De uitnodigingsbrief 11. Deel I Een algemene kennismaking 15

Transcriptie

1 Inhoudsopgave De uitnodigingsbrief 11 Deel I Een algemene kennismaking 15 1 De ontmoeting 16 2 De zenuwcel (neuron) 23 3 De steuncel (gliacel) 32 3a De stercel (astrocyt) 32 3b De isolatiecel (oligodendrocyt en schwanncel) 35 4 De signaalstof (neurotransmitter) 38 Deel II De rondleiding 45 5 De kruising (optisch chiasma) 46 6 Het hersenvlies (meninges) 51 7 De thalamus 57 8 De achterschors (occipitale cortex) 66 9 De bovenschors (pariëtale cortex) 74 9a De primaire lichaamsschors (somatosensorische cortex) 75 9b De secundaire lichaamsschors 80 9c De spiegelfunctie 86 9d Het waarnemen van ruimte De zijschors (temporale cortex) 94 10a Het evenwicht b Het gehoor c Het begrijpen en produceren van taal d De non-verbale aspecten van de stem en muziek e De sociale waarneming De hersenbalk (corpus callosum) De reuk en de smaak Het gevoelssysteem (limbisch systeem) a De gordelwinding (gyrus cingularis) b Het zeepaard (hippocampus) c De amandelkern (amygdala) d Het tussenschot en de genotskern (septum pellucidum en nucleus accumbens) e De epithalamus f De hypothalamus g De voorste schors (prefrontale cortex) Het eiland (insula) De voorschors (frontale cortex) a De voorste schors (prefrontale cortex) b De premotorische schors c De motorische schors De basale kernen (basal ganglia) De kleine hersenen (cerebellum) De hersenstam (truncus cerebri) Het ruggenmerg (medulla spinalis) Het holtesysteem (ventrikels) 215 Deel III Algemene breinprocessen De hersengolven Het geheugen De plasticiteit van het brein en leren De verschillen tussen de linker en rechter breinhelft De verschillen tussen mannen- en vrouwenbreinen 238

2 26 Het waarnemen Het spiegelsysteem Het bewustzijn en de vrije wil 259 Woordenlijst 266 Bibliografie 275 Links 277 Index 278 Dankwoord 282 Ook u kunt bijdragen 284 De uitnodigingsbrief 1 1 D e u i t n o d i g i n g s b r i e f Een rondleiding door het brein maak je niet elke dag. Middels deze brief nodig ik je als gids uit voor een reis door een bijzonder stukje van het lichaam met een enorme invloed op ons bestaan. We gebruiken permanent de resultaten van ons eigen brein, zonder te weten hoe die tot stand komen. Daarom vind ik het heel speciaal dat ik je mag rondleiden in een van onze grootste mysteries. Je bent bij dezen uitgenodigd in het oog, waar we onze wandeling zullen beginnen. Van daaruit gaan we alle gebieden van het brein bezoeken. Eerst onderzoeken we hoe alle externe signalen via de zintuigen tot ons komen. Daarna richten we ons op de interne verwerking van alle signalen en vervolgens bekijken we via welk proces we tot daden komen. Evolutionaire lijn Mijn verhaal stoelt op de evolutietheorie. Bijzonder is dat de mens in zijn persoonlijke ontstaansgeschiedenis, vanaf de conceptie tot aan de peutertijd, een aantal stappen doorloopt die opvallend veel lijken op de stappen die de menselijke soort tijdens de evolutie heeft afgelegd. Met enige fantasie kan de groei

3 D e u i t n o d i g i n g s b r i e f aanvoelen beschermen plannen overtuigen angst, agressie & honger van het eigen brein gezien worden als een beknopte weerslag van de gehele evolutionaire ontwikkeling. In de baarmoeder begint de mens als eencellig wezen, en de menselijke hersenen lijken in het eerste stadium op die van een zeeanemoon. Daarna tonen de hersenen onder andere een gelijkenis met die van een platworm, een inktvis, een haai, een kikker, een slang en een chimpansee. In deze visie hebben alle breinfuncties een biologische betekenis en een evolutionaire oorsprong. Drie werkwoorden staan hierin centraal: overleven, samenleven en voortplanten. Ze bieden een context voor vele menselijke drijfveren. Om te overleven moeten we gevaren trotseren en voedsel tot ons nemen, waarvoor de mens angst, agressie en honger heeft ontwikkeld. Overleven doet de mens vooral als groepsdier, waarvoor zich coöperatie en competitie hebben ontwikkeld. Om zich te kunnen voortplanten kent de mens seksuele driften en liefde, en zorg voor nakomelingen. Deze drijfveren raken soms met elkaar in conflict, en alleen als hierin een goede mix wordt bereikt kan de soort overleven. Het menselijk brein heeft zich ontpopt als een meesterlijk instrument om het samenspel van deze drijfveren te reguleren. In de recente evolutie (grofweg de laatste tot jaar) wordt verzorgen spreken de ontwikkeling van de mens daarnaast gekenmerkt door het ontstaan van hogere cognitieve functies, zoals taal, planning en manipulatie van voorwerpen en dieren. Dankzij deze hogere functies hebben ook de basale functies zich verder kunnen ontwikkelen. Zo heeft het coöperatie omgaan met gevaar zich verfijnd in bijvoorbeeld controleren, vertrouwen of & competitie vermijden. liefde & seksualiteit Tijdens de rondleiding is er ruimte voor vragen, maar besef daarbij dat het breinonderzoek nog jong is. Veel van wat ik vertel, zal dus binnenkort al weer genuanceerd of zelfs achterhaald worden. Ik wens je alvast een leerzame rondleiding toe. De gids D e u i t n o d i g i n g s b r i e f overleven voortplanten samenleven Basisfuncties, drijfveren en competenties De rondleiding bestaat uit drie delen. In het eerste deel maken we kennis met enkele bewoners van het brein. In het tweede deel zullen we samen door de belangrijkste breingebieden trekken, waarbij ik vertel welke functies daar worden verzorgd. In het derde deel van de rondleiding gaan we in op complexere functies zoals het geheugen, waarneming, leren, sociale processen en bewustzijn.

4 Deel I Een algemene kennismaking

5 Lens 1 De ontmoeting In de uitnodigingsbrief van de gids werd gevraagd me te melden bij het oog. Vanaf de ooglens moet ik helemaal rechtdoor lopen tot het eind. Met het licht in de rug passeer ik een grote bolle ruimte, gevuld met een transparante vloeistof. Eenmaal aan de overkant zie ik een netwerk van bloedvaten en kabels. Daarachter allemaal gangen opgebouwd uit cellen. Deze cellen zijn in de richting van het licht met elkaar verbonden. Evenwijdig aan deze strengen van cellen bevinden Netvlies zich gangen waardoor het licht verder naar achter schijnt. Ik volg zo n gang en ik zie boven en onder me dwarsverbindingen tussen cellen van beide zijden. Helemaal op het eind herken ik de lichtgevoelige cellen, de staafjes en Bloedvaten en zenuwbanen kegeltjes, die het licht registreren. Vreemd eigenlijk dat die helemaal achteraan zitten. Plots zie ik de gids staan Het oog wachten. Hij doet een stap in mijn richting en geeft me een hand. Dan heb ik gelijk een vraag. Waarom beginnen we hier? Wat heeft het oog met het brein te maken? Het oog is een symbolische plek om deze rondleiding te beginnen. Als we in de evolutie gaan zoeken naar de eerste sporen van het brein, dan treffen we die onder andere aan bij de platworm. Die heeft aan weerszijden van de kop een laag lichtgevoelige cellen achter een stukje huid zonder pigment. Die cellen worden beschouwd als de voorgangers van onze ogen en ook van ons brein. Bij een menselijk embryo van vijf weken oud zie je de ogen midden in de tot dan ontwikkelde hersenen Platworm zitten. Evolutionair gezien vormen de ogen dus de bakermat van het brein. Maar ook vandaag de dag vormt het netvlies (retina) nog steeds een onderdeel van het brein. Het netvlies staat bekend als dat deel van het oog dat licht registreert en vertaalt in breinsignalen. Het is echter zeer verfijnd en registreert veel meer dan strikt noodzakelijk is. Het integraal doorsturen van alle signalen zou tot problemen leiden. Daarom vindt hier al een voorselectie plaats. Naast het registreren van licht analyseert het netvlies ook de gegevens en verstuurt alleen het resultaat van de analyse door. Dat zijn precies de drie basisfuncties van het brein: het ontvangen van gegevens, het verwerken van die gegevens en het verzenden van de bevindingen. De oogarts zegt daarom wel eens met enige trots dat het netvlies een volwaardig onderdeel van het centrale zenuwstelsel is. Bij het woord brein denken velen aan het orgaan in de schedel, maar feitelijk heeft het brein uitlopers tot in het puntje van de teen. 1 7 D e o n t m o e t i n g Het doet me genoegen dat ik jouw gids mag zijn in wat volgens mij wel het meest complexe orgaan van het universum is. Ik hoop dat ik een beetje van mijn fascinatie met het brein op je kan overbrengen. We beginnen de rondleiding hier in het oog, en na een korte inleiding zullen we daarna samen de hersenpan bezoeken. Ik zal veel aan het woord zijn, maar als je iets wilt vragen mag je me elk moment onderbreken. Oké? Hadden we dan ook in het oor of in de neus kunnen afspreken? Nee, het oog is in dit opzicht uniek. Bij de andere zintuigen vind wel een registratie van externe prikkels plaats, maar geen verwerking. De gegevens worden daar zonder verdere bewerking via zenuwbanen doorgestuurd. Het verschil heeft waarschijnlijk te maken met de enorme hoeveelheid gegevens die hier verwerkt wordt. Het netvlies is extreem sensitief. In elk oog bevin-

6 E e n a lg e m e n e k e n n i s m a k i n g den zich wel 125 miljoen lichtgevoelige cellen. Als je bedenkt dat een oor maar de verzending dus vele rode signalen, die verderop in het proces weer worden twintigduizend geluidsgevoelige cellen heeft, dan krijg je een idee van het verschil in aantal. Het probleem ligt in het verzenden van de hier verzamelde in- toegevoegd, waardoor de mens toch weer complete vlakken waarneemt. formatie naar andere delen van het brein. De diameter van de zenuwbaan van Nu we hier toch staan, wil ik nog wel een paar bijzonderheden van die kegeltjes en staafjes vertellen, de cellen die licht omzetten in breinsignalen. Zon- het oog naar de schedel is nu al de dikste van alle zenuwbanen, ruim drie millimeter. Als we elk van die lichtgevoelige cellen rechtstreeks zouden doorverbinden, dan zou de zenuwbaan die aan de achterkant het oog verlaat minstens dienen vooral voor het vaststellen van contrasten, de kegeltjes zorgen voor der die cellen kunnen we niets zien. De staafjes registreren de lichtsterkte en twee centimeter dik moeten zijn. Dan zou het oog niet meer kunnen draaien. de waarneming van kleuren. We hebben kegels in drie soorten, de blauwe, groene en rode, die actief worden als er respectievelijk blauw, groen en rood En minder sensoren, zoals bij het oor, is dat geen optie? licht op valt. Mengkleuren nemen we waar doordat meerdere soorten kegels tegelijk reageren in een gebied. Nu is er iets bijzonders aan de hand met de Dat zou natuurlijk kunnen, maar het kijken is met stip het belangrijkste zintuig van de mens. Je zult straks zien dat het brein heel veel werk maakt van het neemt een ietwat andere kleur rood waar dan de andere. Zo n tien procent van rode kegels. Er bestaan namelijk twee verschillende soorten. De ene soort verwerken van de visuele prikkels. Voor de overleving van de menselijke soort de vrouwen bezitten beide soorten rode kegels, alle andere mensen maar één is het kijken van groot belang. Daarom wordt er veel geregistreerd en worden van beide soorten. Je hebt dus vrouwen die een onderscheid tussen die twee de gegevens hier al deels verwerkt. Uiteindelijk wordt slechts een honderdste van de geregistreerde prikkels doorgestuurd. Dus als we een rode Ferrari naast neemt de ene helft van de bevolking de ene kleur rood waar en de andere kleuren rood kunnen maken, een onderscheid dat verder niemand ziet. Daar- zien, dan nemen de ogen vele rode vlakken waar. Duizenden kegeltjes naast helft de andere rood. Omdat niet is uit te leggen wat je precies ziet, kunnen we elkaar registreren allemaal eenzelfde rode kleur. Voor de verdere verwerking ook moeilijk vaststellen wie nu welk rood ziet. van dat vlak volstaat het als alleen de kegels die aan de omtrek van een vlak met dezelfde kleur liggen, een signaal doorgeven. De Ferrari verliest tijdens Dus als twee vriendinnen een rood tasje zoeken dat past bij rode schoenen, dan kan het zo zijn dat de een dan denkt dat een combinatie van kleuren net niet passend is, terwijl de ander ze allebei in precies dezelfde rood kleur ziet? D e o n t m o e t i n g Registratie door het netvlies Prikkelbewerking door het netvlies Verzonden door het oog Ja, dat klopt helemaal. Datzelfde heb je natuurlijk ook bij het bekijken van een schilderij. De een ziet het net weer wat anders dan de ander. Dit verklaart een deel van de smaakverschillen tussen mensen. Nog grotere verschillen zien we bij mensen die kleurenblind zijn. Dat probleem is meestal ook een gevolg van fouten in het netvlies, vooral bij mannen. Ongeveer tien procent van hen mist één soort kegel, de rode of de groene, en dat noemen we gedeeltelijke kleurenblindheid. Een paar procent mist zelfs twee of alle drie de soorten, dan ontstaat volledige kleurenblindheid. In zo n geval zie je alleen maar grijstinten. Veel mensen met gedeeltelijke kleurenblindheid weten dat niet eens van zichzelf.

7 E e n a lg e m e n e k e n n i s m a k i n g Licht Zenuwcellen Staaf Kegel D e o n t m o e t i n g Test voor rood-groenkleurenblindheid Signalen Het netvlies Als je in de bovenstaande figuur geen woord kunt lezen, ben je mogelijk roodgroenkleurenblind. Dus eigenlijk beweer je nu dat mensen door de verschillende bouw van de ogen verschillende dingen waarnemen als ze naar hetzelfde kijken. Ja. En houd er maar rekening mee dat je tijdens de rondleiding steeds vaker geconfronteerd zult worden met gegevens die deze conclusie versterken. Dat wat wij waarnemen, letterlijk voor waar aannemen, is onderhevig aan persoonlijke verschillen, die deels aangeboren en deels aangeleerd zijn. Omdat we er eigenlijk van uitgaan dat onze waarneming correct is, nemen we ook aan dat iedereen op dezelfde manier waarneemt. Juist door deze verschillen in de waarneming ontstaan er de nodige misverstanden tussen mensen. Het is dus een belangrijk thema, waar ik nog regelmatig over zal spreken. Nu wil ik even de aandacht vestigen op de staafjes en de kegeltjes. Je ziet dat die verbonden zijn met andere cellen. Dat zijn al de echte zenuwcellen (neuronen) zoals we die overal in het brein zullen tegenkomen. Het oog herbergt een aantal soorten van die zenuwcellen, die zowel in grootte als in vorm verschillen, maar die in hun werking veel op elkaar lijken. De zenuwcellen die hier in de lengterichting van het licht staan, zorgen vooral voor het doorgeven van signalen vanuit de kegeltjes en staafjes. De cellen die dwars op de gangetjes staan, zorgen vooral voor de onderlinge afstemming die uiteindelijk leidt tot het wel of niet doorsturen van een signaal. Aan de voorzijde bij de bloedvaten, zie je een aantal grotere zenuwcellen. Deze versturen de signalen via uitlopers naar gebieden verderop in het brein. Kun je vertellen waarom die staafjes en kegeltjes achteraan zitten? Zou het niet veel beter werken als die aan de voorzijde van al die zenuwcellen, bedrading en bloedvaten zouden zitten? Dan zou het licht er toch veel beter bijkomen? Hier zien we een direct gevolg van ons evolutionair proces. De lichtgevoelige cellen van de platworm liggen achter de transparante huid waarin zich ook de bloedvaten bevinden. In de loop van de evolutie is het oog steeds verder ontwikkeld, maar aan die oorspronkelijke volgorde is in de stamboom van de mens niets veranderd. Bij andere takken van de stamboom is dat overigens wel gebeurd. De krokodil heeft de staafjes en kegeltjes wel aan de lichtzijde en de bloedvaten erachter. Maar ja, een krokodil moet ook in troebel water zijn voedsel vinden en zou met een menselijk oog waarschijnlijk te weinig zien in die omstandigheden. Aan de andere kant biedt de huidige constructie van het menselijke oog ook enige bescherming bij overbelichting.

8 E e n a lg e m e n e k e n n i s m a k i n g 2 2 Ik stel voor dat ik eerst uitleg hoe een zenuwcel werkt en welke andere soorten cellen in het brein voorkomen. Vervolgens zullen we deze zenuwbanen volgen richting de hersenen en eens kijken waar we dan allemaal uitkomen. 2 De zenuwcel Ik zie overal zenuwcellen (neuronen), maar ze zijn moeilijk van elkaar te onderscheiden omdat er overal draden aanzitten die weer naar andere cellen lopen. Het is zo n gekrioel van draden dat ik me echt afvraag hoe dit zo tot stand is gekomen en hoe dit ooit kan werken. Veel van de cellen hebben een lichaam met daaraan vast uitlopers aan alle kanten. Die uitlopers vertakken zich steeds weer als takjes aan een boom. Andere zenuwcellen hebben de vorm van een inktvis met alle tentakels aan één kant. Opvallend is dat elk uiteinde weer verbonden lijkt te zijn met een andere cel. Ook valt het op dat de lengte van de uitlopers nogal verschilt. De werking van de zenuwcel vormt de kern van alle activiteiten in het brein. Je ziet ze hier al verschillende vormen, maar hun werkwijze is vergelijkbaar. Daarom bespreek ik hier maar één vorm. Het bijzondere van zenuwcellen is dat ze met elkaar kunnen communiceren. Dit communicatieproces kan opgedeeld worden in vier stappen, namelijk het ontvangen, verwerken, versturen en doorgeven van signalen. Helemaal links zie je dat het ontvangen van signalen gebeurt door het cellichaam en de daar ontspringende uitlopers, de dendrieten. Het verwer- Ontvangen van signalen Verwerken van signalen Versturen van signalen Dendriet Startgebied Neuriet Cellichaam Contactpunt Opbouw en functies van de zenuwcel Doorgeven van signalen