorden te "typen".

Dit onderzoek is de eerste stap in de richting om met dit soort systemen, als ze eenmaal zijn geïmplanteerd in de hersenen, ook goed te kunnen leren omgaan.

Flexibel brein?

Hoewel ons brein dus vaak wordt aangeduid als flexibel en veranderlijk, zijn er blijkbaar duidelijk grenzen. Het lijkt evolutionair heel nuttig om bewegingen die vaak worden uitgevoerd zo op te slaan dat ze ervoor zorgen dat gelijksoortige bewegingen makkelijker te leren zijn in de toekomst. Hierdoor hoeft niet altijd alles vanaf het begin af aan geleerd te worden. Dit scheelt een hoop tijd en moeite, vooral voor schijnbaar belangrijke dingen die je vaak tegenkomt in je leven.

De theorie dat je 10.000 uren nodig hebt om een bepaalde vaardigheid te leren ligt sinds kort onder vuur. En dat is maar goed ook, want simpel uren tellen zou wel erg simpel zijn. Wel blijkt nu door dit onderzoek dat er misschien wel minder uren nodig zijn om een vaardigheid te leren die hersennetwerken deelt met een eerder geleerde vaardigheid.

Anderzijds: een dergelijke vaardigheid weer afleren duurt misschien juist wel twee keer zo lang, een balans waar we mee zullen moeten leren leven!