Elektroden ontsluieren de hersenen
Herinneringen, gevoelens, bewustzijn en beslissingen, het gebeurt allemaal in de hersenen. De hele persoonlijkheid van een mens wordt in de grijze massa bepaald. De hersenen zijn echter ook een grijs gebied in de wetenschap. Want hoe werken ze nu precies?
Op het kleinste niveau, het niveau van moleculen en cellen, is het antwoord niet moeilijk. De belangrijkste cellen in het brein zijn de neuronen of zenuwcellen. Zij kunnen informatie doorgeven en verwerken. Ze doen dit in de vorm van elektrische signalen die ze versterken of juist remmen.
Nadat ze de informatie hebben verwerkt, kunnen de neuronen reageren. Als men bij het lezen aan het eind van een bladzijde komt, zullen de zenuwcellen een signaal naar de hand sturen, waardoor men de bladzijde omslaat. Over de producten van de hersenen, zoals het gedrag, de emoties en het geheugen is ook al veel bekend.
Heel wat minder weten we over de brug tussen de hersencel en de cognitieve processen. Hoe leidt het prikkelen van zenuwcellen tot het ingewikkelde voelen van verdriet? Hoe werken die honderd miljard neuronen samen om beslissingen te nemen? Want alleen kunnen ze het niet.
Overbruggen
Cyriel Pennartz is hoogleraar aan de Universiteit van Amsterdam en hoofd van de onderzoeksgroep cognitieve en systeemneurowetenschappen. Samen met zijn onderzoekers probeert hij die kloof tussen cel en gedrag te overbruggen.
Pennartz: ,,Door het gedrag van één zenuwcel door te lichten, kun je de hersenen niet begrijpen. Het brein is opgedeeld in hersengebieden. Binnen deze gebieden onderscheiden we weer verschillende structuren waarbinnen cellen samenwerken. Ze stimuleren of remmen elkaar. Ook zenuwcellen in geheel verschillende delen van de grijze massa staan met elkaar in contact. Door al die signalen over en weer ontstaat een complex netwerk van verbindingen tussen neuronen, dat je als geheel moet bestuderen.
Hiertoe maken de onderzoekers de activiteit van de hersenen zichtbaar. Dit kan met beeldvormingstechnieken zoals functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI), die lokale veranderingen in zuurstofverbruik en bloedtoevoer in het brein meet. Of elektro-encefalografie (EEG), waarbij elektroden op de hoofdhuid de veranderingen in elektrische spanning in de hersenen registreren.
Pennartz en zijn onderzoeksgroep gebruiken een veel nauwkeuriger technologie. Zij brengen elektroden in de vorm van zeer fijne draadjes aan in het brein van proefdieren, vaak ratten of muizen. Die draadjes zijn zo dun dat ze geen invloed hebben op het gedrag. Met de elektroden meet men de activiteit van tien tot honderd afzonderlijke zenuwcellen tegelijk.
Pennartz legt het uit: ,,Het is net alsof je microfoontjes in een menigte mensen hangt. Iedereen is aan het praten, maar zo af en toe verheft iemand zijn stem. Door de stemkarakteristieken van alle opnamen met elkaar te vergelijken, kun je achteraf bepalen wie wat heeft gezegd.
De elektroden werken bijna net zo. Er is continu elektronische activiteit, maar zo af en toe vuurt één neuron een korte elektrische impuls af. ,,Dit signaal noemen wij een spike. Na de metingen kunnen we de meeste spikes aan specifieke cellen toewijzen.
Het uitwerken van de gegevens is een hele klus. Met een paar uurtjes meten krijgen de neurowetenschappers twee gigabyte aan gegevens. De informatie over de duizenden spikes moeten zij zelf aan de zenuwcellen toekennen. Hier zijn ze zo twee dagen zoet mee.
De metingen worden verricht terwijl het dier een taak uitvoert. Zo laat men ratten in een doolhof naar zoetigheid zoeken. Achteraf kan men precies teruglezen wanneer welke cel vuurde. Zo krijgt men een soort handtekening van de celactiviteit die karakteristiek is voor die taak.
Nieuwe inzichten
De gedetailleerde metingen met hersenelektroden hebben succes. Pennartz: ,,Het begint ons te dagen. Zeker op de gebieden van leren en het geheugen leidt multi-elektrodenonderzoek tot nieuwe inzichten. Op termijn zullen we ook zaken als persoonlijkheid beter begrijpen. Herinneringen zullen we ook dan niet kunnen downloaden zonder voorkennis over de persoon en zijn hersenen. Maar als we weten hoe celactiviteit gedrag veroorzaakt, moeten we karaktereigenschappen uit het brein kunnen aflezen.
Multi-elektrodentechnieken kennen ook klinische toepassingen. Zo zijn bij geslaagde experimenten elektroden geïmplanteerd bij patiënten met ernstige motorische beperkingen door bijvoorbeeld een dwarslaesie of beroerte. De elektroden lezen de hersencellen van de patiënt en sturen de signalen door naar een computer. Met deze Brain-Computer Interface (BCI) kon een patiënt al eens met zijn gedachten een computercursor of robotarm besturen.
De techniek is nog onvoldoende ontwikkeld om al breed in praktijk te brengen, maar wordt op kleine schaal getest bij patiënten. Zij voelen zich zelfstandiger, waardoor hun kwaliteit van leven verbetert.
---
Uit het hoofd
Woordjes stampen in de Franse taal, jaartallen uit je hoofd leren bij geschiedenis, maar ook eten met mes en vork of je gedragen in gezelschap: iedereen kan en moet leren. Elektroden kunnen goed worden gebruikt om leren te begrijpen. Wat gebeurt er in de hersenen tijdens het leren?
Carien Lansink, promovendus bij de UvA-onderzoeksgroep van hoogleraar Pennartz: ,,Bij leren veranderen de verbindingen tussen zenuwcellen. Er worden nieuwe verbindingen gelegd en bestaande worden versterkt of afgezwakt. Hierdoor kan het brein informatie sneller en beter verwerken.
Lansink doet onderzoek naar het leerproces. Zij probeert te begrijpen hoe dit veranderen van verbindingen in zijn werk gaat. Hiervoor maakt zij gebruik van de multi-elektrodentechniek. In een experiment liet zij een rat rondjes rennen over een driehoeksbaan. In het midden van de zijden van de driehoek gaf zij de rat soms een beloning in de vorm van zoetigheid. De rat leerde wanneer hij de lekkernij kon verwachten.
Lansink mat dagelijks de activiteit van een groep neuronen. Eerst tijdens slaap, vervolgens tijdens het rennen, en als laatste weer tijdens slaap. Ze vergeleek de hersenhandtekeningen die ze hierbij verkreeg. ,,In één meetsessie vuurden twee hersencellen steeds tegelijk tijdens het leerproces. Kennelijk werken deze cellen samen. In de slaapperiode ná het rennen vuurden deze cellen weer geregeld samen. In de slaap v&243;&243;r het rennen deden ze dit niet.
,,Uit meer metingen bleek dat de hersenpatronen die bij het leren horen, in de slaap worden herhaald. Dit noemen we reactivatie. Door herhaling van de signalen onthouden we beter. De informatie blijft tijdens periodes van diepe slaap doorzingen in ons brein. We denken dat nieuwe verbindingen zo sterker worden.
Wetenschappers zoeken medische toepassingen voor nieuwe kennis over leren. Zo proberen ze patiënten traumatische ervaringen te laten verwerken door de verbindingen tussen de neuronen te veranderen. Dit doen ze met posttraumatische leertechnieken of met medicijnen. De herinnering wordt niet gewist, maar de emotioneel scherpe kantjes worden eraf gehaald.