Het grijze gebied tussen zenuwcel en bewustzijn

Het verborgene

Deze zomer verkent de wetenschapsredactie ‘het verborgene’. Deze week: hoe vormen zenuwcellen gedachten? Een doorbraak is net geboekt.

Illustratie Ralph Zabel

Geen orgaan in de mens ligt zo verborgen als de hersenen. Er zit een stevig kalkpantser omheen. De schedeldelen groeien dicht zodra een kind geboren is. Daarna verwerken die hersenen een leven lang wat we ruiken, proeven, horen, zien en voelen. In ruil daarvoor leveren ze gedachten, gevoelens, spraak, beweging en beslissingen – kortom: bewustzijn en persoonlijkheid.

Hoe ze dat doen? Dat is verborgen. Niet alleen liggen de hersenen goed verborgen, ook hun werking is allerminst duidelijk.

Ja, we weten dat het mensenbrein zo’n 100 miljard zenuwcellen telt. En veel meer ondersteunende, richtinggevende gliacellen. Zenuwcellen zijn ongewone cellen: ze kunnen centimeters lange uitlopers hebben. En ze maken functionele contacten met andere zenuwcellen. Sommige hebben meer dan 100.000 van die contacten – de synapsen. Lokaal vormen die zenuwcellen netwerken – circuits. Veel van de lange zenuwuitlopers liggen gebundeld in de hersenen en verzorgen de communicatie tussen de hersendelen.

In die circuits, in de afzonderlijke hersendelen en in de communicatie tussen hersendelen flitsen elektrische stroompjes en reizen boodschappermoleculen waardoor we leren, voelen, herinneren en reproduceren. Waardoor we beslissingen nemen en bewustzijn ervaren.

Over het allerkleinste niveau van de zenuwcelcircuits bestaat veel detailkennis. Bijvoorbeeld: als we kennis opslaan ontstaan er verbindingen, of verandert de sterkte van de synapsen tussen zenuwcellen in zo’n neuraal circuit.

Op een hoog, geïntegreerd niveau is ook redelijk goed bekend wat er gebeurt. Mensen laten zich testen. Een psychologische test bestaat uit vragen en opdrachten. Wat iemand reproduceert wordt gemeten. En we kunnen uit de hersenen elektrische velden opvangen (in EEG’s) en magnetische velden detecteren (MEG’s). Of met geluidsgolven (fUS) of magnetische velden (fMRI) meten hoeveel bloed er in de hersenen op een bepaald moment naar een bepaalde plaats stroomt. Dat levert mooie plaatjes met hersenactiviteit.

Rondrazende stroompjes

Het betreft de activiteit van slechts een klein stukje hersenweefsel – vaak enkele mm3 – maar daarin zitten algauw meer dan een half miljoen zenuwcellen, met miljarden onderlinge verbindingen. Het is dus een illusie om te denken dat we uit fMRI-opnamen direct kunnen begrijpen hoe individuele hersencellen werken. Waar het op neer komt, is dat er veel bekend is over het microniveau van de neuronale circuits, en ook over het macroniveau van actieve hersendelen. Maar hoe we van de rondrazende stroompjes en moleculen naar een meetbare gedachte komen, is verborgen.

Wat betekenen al die stroompjes en stromende boodschappermoleculen? Hoe ontstaat een gedachte? Hoe ontstaat beweging? Hoe nemen we een besluit? Waar ontstaat bewustzijn, waar zit dat? En, om een van de felste hersendebatten aan te stippen: is er een vrije wil en waar zit die dan verborgen?

Op naar Chris de Zeeuw, hoogleraar neurowetenschappen aan het Erasmus MC in Rotterdam en vice-directeur van het Nederlands Herseninstituut in Amsterdam. Die onderzoekt hoe moleculaire en fysiologische processen (het microniveau) ons geheugen (het hogere niveau) vormen. De Zeeuw kijkt vooral naar de kleine hersenen (het cerebellum) en hun interactie met de rest van het brein. Hij probeert het verborgene in de hersenen in kaart te brengen.

Het treft. De redactie van een belangrijk wetenschappelijk tijdschrift heeft net een manuscript van zijn groep, samen met buitenlandse groepen, geaccepteerd. Daarin staat wat er, als een muis een beslissing neemt, gebeurt in zenuwcellen op vier ver uit elkaar liggende plaatsen in de hersenen. De metingen laten zien wat er in de hersencircuits op die vier plaatsen gebeurt en hoe die elkaar op verschillende plaatsen beïnvloeden. De gemeten elektrische stroompjes zijn de neuronale correlaten voor het nemen van een beslissing.

Dit experiment is een paradigmashift

Het beschreven experiment is het eerste inkijkje in het grote grijze gebied van het verborgene. Dit experiment is een paradigmashift, zeiden reviewers en collega’s. De Zeeuw presenteerde de uitkomsten vorige maand al op het belangrijkste Europese neurowetenschappelijke congres (FENS).

De beslisproef bestond uit drie fasen: de prikkelfase, de wachtfase, en de reactiefase. Tijdens de prikkelfase strijkt er een stokje langs de snorharen van de muis, van voren óf van achteren. Dat moet hij zich herinneren. Dan volgt de wachtfase, waarin de muis niks mag doen, wil hij straks een druppel water krijgen. Er klinkt een geluidssignaal en dan begint de reactiefase. De muis mag wat doen. Kreeg hij het stokje van achteren tegen zijn snorharen, dan moet hij met zijn tong naar rechts likken om water te krijgen. Kwam het stokje van voren, dan moet hij naar links likken. Likt hij naar de verkeerde kant, dan krijgt hij niks. Likt hij in de wachttijd (die duurt ruim een seconde) dan krijgt hij ook niks en bovendien begint het volgende experiment dan later, zodat hij nog langer op zijn water moet wachten. In de hersenen van de proefdieren zitten elektroden waarmee signalen worden opgevangen uit circuits in de grote hersenen (de cerebrale cortex, de thalamus, de hersenstam en de kleine hersenen).

Die elektroden meten elektrische stroompjes in de hersencircuits. In de wachtfase bijvoorbeeld gaan zowel in de kleine als de grote hersenen de zenuwcellen steeds sneller vuren. De elektrische stroompjes langs de zenuwuitlopers volgen elkaar steeds sneller op.

De Zeeuw: „Het dier is op dat moment aan het nadenken. Hij denkt: er komt dadelijk een geluidssignaal en dan ga ik links likken. Of rechts, afhankelijk van het inputsignaal in de prikkelfase dat hij aan het onthouden is. Hij is zich mentaal aan het voorbereiden. Het is plannen van een beweging – het nemen van een beslissing.”

De Zeeuw: „Vroeger dacht men – eh, ja, dat denkt vrijwel iedereen nog, omdat onze publicatie nog niet uit is – dat de goede reactie, dus links of rechts likken, alleen afhankelijk is van een microcircuit in de grote hersenen. Dat hebben andere onderzoekers eerder gepubliceerd. Maar als het echt gaat om complexe beslissingen, dan heb je meerdere hersengebieden nodig.”

Dat is aangetoond met experimenten waarbij tijdens het wachten de vurende zenuwcellen werden gestoord.

De Zeeuw: „Na zo’n verstoring neemt de vuurfrequentie af. Als je in de grote hersenen stoort en er weer mee stopt, dan kan de muis zich herstellen en alsnog de juiste beslissing nemen. Maar als je in de kleine hersenen stoort tijdens het wachten, dan is er geen herstel meer mogelijk. Als je alleen naar de grote hersenen kijkt, kun je maar een deel van het geheel verklaren. De hele loop tussen kleine hersenen, thalamus, hersenstam en grote hersenen is belangrijk voor het beslissingsproces.”

Het is aan verfijning van meet- en manipulatietechnieken ín de hersenen te danken dat deze activiteit in meerdere hersendelen nu kon worden gekoppeld aan een beslissing. De koppeling tussen activiteit in kleine hersencelcircuits en een uitkomst, zoals een beslissing, ligt nu open voor onderzoek.

De vrije wil

Maar onderzoekers die complexere beslissingen gaan bestuderen, komen uiteindelijk uit bij de vraag wat bewustzijn is. Het bewustzijn is nu nog verborgen in de hersenen. Net als de vrije wil.

De Zeeuw laat de vrije wil even rusten – eerst het bewustzijn maar eens binnen het domein van meetbare wetenschap trekken. „Zo’n muis neemt beslissingen, zoveel is zeker, maar is hij zich daarvan bewust? Ik weet het niet zeker, maar ik denk van wel. Al zal het een stukje minder lang blijven hangen dan bij de mens.”

Kijk nog eens naar de wachttijd in dat experiment, zegt De Zeeuw. „Zit de muis bewust stil? Ik weet het niet. Het dier wacht op het signaal. Hij mag niks doen, anders krijgt hij straf.

„Maar denk eens aan jezelf als je 1,5 seconde moet wachten voor je een beslissing mag uitvoeren. Dan ben je bewust bezig, zeker weten. Wat is dat dan, dat bewustzijn? Is dat die toename van vuurfrequentie en de synchronisatie van meerdere hersengebieden, zoals de grote en de kleine hersenen? En hoe voel je dat?”

Er zijn veel theorieën over het bewustzijn, en over de evolutie ervan. Maar meet het maar eens. Vind het neuronale correlaat maar eens, in de vorm van stroompjes langs zenuwuitlopers, of gesynchroniseerde hersengolven. Wanneer is een proefdier bewust bezig? Kan een mens over zichzelf zeggen dat hij op een bepaald moment wel of niet bewust bezig is?

De Zeeuw: „Volgens mij is kenmerkend dat je je maar van één ding tegelijk echt bewust kan zijn – met ‘tegelijk’ bedoel ik hier overigens: fracties van seconden. Als je goed kan fietsen kun je tegelijkertijd nadenken over een schaakprobleem, dat wel, omdat één van de twee taken geautomatiseerd is. Maar als je nog moet leren fietsen is het heel lastig om tegelijk een schaakprobleem op te lossen. Wanneer je mensen over stoelen laat springen terwijl ze een som moeten uitrekenen, dan duurt dat rekenen veel langer.”

Eén idee is dat er een hersenkern is, diep in de hersenstam, misschien geholpen door andere kernen, die voortdurend het brein af scant en uit alle chaotische informatie en indrukken die daar heersen bepaalt waar je op dat moment aan denkt. Het zoeken is naar de neuronale correlaat van die activiteit. Het zal een soort van synchronisatieproces zijn.

„Het aardige van de theorie van die hersenstamkern is dat je een beetje wegzakt als hij is uitgeschakeld. Je wordt subcomateus. Er is zeker geen consensus over de plaats en de functie van die kern of groep van kernen. Er zijn redelijk onderbouwde speculaties. Maar zolang we het niet zeker weten”, zegt De Zeeuw, „is het extra belangrijk om na te denken over de vraag waarom we niet aan drie dingen tegelijk kunnen denken.”

Terug naar de praktijk. Hoe gaat De Zeeuw achterhalen of een proefdier dat een beslissing neemt ook bewustzijn heeft?

„Je moet de ogenschijnlijke kloof overbruggen tussen beslissingen nemen en bewust handelen. Dat doe je door experimenten complexer en dynamischer te maken. We zijn nu bezig met onderzoek waarbij bijvoorbeeld wordt geleerd om, als er bepaalde plaatjes op een scherm voorbij komen, steeds naar rechts te kijken. Of als een punt van de ene plaats op het scherm naar een bepaalde andere plaats verspringt, moet er even worden gewacht, om daarna weer een bepaalde andere kant op te kijken. Dan heb je een interessante interactie tussen verschillende gebieden in de grote en kleine hersenen. Je kan dan steeds nieuwe associaties aanleren tussen bepaalde plaatjes en handelingen. Tijdens dat proces moet je uiteindelijk relevante signalen kunnen meten die met bewustzijn te maken hebben, die nu nog verborgen zijn.”

    • Wim Köhler