Home

Het brein in beweging; over de aansturing van de spieren

Het brein stuurt ons gedrag. Maar hoe maakt het brein precies de bewegingen van onze spieren mogelijk? Er zijn meer dan 600 verschillende spieren die soms met een heleboel tegelijkertijd allemaal het juiste moeten doen. Het blijkt dat er een apart gebied is in de hersenen, de primaire motorschors, dat onze bewegingen coördineert. Maar de werking ervan blijkt niet zo simpel in elkaar te zitten als vroeger gedacht werd...

Ons cognitief systeem wordt vaak onderverdeeld in twee componenten. De ene component heeft alles te maken met onze zintuigen, of anders gezegd onze sensoren, en daarom wordt deze component de 'sensoriek' genoemd. Die afdeling regelt van alles als het gaat om binnenkomende informatie. De andere kant van de zaak wordt soms een beetje vergeten, maar is minstens zo belangrijk. Deze component wordt de motoriek genoemd, en gaat over alle vormen van actie, oftewel handelingen, oftewel: het bewegen van je spieren in allerlei ingewikkelde combinaties (hoeveel verschillende spieren moet je al niet in de juiste volgorde gebruiken om Vader Jacob op de piano te spelen?). Of we nu rennen, zitten, een boek lezen, of zomaar wat om ons heen kijken: voortdurend zijn er allerlei spierbewegingen nodig. Het is niet zo simpel om dat allemaal te coördineren, gelet op het feit dat we meer dan 600 verschillende spieren tot onze beschikking hebben!

De primaire motorschors

Een belangrijke ontdekking in het verleden was, dat in de hersenschors (de dikke laag zenuwcellen waar de hogere cognitieve functies liggen opgeslagen, zie afbeelding 1) er zogenaamde motorische gebieden zijn.

Afb. 1.
Afb. 1.

In deze "primaire motorische schors" bleek er een duidelijke verdeling van spieraansturingen opgeslagen. Een heleboel kleine gebiedjes, allemaal verantwoordelijk zijn voor een ander stel spieren, liggen daar dicht bij elkaar. Elke keer als een bepaalde spiergroep moet bewegen, bijvoorbeeld van je linkerarm, of van je rechterduim, wordt er een speciaal gebiedje in de hersenschors actief. De primaire motorische schors geeft, via wat tussenschakels tot in je ruggenmerg, de commando's die de juiste spieren activeren. Zelf krijgt de primaire motorische schors weer zijn signalen uit de secundaire en tertiaire motorische schors, die wat verderop liggen, en dan zijn er verder natuurlijk allerlei soorten en maten van verbindingen tussen het motorische systeem en het sensorische systeem: immers, daar dient het tenslotte allemaal voor. (Stel je voelt plotseling dat je hand in het vuur zit (sensoriek), dan zou het toch wel handig zijn dat de motorische schors snel de opdracht gaf om je hand terug te trekken (motoriek). Nu is dat feitelijk niet eens zo, want hand-in-het-vuur, dat is zo gevaarlijk dat er op een veel lager niveau, diep in de hersenstam, al direct een koppeling van je huidreceptoren naar een spierbeweging wordt gemaakt: oftewel een reflex. Hetzelfde gebeurt als je in iemands oog blaast en hij knippert automatisch. Maar voor alle meer bedachtzame bewegingen is er een enorm net van verbindingen tussen de sensoriek en de motoriek, voornamelijk in de hersenschors.)

De homunculus

Maar nog veel opmerkelijker was de ontdekking van de onderzoeker Penfield in 1937 dat de manier waarop die gebiedjes daar naast elkaar lagen eigenlijk precies zo verdeeld was als de vorm van het menselijk lichaam zelf! Dat wil zeggen: het 'tong-gebiedje' lag tussen de twee 'lipgebiedjes', het 'middelvinger-gebiedje' lag tussen het 'wijsvinger-' en het 'ringvingergebiedje' en die lagen allemaal weer in de buurt van het 'polsgebiedje', waar het 'onderarm-gebied' juist weer naast lag, enzovoorts enzovoorts. Deze organisatie vormt dus eigenlijk een soort klein mannetje in je hoofd, een afbeelding van je eigen lichaam: de homunculus.

Afb. 2.
Afb. 2.

Afb. 3.
Afb. 3.

Men zegt ook wel: de motorische schors kent een somatotopische organisatie. Daarmee geeft men dan aan dat de organisatie in dat gebied eigenlijk een verkleinde afbeelding van het lichaam zelf is.

Een nieuwe manier van denken

Tegenwoordig wordt er toch al wat genuanceerder gedacht over die homunculus. Het blijkt namelijk dat de nette verdeling van spieraansturingen in de vorm van een klein mannetje in je hoofd toch een iets te ideale voorstelling van zaken is. Dat lijkt op een vergelijkbare verandering in de manier van denken, die je ook in andere wetenschappen tegenkomt. Vroeger bijvoorbeeld dachten mensen dat een spermazaadje eigenlijk een heel klein mannetje was (ook een soort homunculus), dat dan alleen nog maar groter moest worden in de baarmoeder van de vrouw. Nu vinden we dat natuurlijk belachelijk. Maar het geeft aan dat er vroeger vaak werd gedacht dat iets wat groeit of ontstaat in de natuur, altijd al in het klein al helemaal klaar moest zijn. Tegenwoordig wordt er veel meer gedacht in termen van 'interactie': In het voorbeeld van de groeiende baby wil dat zeggen dat allerlei kleine cellen met elkaar in aanraking komen en langzamerhand ontstaat er dan al groeiende een baby. Elke cel hoeft niet op voorhand al bestemd te zijn voor een bepaald stukje van de baby, dat ontstaat pas tijdens het groeien in de baarmoeder door alle 'interacties' die al die cellen met elkaar hebben. Iets dergelijks zie je ook in de cognitieve neurowetenschap. Vroeger dacht men dus dat een spierbeweging al helemaal kant en klaar in de hersenen (in de homunculus) moest opgeslagen liggen. In plaats daarvan denkt men nu dat allerlei hersengebieden voortdurend met elkaar communiceren. Uit dat complete netwerk van activiteit komt dan een georganiseerde beweging te voorschijn.

Het idee van de homunculus opnieuw bekeken

Al in de oorspronkelijke onderzoeken van de wetenschapper Penfield kon je zien dat er een enorme overlap was tussen de verschillende ledematen van de homunculus (te zien in afbeelding 4).

Afb. 4.
Afb. 4.

Zo zie je in het rechterplaatje dat het gebiedje verantwoordelijk voor het bewegen van de mond (stippellijn: Mouth) voor een groot deel overlapt met het gebied dat de hand moet aansturen (kleine stippels, Hand). Als het zo simpel was als de homunculus-theorie zegt, dan zou je dus elke keer tegelijkertijd je hand en je mond bewegen, als die groep hersencellen actief zou worden. Aangezien je doorgaans prima je hand en mond afzonderlijk kunt bewegen moet het systeem ingewikkelder in elkaar zitten. Meer en meer onderzoek heeft nu tot een aantal algemene principes geleid, die je als kanttekeningen bij de homunculus-theorie zou kunnen zien:

Afb. 5.
Afb. 5.

1. Bundeling van signalen: Vaak is een wijdverspreide groep neuronen allemaal verbonden met een en dezelfde spier [zie afbeelding 5, blauw].
2. Verspreiding van signalen: Tegelijkertijd is één enkel neuron, gek genoeg ook weer verbonden met een heleboel verschillende spieren [zie afbeelding 5, rood].
3. Onderlinge Connecties: De gebiedjes in de hersenschors zijn niet alleen met spieren, maar vaak ook nog met elkaar verbonden [zie afbeelding 5, paars].
4. Plasticiteit: De mooie verdeling van de spieren in de motorschors blijkt erg aan verandering onderhevig te zijn. Zo blijkt dat bij professionele pianospelers de gebieden die gekoppeld zijn aan de vingers vele male groter zijn dan bij amateur-pianospelers. En in studies waar men personen liet trainen op een taakje (bijvoorbeeld een bepaald ritme tikken op de tafel) bleek dat die vergroting niet al bij de geboorte aanwezig was geweest: deze mensen hadden eerst een normaal 'vingergebied', maar na het trainen was hun vingergebiedje al een stukje groter geworden! Deze flexibele aanpassing van de hersenschors aan de veranderende omstandigheden noemt men 'plasticiteit'. Op het moment dat een getrainde spier een vergroot gebied veroorzaakt, worden andere gebieden vaak een beetje kleiner. Er wordt dus een soort 'landjepik' bedreven door de motorschors-gebieden, en wie het meeste aandacht krijgt van de spieren, die wint. Dit is overigens een logisch mechanisme als je bedenkt dat het een onderdeel is van een biologisch systeem: het lijkt eigenlijk wel een beetje op een soort mini-evolutie, een 'survival of the fittest' van motor-gebiedjes in het brein.

Conclusie

Op deze manier zie je dat de aansturing van de spieren erg ingewikkeld in elkaar zit. De verbindingen lopen niet 'één-op-één', van de homunculus naar het echte lichaam. Meer is het zo dat er een netwerk is van gebiedjes die allemaal met elkaar en met allerlei spieren communiceren, en dat er als een soort mini-evolutie een goed-georganiseerd geheel uit tevoorschijn komt. Het voordeel hiervan is dat het systeem erg flexibel is. Het kan zich snel aanpassen, het kan nieuwe dingen leren, en als er een verbinding kapot gaat, kunnen andere verbindingen het toch vaak nog overnemen.

Voor de toekomst

Veel van deze kennis komt van onderzoek dat is gedaan bij apen. Dat zijn niet zulke fijne onderzoeken als je een dierenliefhebber bent. Onder andere worden er elektrodes in de hersenen geďmplanteerd, zodat direct de hersenactiviteit gemeten kan worden. Vervolgens moet de aap allerlei vervelende taakjes doen. Gelukkig biedt de toekomst diervriendelijke proeven: namelijk met mensen! Mensen vinden het meestal wel leuk om taakjes te doen (rare dieren toch, mensen) en we hoeven er ook geen elektrodes voor te implanteren, want veel van dit onderzoek wordt momenteel gedaan met behulp van scanningtechnieken zoals fMRI (functionele magnetische resonantie imaging) en MEG (magnetisch encefalografie). Een voorbeeld hiervan zie je hieronder. In het getekende plaatje (afbeelding 6) zie je waar in de motorcortex activiteit optreedt bij bepaalde bewegingen van je vingers.

Afb. 6.
Afb. 6.

Nu moet je nooit alles geloven wat ze in zo'n boek zo mooi tekenen. Daarom het levende bewijs geleverd in een ander plaatje (afbeelding 7): dit is de activiteit van Jelles eigenste rechtervinger, terwijl hij in de MRI-scanner lag op het F.C. Donders Centrum in Nijmegen.

Afb. 7.
Afb. 7.

Je moet het als volgt bekijken: elk plaatje is een horizontale doorsnede door Jelles brein. Linksboven is het de meest onderste doorsnede, en dan loopt het gewoon met de leesrichting mee op naar het laatste plaatje rechtsonder, dat zit helemaal bovenin zijn hoofd. Zo zie je in de laatste plakjes op de onderste rij de meeste activiteit, dat klopt ook wel ongeveer als je het met het homunculusplaatje vergelijkt. Nog wel een geniepigheidje: Als je met je rechtervinger beweegt, verwacht je normaalgesproken dat de activiteit van de hersenen aan de linkerkant optreedt. Want zoals bij bijna alle functies is ook het motorsysteem gekruist: je rechterhand wordt aangestuurd door gebieden in je linker-motorschors. In het plaatje lijkt dat niet te kloppen, maar om een of andere vreemde reden draaien neurowetenschappers die plaatjes altijd weer om, je kijkt nu dus eigenlijk van onderen tegen de hersenen aan, en dan is links dus rechts en omgekeerd. Pas daar dus altijd mee op als je zulke plaatjes te zien krijgt! Afijn, zoals mijn juf altijd zei: je rechterhand is waar je duim links zit!

Tips voor experimenten

1. Onderzoek het grijpgedrag van een baby/peuter (bijvoorbeeld een broertje of zusje?). Onder begeleiding van een ouder test je (door spelletjes te spelen de baby/peuter) op welke manieren de baby/peuter een klein object, bijvoorbeeld een bijtring, vastpakt. Zie je veranderingen, na verloop van tijd (weken)? Zijn de veranderingen geleidelijk, of is er een plotseling moment dat de baby ineens veel meer kan? Als je de beschikking hebt over een videocamera neem je alle sessies op, zodat je later precies kunt uitschrijven wat de baby allemaal doet, wat hij kan en wat hij nog niet kan, en wat de vooruitgang was. Kijk voor ideeën over de precieze vragen die je wilt onderzoeken hier:
http://www.kidsii.com/websites/kids2/html/ptl-tod-mot.htm
http://www.childdevelopmentinfo.com/development/normaldevelopment.shtml
http://www.drspock.com/article/0,1510,4871,00.html

2. Onderzoek een spierreflex (zie boven), zoals de kniepees-reflex. Hier heb je wel wat apparatuur voor nodig, want je moet een manier hebben om heel precies te meten hoe snel je knie reageert. Hier vind je al een compleet experiment met de kniepees-reflex: http://www.ithaca.edu/faculty/asmith/knjk.html
Je kunt samen met de docent van natuurkunde/informatica/techniek kijken of je de opstelling kunt nabouwen. Het gaat erom dat je een drukknopje (als van een deurbel) op een rubberhamer monteert, zodanig dat als de hamer ergens opslaat, het knopje wordt ingedrukt, wat vervolgens een signaal aflevert aan de computer, of een ander apparaat dat de tijd kan noteren. Als dat lukt, kun je de kniepeesreflex meten! Kijk hier voor meer info:
http://www.dushkin.com/connectext/psy/ch02/spinal.mhtml
http://virtual.yosemite.cc.ca.us/dward/physo101/lab_spinal.htm
http://faculty.washington.edu/chudler/chreflex.html


Auteurs: drs. Jelle van Dijk en drs. Nienke van Atteveldt


Relevante links op internet

Atlassen, kaarten, naamgeving van de hersenen:
http://www.med.harvard.edu/AANLIB/home.html
http://braininfo.rprc.washington.edu/mainmenu.html
http://www.anatomy.wisc.edu/anatomy.htm
http://www.anatomy.dal.ca/html/Human.Neuroanatomy/index.html
http://www.med.harvard.edu/AANLIB/home.html

De motorschors:
http://www.blackwellscience.com/11thhour/matt/about/u4c13a.html

De bekendste stoornis van het motorsysteem: parkinson (Nederlands)
http://www.spin.nl/park0301.htm
http://people.zeelandnet.nl/genugten/

Apraxie: Het onvermogen om vrijwillige bewegingen te maken, terwijl er geen sprake is van verlamming. Onderstaande link gaat daarover:
http://www.braincampus.com/npsych/apraxia.html

Reorganisatie van de motorschors tijdens Aikido?!
http://www.aikidofaq.com/essays/article2.html

 

Klik op 'NIBI' (in de groene balk bovenaan) voor een overzicht van de beschikbare NIBI-artikelen