Home

Cognitieve neurowetenschappen: de biologie van denken, taal en bewustzijn

Al sinds de negentiende eeuw zijn er allerlei zeer verschillende soorten wetenschappers ieder op hun eigen manier bezig met onderzoek naar het menselijk brein. In de loop der tijd zijn deze onderzoekers gaan inzien dat ze het uiteindelijk allemaal over hetzelfde hebben. Mede door de ontwikkeling van nieuwe technieken om hersenen in levende lijve te onderzoeken (bijv. fMRI), is er de laatste jaren een sterk toenemende belangstelling voor het brein. Het gevolg is het ontstaan van een geheel nieuw vakgebied: de cognitieve neurowetenschappen, waarin alle verschillende soorten van onderzoek worden gecombineerd om de mysteriŽn van het menselijk brein eindelijk te kunnen ontrafelen.

Cognitieve neurowetenschap is het vakgebied dat kennis uit de biologie, de psychologie en de geneeskunde met elkaar combineert. De vraag die cognitieve neurowetenschappers voornamelijk bezighoudt, is hoe de werking van hersencellen tot de zeer uiteenlopende hersenfuncties† kan leiden. Hoe zorgen neuronen ervoor dat wij belangrijke dingen kunnen onthouden, terwijl we onbelangrijke dingen meteen vergeten? Hoe beslissen neuronen wat belangrijk is en wat niet? Of hoe zorgen onze hersenen ervoor dat wij kunnen praten, rekenen en schrijven? En de vraag die vaak het boeiendst blijkt, maar waarop het antwoord het verst te zoeken blijft: wat is de neuronale basis van (zelf)bewustzijn?†

Een apart hersengebiedje voor elke functie?

Een van oudsher aangehangen idee is dat delen van de hersenen onafhankelijk werken, en daarin elk een eigen functie voor hun rekening nemen. Zo zou er een gebiedje zijn voor taal, een voor geheugen, en misschien dan ook wel een voor bewustzijn.
Dit idee stamt al uit de 19e eeuw, toen de leer van de frenologie opkwam. De bedenker van deze leer was de Oostenrijkse neuro-anatomicus Franz Joseph Gall. Het viel hem op dat de studenten die nogal goed in taal waren allemaal wat uitpuilende ogen hadden. Zie daar, dacht Gall, het taalcentrum in de hersenen ligt precies achter de ogen. En omdat het taalcentrum bij deze studenten natuurlijk groter is, want ze zijn immers beter in taal, drukt dit gebied de ogen enigszins naar voren. Op deze manier ontstond de frenologie. Deze leer ging er dus van uit dat je aan de hand van knobbels op de schedel de plaats van hersenfuncties kon vaststellen. Een knobbel op de schedel zou gevormd worden door het onderliggende hersenweefsel. Je zou deze leer dus ook "knobbelkunde" kunnen noemen (zie afbeelding 1).

Afb. 1.
Afb. 1.

Uit deze leer stammen de woorden "wiskundeknobbel", of "talenknobbel", immers, als je een knobbel op de wiskunde-plaats hebt zitten, zullen daar je hersenen wel groot moeten zijn, en ben je goed in wiskunde. Hoe leuk dit idee ook klinkt, het kan echter moeilijk een wetenschappelijke leer genoemd worden, en de ideeŽn zijn ook nooit op juistheid getest. Een leuk detail uit deze tijd is dat een bepaalde groep frenologen vooral geÔnteresseerd was in schedels van geniale mensen, om vast te kunnen stellen waar speciale talenten gelokaliseerd waren. Zo werd een tijd lang van vele beroemde mensen het hoofd uit het graf gehaald om op knobbels te onderzoeken.(voor wie hier een spannend verhaal over wil lezen, zie "Het hoofd van Haydn" van de schrijver Theun de Vries).
Ook al was de frenologie niet helemaal wetenschappelijk verantwoord, het idee dat verschillende hersenfuncties op verschillende plaatsen in de hersenen zitten, was geboren. Dit wordt de localisatieleer, of localisationisme, genoemd. Veel bewijs voor de lokalisatieleer kwam hierna van wetenschappers, veelal neurologen, die patiŽnten bestudeerden die een hersenbeschadiging (oftewel: een laesie) hadden opgelopen. Twee bekende namen op dit gebied zijn Paul Broca en Carl Wernicke. Paul Broca beschreef een patiŽnt die na een beroerte niet meer normaal kon spreken (hij kon alleen nog maar tan tan zeggen), maar wel nog taal kon begrijpen. Toen deze patiŽnt overleed hebben ze zijn hersenen onderzocht en hij bleek schade te hebben in zijn linker voorste (frontale) hersenkwab, dit gebiedje wordt tegenwoordig Broca's gebied genoemd. Vlak hierna beschreef Carl Wernicke een patiŽnt die zo'n beetje het omgekeerde patroon vertoonde: deze patiŽnt kon nog vloeiend praten, maar wat hij zei betekende niets, en hij kon ook niet meer begrijpen wat een ander zei. Van deze patiŽnt was dus het taalbegrip verstoord, terwijl bij Brocas patiŽnt juist de taalproductie verstoord was. Wernicke's patiŽnt bleek hersenschade te hebben in het achterste deel van zijn linker slaap (temporale) kwab, een gebiedje wat nu bekend staat als Wernicke's gebied.
De bevindingen van beide neurologen toonden aan dat twee laesies op zeer verschillende plaatsen in de hersenen kunnen leiden tot zeer specifieke stoornissen: in dit geval taalproductie en taalbegrip. Meer algemeen toonden de stoornissen van neurologische patiŽnten aan dat zeer plaatselijke schade in de hersenen leidde tot zeer specifieke uitval van functies, hetgeen lokalisatie van hersenfunctie aannemelijk maakt.
De volgende stap die het hersenonderzoek doormaakte was het nader bestuderen van de hersenschors (oftewel de grijze stof, waar de cellichamen van de neuronen zich bevinden). De bekendste man die zich hieraan waagde was Korbinian Brodmann, die met behulp van microscopische methoden de celtypen in verschillende hersen-gebieden bestudeerde. Op basis van wat hij vond verdeelde hij de hersenschors in 52 verschillende gebieden, een indeling die heden ten dagen nog steeds wordt gebruikt (zie afbeelding 2).

Afb. 2.
Afb. 2.

De eerder genoemde gebieden van Broca en Wernicke, komen overeen met respectievelijk Brodmann gebied 45 en 22. De hersenschors was in kaart gebracht, en dit gebeurde in het jaar 1909.

Het geheel is meer dan de som der delen over de holisten

Maar ondertussen (eind 19e eeuw) waren er ook wetenschappers die zich verzetten tegen de localisatieleer, waaronder de Duitse hersenfysioloog Friedrich Goltz en zijn student Charles Scott Sherrington. Zij behoorden tot de zogenaamde holisten of globalisten, en dachten niet dat je de hersenen op kan delen in onafhankelijk functionerende gebiedjes, maar zagen het brein als een dynamsich en interactief systeem. Een belangrijke gedachte die bij deze stroming hoort is dat het geheel meer is dan de som der delen. Dus door alleen het bestuderen van de afzonderlijke delen, weet je niet wat er gebeurd als de delen interacteren, je weet niet wat het gehele systeem doet.
Een argument tegen localisatieleer was dat er grote variabiliteit bleek te bestaan in hersen localisatie op basis van laesie-studies. Laesies op dezelfde plaats konden bij verschillende personen tot verschillende symptomen leiden, terwijl gelijksoortige symptomen veroorzaakt konden worden door verschillende laesies. Dit leidde onder andere tot het inzicht dat voorzichtigheid geboden is bij het trekken van conclusies uit laesie-studies. Het hoeft namelijk niet zo te zijn dat er een ťťn op ťťn relatie bestaat tussen een laesie en een symptoom, dus dat het beschadigde gebied alleen gespecialiseerd is in de functie die uitgevallen is. Het symptoom kan namelijk ook veroorzaakt worden door het verstoren van de samenwerking tussen gebieden. En wat men vroeger niet wist, is dat zelfs de hersenen van volwassen mensen nog in grote mate in staat zijn tot herverdeling van functies (dit wordt plasticiteit genoemd), dus dat het beschadigde brein een nieuw systeem is en niet precies meer het oude brein is met een stukje dat is uitgevallen. Dit is typisch een holistisch gezichtspunt: als je een beschadigd brein kunt zien als een nieuw systeem, gaat het dus om het geheel, en niet om de afzonderlijke delen. Het debat tussen localisatie-wetenschappers en holisten duurt voort tot op de dag van vandaag.

De neurontheorie, oftewel de ontdekking van de zenuwcel

Tot het begin van de twintigste eeuw had men eigenlijk nog geen idee van het feit dat hersenen zijn opgebouwd uit van elkaar gescheiden eenheden, de neuronen, en hoe neuronen eruitzagen en werkten. De gangbare theorie in die tijd was de netwerktheorie, waarin het zenuwstelsel werd gezien als een vertakt systeem van in elkaar overgaande zenuwcellen. De zogenaamde neurontheorie (neuron doctrine) werd uitgewerkt door de Italiaan Golgi en de Spanjaard Cajal. De kleinste eenheden waaruit ons zenuwstelsel is opgebouwd, werden ontdekt en bestudeerd. En zoals altijd het geval is, leidde deze nieuwe ontdekking weer tot tientallen nieuwe vragen. De ontdekkingstocht naar de werking, en vooral ook de samenwerking, van neuronen begon. Immers, als bekend is hoe de kleinste eenheden werken en interacteren, kan uiteindelijk opgelost worden hoe hersenfuncties, zoals taal en denken, tot stand komen.
Helaas is het niet zo eenvoudig als het lijkt. Denk ten eerste al maar aan de enorme hoeveelheid neuronen in het menslijk brein, dit zijn er miljarden. Het is een onhaalbare opgave om van allemaal uit te vinden wat ze doen en met welke andere neuronen ze samenwerken. Daarnaast is het nog niet zo eenvoudig om menselijke neuronen te bestuderen. Als je namelijk wil onderzoeken hoe levende neuronen werken, zul je met elektroden (dat zijn hele dunne metalen staafjes, waarmee je elektrische signalen kunt meten) in de hersenen moeten prikken van levende mensen. Je kan je vast wel voorstellen dat je dan niet veel proefpersonen zult vinden! Dit soort onderzoek gebeurt overigens wel met dieren, bijvoorbeeld met muizen en ratten, maar ook met katten en apen. Deze methode heet single cell recording, omdat je signalen meet van enkele zenuwcellen.
Door het bestuderen van dood hersenweefsel kunnen geen functionele eigenschappen worden achterhaald, omdat je hersenen nou eenmaal niet meer functioneren als je dood bent. Een recente ontwikkeling binnen het cognitief neurowetenschappelijk onderzoek is het ontstaan van geavanceerde beeldvormings technieken (brain imaging, dit wordt later nog uitgelegd). Hiermee is het op een veilige manier mogelijk om hersenen van levende mensen te bestuderen. Dankzij deze nieuwe technieken, waaronder fMRI (functionele magnetische resonantie imaging) is het dus wel mogelijk om functionele eigenschappen van het menselijk brein te onderzoeken.

Andere disciplines die het menselijk brein wilden verklaren: over het ontstaan van de cognitieve psychologie

De theorieŽn en onderzoeken die tot nu toe beschreven zijn, vonden allen plaats vanuit de geneeskunde. We hebben gezien dat vanaf de 19e eeuw, er veel ontdekkingen zijn gedaan over de hersenen. De neurontheorie leert ons over het bestaan en de werking van neuronen. Er wordt in dit onderzoeksveld nog veel onderzoek gedaan, tegenwoordig wordt dit onder de neurowetenschappen of neurobiologie geplaatst.
We hebben ook gezien dat er nog geen eenstemmigheid is over hoe het brein als geheel werkt. Twee extreme ideeŽn hierover zijn de localisatieleer, waarbij er van wordt uitgegaan dat hersenfuncties afzonderlijk worden uitgevoerd op verschillende locaties in de hersenen, en het holisme, waarin het brein als dynamisch en interactief geheel gezien wordt. Hoewel het voor het begrijpen van de werking van de hersenen belangrijk is om te weten hoe de afzonderlijke delen (met als kleinste eenheid de neuronen) werken en interacteren, is het waarschijnlijk niet mogelijk om alleen met neurobiologisch onderzoek de werking van de hersenen op functioneel niveau te verklaren. Omdat de som vaak meer is dan de som der delen, is het moeilijk om vanuit de werking van het neuron te voorspellen hoe grotere hersenstructuren werken, laat staan ons hele brein.
Er waren echter nog meer disciplines die zich met het menselijke brein bezighielden. Als eerste was er de filosofie, die zich vooral bezig hield met de menselijke geest, en de aard van kennis. Een belangrijke stroming was het empirisme, waarin er van uit gegaan werd dat al onze kennis voortkomt uit de empirie (het waarnemen), d.w.z. uit sensorische ervaringen. Hoe simpele ervaringen tot complexe gedachten kunnen leiden, komt volgens de empiristen door associatie. De leer die hier uit voort komt heet dan ook de associatieleer. Bekende empiristen uit de 19e eeuw zijn bijvoorbeeld John Locke en David Hume.
De experimentele psychologie werd in die tijd sterk beÔnvloed door de associatieleer uit de filosofie. Het overheersende denkbeeld in de psychologie was het behaviorisme (afgeleid van het Engelse woord behavior, wat gedrag betekent): elk soort gedrag werd gezien als een aangeleerde associatie tussen stimulus en respons. Deze associaties werden aangeleerd door middel van straf en beloning. Neem bijvoorbeeld het gedrag bal vangen, wat je volgens de behavioristen kunt zien als een geleerde associatie tussen de aankomende bal (de stimulus) en het vangen ervan (de respons). Je leert deze associatie doordat je gestraft† wordt als je de bal niet vangt (dan krijg je de bal in je gezicht), en doordat je beloond wordt als je de bal wel vangt (dan heb je lol in het overgooien, of misschien win je zelfs wel een basketbal wedstrijd).
Rond 1950 kwam het inzicht dat complexe functies, zoals taal, toch echt niet op deze manier geleerd konden worden. Men begon na te denken in termen van cognitie. Cognitie betekent lettterlijk: kenvermogen, oftewel het vermogen om kennis te hebben. Vroeger dacht men dat alleen mensen cognitie hadden. Nu wordt door de meeste onderzoekers aangenomen dat bijvoorbeeld katten ook cognitieve wezens zijn, maar dan wel weer wat minder uitgebreid dan mensen. Over allerlei andere dieren is men minder zeker. Koeien en paarden, en zelfs een veldmuisje: okť. Maar wat te denken van zeeslakken? Of regenwormen? Of fruitvliegjes? We weten het simpelweg niet, maar hoe meer we weten over de werking van de hersenen, hoe preciezer we zulke vragen kunnen beantwoorden.
Cognitie kan gezien worden als datgene (bijvoorbeeld: de denkprocessen) wat zich afspeelt tussen de sensorische informatie (de stimulus) en het gedrag (de respons). George Miller was een van de eersten die inzag dat de psychologie geen gedrag moest bestuderen, maar cognitie. De cognitieve psychologie was ontstaan.

Cognitieve neurowetenschappen: een overkoepelende wetenschap

Dezelfde George Miller was mede verantwoordelijk voor de benaming van het relatief nieuwe onderzoeksveld de cognitieve neurowetenschappen. Het verhaal gaat dat in de zeventiger jaren, George Miller en een andere bekende cognitieve psycholoog Michael Gazzaniga, samen in een taxi in New York op deze benaming kwamen.
Er was behoefte aan een nieuwe onderzoeksveld, omdat er een nieuwe missie volbracht moest worden in het hersenonderzoek. En deze nieuwe missie oversteeg elk onderzoeks- veld afzonderlijk, de hiervoor beschreven neurowetenschappen en cognitieve psychologie moesten worden samengebracht. Een derde belangrijke deelnemer aan de cognitieve neurowetenschappen die nog niet eerder genoemd is, is de computerkunde. In dit veld worden onder andere wiskundige modellen ontworpen die de samenwerking tussen neuronen simuleren (neuronale netwerkmodellen). Op deze manier kan bedacht en getest worden hoe de hersenen berekeningen uitvoeren, of associaties kunnen leren.
De kracht van de cognitieve neurowetenschappen is precies dit: dat verschillende onderzoeksvelden worden gecombineerd die op zichzelf niet het antwoord kunnen geven op de in de inleiding gestelde vragen. De problemen worden op verschillende niveaus benaderd: op kleinschalig niveau vanuit de neurowetenschappen die fysiologische en chemische processen bestudeert op neuron-niveau, op functioneel niveau door de cognitieve psychologie waarin voornamelijk de normale en verstoorde cognitieve functies worden bestudeerd zonder deze direct op de onderliggende hersenprocessen te betrekken, en de computerkunde die op het niveau van berekeningen (computaties) probeert te achterhalen hoe bepaalde functies uitgevoerd kunnen worden.
De cognitieve neurowetenschappen koppelt dus de bevindingen op neuron-niveau aan de bevindingen uit computer-simulatie-onderzoek, en beiden weer aan de normale of verstoorde cognitieve functies. Als bevindingen en daaruit opgestelde theorieŽn op alle niveaus kloppen, is er een grote kans dat het ook echt zo is.

Hot items in de cognitieve neurowetenschappen

Zoals gezegd worden er in de cognitieve neurowetenschappen allerlei soorten onderzoek gedaan op diverse gebieden. Hieronder volgt slechts een kleine greep uit de hot items van vandaag in dit spannende vakgebied:
∑†††††††Waarneming (perceptie): zien, horen, voelen, proeven en ruiken
∑††††††† Taal: spreken, luisteren, maar ook begrijpen
∑††††††† Motoriek: bewegen, dit heeft veel te maken met waarnemen (iets pakken wat je ziet)
∑††††††† Geheugen: het selectief onthouden van belangrijke dingen
∑††††††† Emotie: blij of verdrietig zijn
∑††††††† Plasticiteit: leren, of herstel na een hersenbeschadiging
∑††††††† Netwerken van neuronen: verbindingen en samenwerking
∑††††††† Bewustzijn: van waarnemingen (weten), of van jezelf (weten dat jij het bent die weet)

Er zijn ook cognitieve neurowetenschappers die niet met een bepaald onderwerp van de hersenen bezig zijn. Wat zij vooral willen weten is hoe het brein nou in zijn algemeenheid werkt. Is er een algemeen principe dat aan al die verschillende processen ten grondslag ligt? Is er een soort hersenwet, die altijd opgaat? Een voorbeeld van zo'n hersenwet is de localisatieleer.
Van alle verschillende onderwerpen waar ontzettend interessante dingen over te vertellen zijn is er ťťn uitgekozen: het motorische systeem. Als je dit interessant lijkt, lees dan het stukje "Het brein in beweging; over de aansturing van de spieren" van Jelle van Dijk en Nienke van Atteveldt.


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


Relevante links op het 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

Frenologie-pagina's:
http://pages.britishlibrary.net/phrenology/
http://www.epub.org.br/cm/n01/frenolog/frenologia.htm

Neurowetenschappen algemeen:
http://faculty.washington.edu/chudler/neurok.html

De Neuron Doctrine:
http://psych.utoronto.ca/~mcdonald/2902a_files/frame.htm

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