Consciousness = learning? The role of recurrent processing in perceptual learning

Transcriptie

1 UvA-DARE (Digital Academic Repository) Consciousness = learning? The role of recurrent processing in perceptual learning Meuwese, J.D.I. Link to publication Citation for published version (APA): Meuwese, J. D. I. (2014). Consciousness = learning? The role of recurrent processing in perceptual learning. General rights It is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Disclaimer/Complaints regulations If you believe that digital publication of certain material infringes any of your rights or (privacy) interests, please let the Library know, stating your reasons. In case of a legitimate complaint, the Library will make the material inaccessible and/or remove it from the website. Please Ask the Library: or a letter to: Library of the University of Amsterdam, Secretariat, Singel 425, 1012 WP Amsterdam, The Netherlands. You will be contacted as soon as possible. UvA-DARE is a service provided by the library of the University of Amsterdam ( Download date: 08 Jul 2019

2 Nederlandse samenvatting NEDERLANDSE SAMENVATTING Een neurale definitie van bewustzijn Wanneer is men zich bewust van zijn of haar omgeving, en hoe komt dit bewustzijn tot stand? Tot op heden zijn deze fundamentele vragen onbeantwoord. Men kan immers (nog) niet in andermans hoofd kijken om te zien waarvan diegene zich bewust is en waarvan niet. Daarom wordt er in veel onderzoek naar bewustzijn afgegaan op gedrag: wat mensen zelf naar buiten brengen over hun ervaringen, bijvoorbeeld met behulp van taal of door middel van het indrukken van een responsknop. Deze benadering is echter problematisch, omdat je daarmee bewustzijn gelijk stelt aan cognitieve functies die nodig zijn om ervaringen naar gedrag te vertalen, zoals aandacht, (werk)geheugen, het maken van beslissingen en taal. Hoewel het geen twijfel lijdt dat men zich bewust is van datgene wat in het middelpunt van de aandacht staat, zijn er veel aanwijzingen dat het brein ook zonder aandacht (en andere cognitieve functies) ervaringen verwerkt. Bovendien is het onduidelijk waar dan de grens ligt: welke gedragingen gelden als een teken van bewustzijn, en welke niet? Is iemand die zich niet goed kan uiten (bijvoorbeeld vanwege afasie) zich ook minder bewust van zijn of haar omgeving? Het is wel duidelijk dat er hier iets wringt: enkel afgaan op gedrag geeft een te beperkt beeld van bewustzijn. Gelukkig worden de technieken waarmee men in andermans hoofd kan kijken steeds geavanceerder. Met functional magnetic resonance imaging (fmri) kunnen er bijvoorbeeld nauwkeurige filmpjes gemaakt worden van welke hersengebieden er op welk moment actief zijn. Kunnen we deze technieken misschien gebruiken om het bewustzijn te onderzoeken, losgekoppeld van aandacht en andere cognitieve functies die nodig zijn voor het rapporteren van ervaringen? En zouden we op die manier bewustzijn op een fundamenteler niveau kunnen begrijpen? Om een eerste stap hierin te zetten, heeft Victor Lamme een neurale definitie van bewustzijn voorgesteld, waarbij er onderscheid wordt gemaakt tussen twee soorten processen in de hersenen: de onbewuste feedforward sweep (FFS) en bewuste recurrente processen (RP). De initiële golf van neurale activiteit, de FFS, zorgt ervoor dat sensorische input (afkomstig van een stimulus) van lage naar hiërarchisch hogere gebieden van het brein reist, waar de eigenschappen van deze stimulus op een steeds complexer niveau ontleed worden. Hoe hoger je komt in het brein, hoe groter de receptieve velden van de neuronen, oftewel hoe groter het stukje van de wereld is dat ieder neuron ziet. Neuronen in het laagste visuele hersengebied, de primaire visuele cortex (V1), reageren in dit stadium alleen maar op de oriëntatie van lijnelementen, terwijl hogerop, in bijvoorbeeld de inferieure temporele cortex door een enkele neuron volledige gezichten kunnen worden gedetecteerd. Echter, de FFS werkt als een soort automatische reflex, en lijkt niet voldoende te zijn voor een bewuste ervaring. Omdat er tijdens de FFS nog geen terugkoppeling plaatsvindt tussen verschillende hersengebieden, kan er nog geen informatie geïntegreerd worden. Daarnaast is de FFS altijd aanwezig, ook voor stimuli die niet gedetecteerd worden, en zelfs in apen die onder narcose zijn. Welk neuraal proces zorgt dan wél voor bewustzijn? Een goede kandidaat 169

3 zijn de RP, die volgen op de FFS. RP moet je zien als feedback die vanaf hogere hersengebieden lagere gebieden heractiveert. Deze heractivatie is nodig voor de integratie van sensorische informatie tot een coherent percept. Nu kan een neuron in V1 verder kijken dan zijn receptieve veld groot is, en weet hij op welk onderdeel van de bigger picture zijn receptieve veld zich bevindt. In tegenstelling tot de FFS zijn RP niet altijd aanwezig: alleen voor stimuli die gedetecteerd worden, en niet in apen die onder narcose zijn. RP, oftewel feedbackprocessen in het brein, lijken daarmee een onmisbaar ingrediënt te zijn voor bewustzijn. Waar blijft aandacht dan in dit verhaal? Aandacht beïnvloedt de diepte van de neurale verwerking, het brein heeft tenslotte maar een beperkte capaciteit om chocola te maken van de buitenwereld. Maar aandacht staat los van de FFS en RP; beide zijn mogelijk zowel met als zonder aandacht. Zonder aandacht kunnen er ook recurrente feedback loops op gang komen, bijvoorbeeld alleen in visuele, lagere hersengebieden. Pas zodra men aandacht op een stimulus richt zal deze op een hoger niveau verwerkt worden, bijvoorbeeld door spraak- en beslissingsgebieden erbij te betrekken zodat er over de stimulus gerapporteerd kan worden. Wanneer aandacht en bewustzijn samenkomen wordt dit access consciousness genoemd: bewuste ervaringen waar je toegang toe hebt met aandacht. Maar wat is dan precies de status van het bewustzijn waar je niet over kan rapporteren? Dat wordt phenomenal consciousness genoemd: bewuste ervaringen waar je geen toegang toe hebt, maar die wel bijdragen aan de rijkheid van je ervaring. Klinkt dat gek? Bedenk dan dat je de woorden die je nu leest hardop kunt uitspreken, maar dat je de woorden eromheen wel degelijk registreert als woorden, zij het op een lager niveau. Deze neurale definitie van bewustzijn, waarin bewustzijn gelijk wordt gesteld aan RP, en los wordt gekoppeld van aandacht en gedrag, vormt het uitgangspunt voor dit proefschrift. Dit proefschrift Wat is er nou zo speciaal aan RP, dat het zorgt voor een bewuste ervaring? Verschilt RP misschien van FFS op een fundamenteler niveau dan de richting waarin de neuronen vuren? Helpt dit onderscheid ons ook om bewustzijn op een dieper niveau te begrijpen? Als we inzoomen op het moleculaire niveau dan zijn er aanwijzingen dat de signaaloverdracht tussen neuronen bij RP vooral via N- methyl- D- aspartate (NMDA) receptoren verloopt, terwijl de FFS vooral gedreven wordt door α- amino- 3- hydroxy- 5- methyl- 4- isoxazolepropionic acid (AMPA) receptoren. NMDA receptoren hebben de bijzondere eigenschap dat ze alleen open gaan wanneer de post- en presynaptische membranen tegelijkertijd geactiveerd worden. Dit leidt uiteindelijk tot synaptische plasticiteit: het versterken van de verbinding tussen twee neuronen, oftewel tot leren. Zou het zo kunnen zijn dat RP nodig is voor leren, terwijl de FFS geen voldoende voorwaarde hiervoor is? En aangezien aandacht los staat van RP, is aandacht dan niet nodig om te leren? Dit proefschrift is een exploratie van het idee dat bewustzijn volgens de neurale definitie het brein verandert, en aandacht niet. 170

4 Nederlandse samenvatting Dat idee heb ik o.a. onderzocht door naar phenomenal consciousness te kijken: bewustzijn (en dus RP) zonder aandacht en andere functies die nodig zijn om te kunnen rapporteren over je ervaringen. Door stimuli aan te bieden in een inattentional blindness (IB) paradigma, zorg je ervoor dat mensen deze bewust (met RP), maar zonder aandacht verwerken. IB is het fenomeen dat wanneer aandacht gericht is op een primaire taak, een onverwachte secundaire stimulus niet opgemerkt wordt. Misschien heeft u ooit het filmpje gezien van een basketbalwedstrijd waarbij er iemand in een gorillapak door het beeld loopt? 50% kans dat u deze gorilla toen niet heeft opgemerkt, omdat u te druk was met tellen hoe vaak het witte team de bal overspeelde. Helaas leent een wandelende gorilla zich echter niet voor fundamenteel onderzoek naar visueel bewustzijn. Daarom heb ik (ietwat saaiere) textuur stimuli gebruikt: figuren bestaande uit vierkantjes die gedefinieerd worden door lijnelementen die qua oriëntatie haaks op de lijnelementen van de achtergrond staan. Om deze figuren neuraal te kunnen verwerken, moeten de vierkantjes van de achtergrond gedifferentieerd worden, en voor deze zogenaamde figuur- grond scheiding is RP nodig. Het is bekend dat dit ook zonder aandacht mogelijk is, dan blijft de neurale feedback beperkt tot visuele hersengebieden. Om de aandacht van deze figuren af te leiden, moesten proefpersonen in de zogeheten Inattention groep een moeilijk lettertaakje uitvoeren, met letters die in het midden van het scherm verschijnen. Ze wisten niet dat er zich figuren in de achtergrond bevonden, en konden hier naderhand desgevraagd dan ook niet over vertellen. De vraag was of deze figuren, die zonder aandacht maar mét RP verwerkt werden, een verandering in het brein teweeg konden brengen. Omdat voor de consolidatie van leren een nachtje slaap nodig is, werd er een dag later gekeken of de proefpersonen deze figuren geleerd hadden. Het gaat hier om leren op perceptueel niveau, dus ik keek of de figuren die zich een dag eerder onopgemerkt in de achtergrond bevonden makkelijker neuraal verwerkt en gedragsmatig gedetecteerd werden dan figuren die niet eerder waren aangeboden. De Inattention groep werd vergeleken met een andere groep proefpersonen, de Masked groep. In de Masked groep was er het tegenovergestelde aan de hand: er was wél aandacht voor de figuren, maar geen RP. De neurale feedback die zorgt voor figuur- grond scheiding van de textuur werd namelijk geblokkeerd, door de aanbieding van een zogenaamd masker direct na de figuur. Dit masker bestaat uit een textuur met elkaar overlappende lijnelementen, en zorgt ervoor dat de heractivatie van hersengebieden (met figuur- grond informatie over de figuren) niet mogelijk is. Deze proefpersonen moesten juist wel hun aandacht op de achtergrond richten, om te proberen te detecteren of daarin figuren aanwezig waren. In beide groepen konden proefpersonen niet rapporteren of er figuren aanwezig waren, maar om verschillende redenen: in de Inattention groep door een gebrek aan aandacht, in de Masked groep door een gebrek aan RP. De verwachting was dat de figuren in de Inattention groep vanwege de aanwezigheid van RP wel geleerd zouden worden (ook al was er geen aandacht), en in de Masked groep vanwege het gebrek aan RP niet (ook al was er wel aandacht). 171

5 De mate van neurale verwerking van de texturen en de neurale leereffecten die ze veroorzaakten werden gemeten met behulp van elektro- encefalografie (EEG) (hoofdstuk 3) en fmri (hoofdstuk 4). Gedragsmatige leereffecten werden gemeten met een detectietaak, waarin de geleerde en een nieuwe figuur gedetecteerd moesten worden. In lijn met mijn hypothese, vond ik in mijn EEG onderzoek alleen neurale leereffecten voor de Inattention groep, en niet voor de Masked groep. In het gedrag werd dit leereffect echter pas meetbaar nadat er gedragsfeedback was gegeven op de detectietaak, dus nadat mensen van ieder antwoord te zien hadden gekregen of deze correct of incorrect was. Dit effect van gedragsfeedback duidt erop dat het leereffect in eerste instantie slechts latent aanwezig was, en dat er gedragsfeedback nodig was om dit geheugenspoor sterker te maken. Om te onderzoeken wat er op neuraal niveau gebeurt nadat dit leereffect gedragsmatig wordt versterkt, heb ik aan het vervolgonderzoek een extra neurale meting toegevoegd (post-feedback; nadat de detectietaak met gedragsfeedback had plaatsgevonden). Hierbij maakte ik gebruik van fmri om nauwkeuriger de neurale effecten te kunnen meten. Inderdaad zag ik dat post-feedback de neurale activiteit voor de geleerde figuur een hoge piek vertoonde, alléén in de Inattention groep. Dit bevestigt het idee dat gedragsfeedback nodig is voor de consolidatie van een latent leereffect, dat is ontstaan zonder aandacht. Bovendien heb ik in dit proefschrift een neurofarmacologische interventie gebruikt om RP te blokkeren (hoofdstuk 5 en 6). Proefpersonen werd ketamine toegediend, een stof die de NMDA receptor blokkeert (een receptor die nauw betrokken is bij RP). Ze voerden een textuur discriminatie taak uit (waar figuur- grond scheiding - en dus RP- voor nodig was). Hun gedrag werd vergeleken met een conditie waarbij dezelfde proefpersonen een placebo kregen toegediend. Het eerste doel hiervan was om een dag later te kijken of het blokkeren van RP voorkomt dat er geleerd wordt (hoofdstuk 5). Een dag nadat proefpersonen ketamine toegediend hadden gekregen, presteerden ze even goed op de textuur discriminatie taak als tijdens de baseline (placebo- toediening), er vond dus verbetering nog verslechtering plaats. Een dag na placebo- toediening presteerde men wel significant beter dan de dag ervoor, in de placebo conditie werd de taak dus wel geleerd. Echter, er zaten geen significante verschillen in leereffecten tussen beide condities; het leereffect in de placebo conditie was niet significant groter dan die in de ketamine conditie. Dit is wellicht te wijten aan een plafondeffect en/of een te lage dosis ketamine. Opvallend genoeg was er wel een verschil voor reactiesnelheid; een dag na ketamine- toediening was men trager dan een dag na placebo- toediening (terwijl de reactiesnelheid op de eerste dag gelijk was voor beide condities). Ten tweede heb ik onderzocht of het blokkeren van de NMDA receptor daadwerkelijk visuele integratie (het kenmerk van RP) reduceert, iets wat nog niet eerder was aangetoond bij mensen (hoofdstuk 6). Inderdaad presteerden proefpersonen onder invloed van ketamine significant slechter op de textuur discriminatie taak dan wanneer zij een placebo hadden ontvangen. Dit werd niet veroorzaakt door een non- specifiek effect van ketamine, zoals sedatie. Wellicht betekent dit dat mijn hypothese ook andersom geldt: wanneer leren wordt geblokkeerd, wordt dan ook bewustzijn gereduceerd? 172

6 Nederlandse samenvatting Conclusie De onderzoeksresultaten van dit proefschrift brengen ons een stap dichterbij het begrijpen van bewustzijn op een neurale manier, als het onderscheid tussen de FFS en RP. Ik laat namelijk zien wat dit onderscheid betekent op functioneel niveau: bewustzijn leidt tot leren. Het is echter wel een kleine stap dichterbij, en zeker geen giant leap for mankind. Ik heb deze hypothese namelijk alleen op perceptueel niveau onderzocht, maar wat gebeurt er buiten dat domein? Is het leren van meer complexe dingen ook zonder aandacht mogelijk, zolang er maar RP aanwezig is? Bovendien zijn de leereffecten die ik heb gemeten vrij zwak, wat inherent is aan het aanbieden van stimuli in een IB paradigma (een te opvallende stimulus trekt namelijk de aandacht!). Het feit dat de leereffecten pas naar voren kwamen nadat er gedragsfeedback was verstrekt op de detectietaak biedt echter een veelbelovend vooruitzicht. Wordt er misschien veel meer (en zonder aandacht) geleerd dan we nu voor mogelijk houden, maar heeft men feedback nodig om deze kennis te consolideren? Is het bijvoorbeeld mogelijk om te leren tijdens je slaap, zolang je de volgende dag maar feedback krijgt op je gedrag? Er is meer onderzoek nodig om uit te wijzen hoe ver de invloed van feedback reikt, en wat de optimale parameters zijn voor het verschaffen hiervan. Hoewel het nog lang zal duren voordat we écht in andermans hoofd kunnen kijken om het bewustzijn te ontrafelen, biedt dit proefschrift hopelijk een inspirerende preview. 173