De Hemisferische lateralisatie van de hersenen. Een literatuuronderzoek.

De Hemisferische lateralisatie van de hersenen. Een literatuuronderzoek. Van Labeke Peter-Jan Scriptie voorgelegd aan de Faculteit Letteren en Wijsbegeerte, voor het behalen van de graad van Licentiaat in de Wijsbegeerte. Academiejaar: 2006-2007 Promotor: Philip Van Loocke

Inhoudstafel Inleiding... 4 Hoofdstuk 1: Hemisfersiche lateralisatie... 5 1.1. Inleiding... 5 1.2. Paul Broca en de opkomst van moderne neuropsychologie met de laesiemethode... 5 1.2.1. Het denken over de hersenen ten tijde van Gall, Broca, Jackson en Wernicke. 5 1.2.2. Kritiek op de aanname van lokaliteit in laesiestudies... 8 1.3. Evidentie op basis van de functionele beeldvorming van de hersenen... 9 1.3.1. Inleiding... 9 1.3.2. Metabolische technieken... 11 a. Het meten van de bloeddoorstroming in de cortex... 13 b. Emission Tomography: PET en SPECT... 14 c. Functionele beeldvorming van de hersenactiviteit door middel van fmri... 17 1.3.3. Elektromagnetische technieken... 18 a. Single-cell recording... 18 b. Elektro-encefalogram (EEG)... 19 c. Event-related potentials (ERP s)... 19 d. Magnetoencephalogram (MEG)... 20 1.3.4. Optische technieken... 21 1.3.5. Kwesties bij technieken die de hersenactiviteit meten... 21 1.4. Behavioristische methoden... 25 1.4.1. Onderzoek met neurologisch intacte proefpersonen... 25 a. Methodologie... 25 1.4.2. Onderzoek met split-brain patiënten... 32 a. Inleiding... 32 b. Split-brain patiënt N.G.... 33 c. De experimenten van Sperry en Gazzaniga... 34 d. Mogelijke kritieken op evidentie uit split-brain onderzoeken... 36 1.4.3. Patiënten met een gelateraliseerde laesie... 37 1.5. Individuele verschillen voor hersenlateralisatie... 37 1.5.1. Handigheid... 38 1.5.2. Geslacht... 39 1.6. Is de rechterhemisfeer werkelijk gespecialiseerd in ruimtelijke taken?... 41 Hoofdstuk 2: Asymmetrie in de natuur en het menselijk lichaam... 45 2.1. Inleiding... 45 2.2. De asymmetrie van de hersenen... 45 2.2.1. Functionele asymmetrieën... 45 a. De stelling dat de hemisferen verschillen in de capaciteit sensorische informatie te verwerken... 46 b. Een verschil in de manier van informatieverwerking tussen de hemisferen... 49 c. Het onderscheid verbaal versus non-verbaal... 51 2.2.2. De anatomische verschillen... 52 a. Methoden voor de structurele beeldvorming van de hersenen... 52 b. Bevindingen... 54 2.2.3. Neurochemische verschillen... 56 2.3. Handigheid tot hier nagelezen... 56 2.3.1. Handigheid en spraak... 57 2.3.2. Theoretische kwesties bij handigheid... 57 2.4. Andere asymmetrieën in het menselijk lichaam... 58 2

2.4.1. De asymmetrie van het cardiovasculair systeem... 58 a. De ontwikkeling van cardiovasculaire asymmetrie... 59 b. Pompen zonder kleppen als gevolg van een structurele asymmetrie... 60 c. Het asymmetrische tijdsverloop... 60 d. Besluit... 61 2.5. Asymmetrie in de natuur... 61 2.5.1. Pasteur s ontdekking: biochemische asymmetrie... 61 2.5.2. Asymmetrie in de fysica... 62 2.5.3. Op zoek naar een verband tussen biochemische en fysische asymmetrie... 63 2.5.4. Besluit... 67 Hoofdstuk 3: De ontwikkeling van asymmetrieën... 68 3.1. Inleiding... 68 3.2. De ontwikkeling van asymmetrie in het individu... 68 3.2.1. De gevolgen van hersenschade bij kinderen... 68 3.2.2. Het begin van asymmetrische trekjes... 72 a. Anatomische asymmetrieën bij baby s... 72 b. ERP s bij baby s... 72 c. Dichotisch luisteren... 73 3.2.3. Nature en nurture in de stichting van asymmetrieën... 74 a. Nature... 74 b. Nurture... 75 3.3. De ontwikkeling van asymmetrie evolutionair beschouwd... 77 3.3.1. Asymmetrie bij dieren... 77 a. Asymmetrie bij vogels... 77 b. Asymmetrie bij zoogdieren... 78 3.3.2. Evolutionaire mechanismen van asymmetrieën... 79 a. Algemene karakterisering van de theorieën... 79 b. Kimura: lateralisatie, taal en motoriek... 80 c. De evolutie van rechtshandigheid: M.C. Corballis... 82 Slotbeschouwing... 86 Referenties... 88 3

Inleiding In deze thesis doe ik een literatuurstudie naar de stelling van hemisferische lateralisatie. Dit is een vrij aanvaarde theorie over de hersenen, die eruit bestaat dat de linkerhersenhelft gespecialiseerd is in bepaalde taken, terwijl de rechterhersenhelft gespecialiseerd is in andere taken. In het eerste hoofdstuk geef ik een beschrijving van de evidentie die geleid heeft tot de stelling. Hiervoor komen de bevindingen van Paul Broca ter sprake en de meer hedendaagse technieken. De factoren die een invloed hebben op de manier waarop de hersenen gelateraliseerd zijn, worden ook besproken. Ook de kritieken die op de theorie gekomen zijn, zal ik bespreken. Ik ga ook op zoek naar andere asymmetrieën die optreden in de natuur en het menselijk lichaam. Eén van de duidelijkste voorbeelden in dit verband, is het verschil tussen de handen. De meeste mensen hebben één dominante hand, vaak de rechterhand. Een tweede asymmetrie in het menselijk lichaam houdt verband met het hart. Het hart is in de meeste gevallen links geplaatst in het lichaam. Ook de linker- en de rechterlong vormen geen exact spiegelbeeld van elkaar. De plaatsing van andere organen is evenmin symmetrisch. In de natuur zijn asymmetrieën gevonden in bepaalde stoffen. Natuurkundig gezien is er ook asymmetrie werkzaam in de wereld, namelijk in de zwakke kernkracht. We kunnen ons afvragen wanneer de hersenhelften zich gespecialiseerd hebben. Deze vraag kan op twee niveaus gesteld worden: op het niveau van een individuele mens en op het niveau van alle mensen (en eventueel andere organismen). Wanneer in de levensontwikkeling van een individu ontstaan asymmetrieën? Wanneer in de evolutionaire geschiedenis traden asymmetrische kenmerken op? Hoe komt het dat deze tot op de dag van vandaag geëvolueerd blijven? Heeft enkel de mens gelateraliseerde hersenen, of zijn er nog andere diersoorten met gespecialiseerde hersenen? Zijn er evolutionaire voordelen aan het hebben van gelateraliseerde hersenen? En zo ja, welke voordelen zijn dit? Alvorens te beginnen, wil ik de mensen bedanken die bijgedragen hebben aan dit werk. Mijn promotor, Philip Van Loocke, hielp mij bij de inhoudelijke aspecten van mijn thesis. Ook mijn ouders wil ik bedanken, omdat ze het mogelijk maakten dat ik mijn studies in de wijsbegeerte kon voltooien. 4

Hoofdstuk 1: Hemisfersiche lateralisatie 1.1. Inleiding In dit hoofdstuk wordt een introductie gegeven op de thematiek van hemisferische lateralisatie. Ik geef een beschrijving van het ontstaan van de theorie. De evidentie voor de stelling van de hersenlateralisatie wordt met behulp van verschillende methoden beargumenteerd. Ten eerste komen de bevindingen van Paul Broca ter sprake. Dankzij de functionele beeldvorming van de hersenen ontstond een nieuwe bevestiging van het geloof in de hersenlateralisatie. Ook met behulp van behavioristische studies, waarin men op basis het gedrag van patiënten theorieën over de werking van hun hersenen tracht af te leiden, werd de stelling van de hersenlateralisatie beargumenteerd. 1.2. Paul Broca en de opkomst van moderne neuropsychologie met de laesiemethode 1.2.1. Het denken over de hersenen ten tijde van Gall, Broca, Jackson en Wernicke Hemisferische lateralisatie is een theorie die stelt dat de hemisferen gespecialiseerd zijn in verschillende aspecten van cognitief en emotioneel functioneren. Dit wil zeggen dat de linkerhemisfeer bijvoorbeeld beter geschikt is om taken die taalgerelateerd zijn uit te voeren, terwijl de rechterhemisfeer beter is in visuospatiële taken. Vooraleer men tot deze stelling gekomen is, hebben zich een aantal ontwikkelingen moeten voordoen. Hemisferische lateralisatie kan pas als stelling ontstaan, als men afstapt van het idee dat de hersenen als één monolithisch blok functioneren. Als de hersenen één ondeelbaar geheel vormen, is het immers zinloos te beweren dat verschillende hersendelen gespecialiseerd zijn in verschillende taken. In vroege anatomische studies leken de hersenhelften het spiegelbeeld van elkaar te zijn. Ze leken bovendien hetzelfde gewicht en dezelfde grootte te hebben. Dit heeft er mee voor gezorgd dat de meeste wetenschappers geloofden dat de hersenen als één geheel functioneerden. De Duitse anatoom Franz Gall (late 18 e eeuw) was de eerste die afstapte van de visie dat de hersenen als een uniform geheel functioneren. Volgens Gall bevond het spraakvermogen zich in de voorkant van het hoofd. Hij werd zo vertegenwoordiger van de theorie van cerebrale 5

lokalisatie die stelt dat verschillende mentale vermogens lokaliseerbaar zijn in verschillende delen van de hersenen. In de geneeskundige kringen bleef men verdeeld over de vraag of functies lokaliseerbaar waren tot de bevindingen van de chirurg Paul Broca in 1861. Deze had een patiënt die geen spraak meer kon produceren en die leed aan hemiplegie, een verlamming van een gehele lichaamshelft. Na de dood van de patiënt bleek uit de autopsie dat er een laesie, dit is beschadigd hersenweefsel, was in delen van de linker prefrontale lob. Toen Broca andere patiënten met hetzelfde gebrek, hemiplegie en verlies van spraak, ontdekte, werd de theorie van hemisferische lokalisatie meer en meer aanvaard. In alle patiënten met spraakverlies, bevond de laesie zich in de linkerhersenhelft, terwijl bij patiënten met een laesie in de rechterhersenhelft geen spraakverlies optrad. Hieruit besloot Broca dat het produceren van taal een vermogen is dat gesitueerd kan worden in de linkerhemisfeer. Deze manier van redeneren heet de laesiemethode. Hierbij wordt afgeleid dat een mentale functie ondersteund wordt door een bepaald hersengebied x als diezelfde functie verloren raakt na schade aan het hersengebied x. In de cognitieve neuropsychologie tracht men de mechanismen die de basis vormen van ons mentale leven te bestuderen aan de hand van de gevolgen die optreden na hersenschade. Broca kan dus beschouwd worden als de eerste cognitieve neuropsycholoog. Broca s claim dat de zetel van taal zich in de posterieure linker frontale lob bevindt, bevat twee elementen die revolutionaire gevolgen impliceerden voor theorieën over de hersenen. Ten eerste kan taal onafhankelijk van andere cognitieve processen verstoord worden. Ten tweede kan taal ook gelokaliseerd worden in een specifiek gebied van de hersenen. Figuur 1.1. toont het gebied van Broca in de linkerhemisfeer. 6

Figuur 1.1. Deze figuur toont de locatie van het gebied van Broca en de frontale, pariëtale, occipitale en temporale lob in de linkerhemisfeer. Ook de hersenstam en het cerebellum worden getoond. 1 In 1864 dacht John Hughlings Jackson vanuit de resultaten van Broca verder na over de verhouding tussen de twee hersenhelften. Men dacht altijd dat het brein bestond uit 2 evenwaardige hemisferen, maar als schade aan 1 hersenhelft het verlies van het vermogen te spreken als gevolg heeft, kan men dit standpunt niet langer verdedigen volgens Jackson. De linkerhemisfeer is de leidende, de kant van de wil, terwijl de rechterhemisfeer de automatische kant vormt. Jackson bracht het concept van cerebrale dominantie tot leven. 2 In 1870 werd er meer onderzoek gedaan naar taalstoornissen en het verband met hersenschade. Naast het verlies van het vermogen tot spraakproductie, ging men ook patiënten onderzoeken die lijden aan een verstoord spraakbegrip. Karl Wernicke, een Duitse neuroloog, toonde aan dat schade aan het achterste deel van de temporale lob van de linkerhemisfeer tot problemen leidde met spraakbegrip. 1 Springer, S. P., & Deutsch, G. (1998). Left brain, right brain (5 th Edition). New York: Freeman, p.12. 2 J. H. Jackson, (1958). Selected Writings of John Hughlings Jackson, ed. J. Taylor, New York: Basic Books. 7

1.2.2. Kritiek op de aanname van lokaliteit in laesiestudies In laesiestudies zijn er een aantal vooronderstellingen werkzaam. Er wordt aangenomen dat de gevolgen van hersenschade aan gebied x lokaal zijn. Daarmee bedoelt men dat de nietbeschadigde onderdelen van de hersenen op dezelfde manier werken als voor het moment dat de hersenschade optrad. Dit is de lokaliteitsaanname. Deze veronderstelling hangt samen met de visie dat de functionele bouw van de hersenen modulair is. Farah (1994) is van mening dat deze aannames foutief zijn en dat neuropsychologische data op basis van andere veronderstellingen geïnterpreteerd kan worden. 3 Men kan ervan uitgaan dat de verwerking die gebeurt in de hersenen gegradeerd, verdeeld en interactief is. Volgens de strikte versie van de hypothese van modulariteit interageren de verschillende onderdelen van de functionele architectuur slechts op het moment dat één module zijn eigen verwerking voltooid heeft. Het eindproduct van die verwerking wordt dan meegedeeld aan de andere modules. De wisselwerking tussen de modules blijft dus beperkt. Dit heeft als gevolg dat de beschadiging van één component weinig gevolgen heeft voor de andere componenten, deze werken bijna hetzelfde als voordien. Daarom kan men afleiden dat de beschadigde component in kwestie verantwoordelijk was voor de uitvoering van een bepaalde taak. Een zwakkere versie van de hypothese van modulariteit stelt dat de onderdelen van de functionele bouw van de hersenen conceptueel te onderscheiden zijn, op basis van de functies waarin ze gespecialiseerd zijn. Ze zijn ook empirisch te onderscheiden, op basis van de relatief beperkte gebreken die ontstaan door schade aan één van de modules. De onderdelen van het modulaire systeem zullen niet zo efficiënt werken eens andere onderdelen beschadigd raken. Volgens deze versie van de modulariteitshypothese is de veronderstelling van localiteit slechts ruwweg juist. Er treden kleine veranderingen op in de werking van niet-beschadigde onderdelen. De transparantie-aanname is verwant met de veronderstelling van lokaliteit. Deze visie vereist dat het gedrag van een beschadigd systeem begrijpbaar wordt door het te vergelijken met de functionele bouw in een normaal systeem. Dat ook de niet-beschadigde modules veranderen door de schade aan een andere module, is mogelijk. Er is immers interactie tussen de modules waardoor ook een niet-beschadigde module de gevolgen ondervindt van schade aan een module waarmee zij samenwerkte. 3 Farah, M. J. (1994). Neuropsychological inference with an interactive brain: A critique of the locality assumption. Behavioral and Brain Sciences 17(1), 43-104. 8

Als lokaliteit aangenomen wordt, kan men rechtstreekse inferenties maken tussen de vertoonde gedragsstoornis en de onderliggende beschadigde cognitieve component. Deze inferenties zijn van de vorm het gebrek capaciteit A uit te voeren, impliceert dat de component die A mogelijk maakt, beschadigd is. Als de selectiviteit voor het tekort niet reëel is, bijvoorbeeld als de taken die capaciteit A testen gewoonweg moeilijker zijn dan de taken waarmee vergeleken wordt, lopen deze inferenties fout. Dit is ook het geval wanneer er andere capaciteiten zijn die niet getest worden, maar die ook beschadigd zijn of als een combinatie van functionele laesies als één laesie geïnterpreteerd wordt. Het is ook zo dat zelfs bij eenvoudige taken verschillende componenten actief worden en dat dus een moeilijk te ontwerpen controletaak moet opgesteld worden om de relevante capaciteit vast te pinnen. Als alternatief voor de lokaliteitstelling, kan men uitgaan van paralllel distributed processing (PDP). Een eerste principe van PDP is dat kennis gedistribueerd gerepresenteerd is. Dit wil zeggen dat representaties uit activatiepatronen bestaan die over een populatie van eenheden werkzaam zijn. Ten tweede gebeurt de informatieverwerking in gradaties. Representaties kunnen slechts gedeeltelijk actief zijn. Het derde principe, interactiviteit, is het minst compatibel met de aanname van lokaliteit. Dit principe stelt dat de eenheden in de PDPmodellen in hoge mate met elkaar verbonden zijn. Er is dan ook vaak wederzijdse beïnvloeding tussen de verschillende delen van het systeem. Als de werking van één deel afhankelijk is van de invloed van een ander deel, zal het eerste deel niet langer naar behoren werken na schade aan het andere deel. De aard van de wisselwerking kan versterkend zijn, als één deel van een verdeelde representatie de overige delen activeert, of onderdrukkend als verschillende representaties met elkaar in competitie treden om actief te worden of te blijven. Farah besluit dat de vraag of de aanname van lokaliteit gerechtvaardigd is, niet makkelijk te beantwoorden is. Deze discussie kan niet beslecht worden door een beperkt aantal studies. Farah wou gewoon duidelijk maken dat we geen voet om op te staan hebben, terwijl lokaliteit door velen zomaar aangenomen wordt. 1.3. Evidentie op basis van de functionele beeldvorming van de hersenen 1.3.1. Inleiding De stelling dat de hersenen gelateraliseerd zijn, berust grotendeels op onderzoeken die gebruik maken van de beeldvorming van de hersenen. Dankzij moderne technieken kan 9

onderzocht worden welke hersendelen actief zijn bij een bepaalde taak. Daaruit kan afgeleid worden dat het die hersendelen zijn die verantwoordelijk zijn voor die bepaalde cognitieve taak. Men kan op die manier ook nagaan of de verschillende hersendelen verschillende taken op zich nemen en zo de stelling van hemisferische lateralisatie onderzoeken. Een voordeel van dit soort studies is dat ze niet beperkt zijn tot de atypische gevallen. Ook normale hersenen kunnen onderzocht worden. Dit is wel het geval bij studies waarbij men vertrekt met split-brain patiënten of personen met een, al dan niet, gelateraliseerde laesie. Men kan enerzijds de anatomie en anderzijds de activiteit van het brein meten om op zoek te gaan naar de verschillen tussen de hemisferen. Hoewel dit een eenvoudige taak lijkt, moet gewezen worden op de vele verschillende elementen van zowel de structuur van de hersenen als de activiteit van de hersenen. De activiteit van de hersenen kan op verschillende manieren beschreven worden. Men kan zich afvragen welk type activiteit nu het belangrijkste is. Er zijn verschillende chemische en elektrische processen die een continuüm vormen van microscopisch (het niveau van individuele neuronen) naar macroscopisch (plaatselijke activiteit in een bepaalde hersenstructuur). De elektrochemische communicatie op microscopisch niveau doet grotere patronen van elektrische en magnetische activiteit ontstaan op macroscopisch niveau. Deze activiteit kan met behulp van elektroden op de schedel gemeten worden. Een tweede vorm van wisselwerking tussen de neuronen gebeurt via neurotransmitters. Verschillende neurotransmitters geven oorsprong aan verschillende netwerken van neuronen. Er zijn technieken ontwikkeld om specifieke neurotransmitters te identificeren en aan de hand daarvan ook de verschillende neuronale wegen in de hersenen. Tenslotte kunnen de metabolische processen van de neuronen pas plaatsvinden als via het bloed zuurstof en glucose wordt aangebracht naar het hersenweefsel en afvalproducten verwijderd worden. Daarom zijn de mate van bloeddoorstroming en de verschillen in het metabolisme van specifieke voedingsstoffen een maatstaf voor hersenactiviteit in een bepaald hersendeel. Dankzij recente technologische ontwikkelingen, wordt de beeldvorming van de hersenactiviteit en hersenanatomie steeds gedetailleerder. Er bestaat een snel groeiend studiegebied van functionele beeldvorming. Sommigen geloven dat men op deze manier het denken aan het werk ziet, anderen blijven sceptisch over wat met behulp van medische beeldvorming over het denken zelf geleerd kan worden. De technieken gebruikt om de hersenen in beeld te brengen, kunnen in verschillende klassen opgedeeld worden. Bij structurele beeldvorming, tracht men de anatomie van de hersenen weer te geven. Computerized tomography (afgekord met CT ) en standard magnetic 10

resonance imaging (MRI) zijn twee voorbeelden van structurele beeldvorming. Bij functionele beeldvorming, is het de bedoeling een beeld te geven van een bepaald aspect van hersenactiviteit. Dit kan de bloedstroom in de hersenen zijn, of het glucose metabolisme, of het verbruik van zuurstof in de hersenen. Tot deze categorie behoren PET, SPECT EN fmri. Verdere uitleg hierover volgt. De technieken voor functionele beeldvorming, kunnen verder opgedeeld worden in methodes die het metabolisme van de hersenen meten enerzijds, en anderzijds methoden waarmee de elektrische of de magnetische activiteit van de hersenen gemeten wordt. Wat nu volgt is een beschrijving van de verschillende technieken die behoren tot de functionele beeldvorming. Ik begin met de technieken die elementen van het metabolisme van de hersenen meten. Vervolgens bespreek ik de technieken die de elektrische of magnetische activiteit van de hersenen meten. De technieken voor de structurele beeldvorming van de hersenen komen ter sprake in de sectie 2.2.2 waar de anatomische verschillen tussen de hersenen besproken wordt. 1.3.2. Metabolische technieken De snelle technologische groei is van groot belang geweest voor de ontwikkeling van de studie van de hersenen en cognitie. Dankzij deze groei is het mogelijk geworden de hersenactiviteit te meten die optreedt bij het uitvoeren van een bepaalde mentale taak. Studies van deze aard kennen hun begin rond 1960. Toen werd ontdekt dat patiënten tijdens de productie van spraak consistent een verhoging van de bloeddoorstroming in de cortex vertoonden. Niels Lassen en zijn collega s maten de bloeddoorstroming in de hersenen door de inspuiting van een radioactieve chemische stof, ook wel tracer genoemd. Deze tracer wordt in de halsslagader ingespoten en daarna wordt het traject dat de tracer aflegt aan de hand van verschillende detectoren gevolgd. Vandaag berusten de meeste technieken nog steeds op de cerebrale bloeddoorstroming als een maat voor hersenactiviteit. De bloedstroom door de hersenen is afhankelijk van het metabolisme en de activiteit in het hersenweefsel. Omdat de bloedtoevoer reageert op kleine veranderingen in de neurale activiteit, worden veranderingen in de activiteit van een bepaald hersengebied weerspiegeld in veranderingen in de bloedstroom in dat hersengebied. Zo wordt het mogelijk de wisselwerking tussen verschillende hersengebieden tijdens een bepaalde mentale taak te bestuderen aan de hand van regionale veranderingen in de bloedstroom. De hedendaagse metabolische technieken zijn: positron emission tomography (PET), single photon emission tomography (SPECT) en functional magnetic resonance imaging (fmri). 11

Voor welke doeleinden een bepaalde techniek kan gebruikt worden, is afhankelijk van een aantal factoren. Ten eerste is er de temporele resolutie. Dit is de tijdspanne waarover hersenactiviteit gemeten wordt. Vervolgens is er de ruimtelijke resolutie die betrekking heeft tot de grootte van het hersengebied waarin de activiteit gemeten wordt. Ten derde is er de vraag hoeveel van de hersenen zichtbaar is. Ook het moment in de tijd waarop de scan uitgevoerd wordt, met betrekking tot het gedrag of de cognitieve taak in kwestie, is van belang. Tenslotte is het belangrijk te weten hoe snel en hoe vaak een scan herhaald kan worden als de mentale omstandigheden veranderen. De hedendaagse technieken voor functionele beeldvorming variëren voor deze verschillende factoren. Als iemand een techniek aanwendt die pas na vijf minuten een beeld oplevert, is het mogelijk de gemiddelde hersenactiviteit, tijdens een voortdurend herhaalde taak, te meten. De onderzochte proefpersoon kan gevraagd worden gedurende vijf minuten te luisteren naar een opname van een reeks woorden. Het zou echter onmogelijk zijn aan de hand van dezelfde techniek, het onderscheid te maken tussen hersenactiviteit tijdens het horen van een woord, en de hersenactiviteit tijdens de pauze tussen twee woorden. Voor deze vraagstelling zou de onderzoeker een techniek nodig hebben die een veel snellere temporele resolutie mogelijk maakt. In de praktijk zal de experimentator vaak een compromis moeten maken tussen de verschillende plus- en minpunten van de verschillende technieken. Figuur 1.2. toont een overzicht van de verschillende technieken en hun kenmerken. 12

Figuur 1.2. Deze figuur toont de ruimtelijke en temporele domeinen die de verschillende technieken voor medische beeldvorming toelaten. De verticale as vertegenwoordigt de verschillende afstanden waarover gemeten wordt, van een neuron tot het brein in zijn geheel. De horizontale as vertegenwoordigt de tijdsresolutie, van milliseconden tot dagen. 4 a. Het meten van de bloeddoorstroming in de cortex Dankzij het meten van de bloedtoevoer, kan men afleiden welk hersengebied actief wordt tijdens het uitvoeren van een bepaalde mentale taak. Met de xenon-133 gas clearance - techniek werd voor het eerst aangetoond dat gedurende verschillende mentale taken veranderingen in de plaatselijke bloeddoorstroming van een bepaald hersendeel optraden. Patiënten ademen bij deze techniek een mengsel van lucht en een radioactief isotoop van het element xenon in gedurende 60 seconden. De bloeddoorstroming wordt dan gemeten aan de hand van detectoren. Met deze methode kan enkel de bloeddoorstroming gemeten worden van de buitenste gebieden van de cortex. Toch waren de resultaten van dit soort studies indrukwekkend. Een groot deel van de klassieke voorspellingen over hersendelen, betrokken bij psychologische functies, werd bevestigd. Zo observeerde men verhoogde activiteit in de visuele cortex als het subject naar een bewegend patroon keek. Bij spraakstimuli ontstond een verhoogde bloeddoorstroming in de auditieve cortex. In vroege studies van deze aard waren onderzoekers verbaasd over de gelijkenis in de patronen van bloeddoorstroming tussen de twee hemisferen, zelfs bij activiteiten waarvan verondersteld werd dat ze sterk gelateraliseerd waren. 5 De grootste verschillen traden op tussen de anterieur-posterieure dimensies van de hersenen en niet tussen de linker en de rechter hemisfeer. Toch werden er verschillen tussen de twee hemisferen gevonden. Jarl Risberg vergeleek het patroon van bloeddoorstroming bij rechtshandige mannen bij twee taken. De ene taak hield verband met verbale analogieën, de andere met perceptuele sluiting. Voor de laatste taak moesten de proefpersonen van half getekende figuren uitmaken wat ze weergaven. 6 Er werden kleine, doch significante verschillen gevonden voor beide taken. De bloeddoorstroming was groter in de linkerhemisfeer bij de verbale taak, terwijl de 4 Springer, S. P., & Deutsch, G. (1998). Left brain, right brain (5 th Edition). New York: Freeman, p.65. 5 N. A. Lassen, D. H. Ingvar, and E. Skinhoj, Brain Function and Blod Flow, Scientific American 239 (1978): 62-71. 6 J. Risberg, J. H. Halsey, E. L. Wills, and E. M. Wilson, Hemispheric Specialization in Normal Man Studied by Bilateral Measurements of the Regional Cerebral Blood Flow: A Study with the 133 Xe Inhalation Technique, Brain 98 (1975): 511-524. 13

bloeddoorstroming groter was in de rechterhemisfeer bij de taak waarbij prentjes aangevuld moesten worden. Dit is een bevestiging van de lateralisatie van de hersenen. Risberg legde ook vast welke gebieden in elke hemisfeer het meeste bijdroegen tot interhemisferische verschillen in het patroon van bloeddoorstroming. De grootste verschillen werden gevonden in de frontale, frontotemporale en pariëtale gebieden bij de verbale taak. Er zijn veel studies van deze aard uitgevoerd. De meesten ervan hebben betrekking tot de asymmetrie van de hersenen. In de hedendaagse neurologie en neuropsychologie zijn ze echter vervangen door technieken die een driedimensionaal beeld van de hersenactiviteit opleveren. Deze nieuwere technieken hebben het bijkomende voordeel dat ze ook van de interne structuren van de hersenen een beeld opleveren en niet alleen van de buitenste cortex. b. Emission Tomography: PET en SPECT Bij Emission tomography wordt een beeld opgeleverd van de manier waarop een radioactief gemerkte stof verdeeld wordt in het hoofd of het lichaam. SPECT en PET zijn de twee belangrijkste categorieën van emission tomography. Ze verschillen in de aard van de gebruikte radioactieve stoffen en het materiaal gebruikt om ze te meten. Bij SPECT (single photon emission computed tomography) worden de biochemische stoffen die men wil bestuderen gemerkt met radioactieve componenten die gammastralen uitzenden in alle richtingen. Deze stoffen, radiofarmaca, worden in de bloedstroom van proefpersonen ingespoten. Als de radiofarmaca het brein bereiken, zullen detectoren geplaatst rond het hoofd, de straling ervan opvangen. Met behulp van computerprogramma s wordt dan een reconstructie gemaakt van de verdeling van de gemerkte stof. SPECT wordt gebruikt om de bloedstroom te meten in driedimensionale doorsneden van het brein. Bij PET (positron emission tomography) maakt men gebruik van een bepaalde klasse van radioactief gemerkte moleculen. Men gebruikt die moleculen die stabiel worden door het uitzenden van een positron, dit is een positief geladen elektron. Als het positron uitgezonden wordt, botst het met een elektron. Vervolgens annihileren het positron en het elektron elkaar. Deze annihilatie veroorzaakt energie in de vorm van twee fotonen die in tegenovergestelde richting van elkaar weg bewegen. Een verschil tussen PET en SPECT is dat bij SPECT een klein aantal sensoren gebruikt wordt en geen ring zoals bij PET. Als een patiënt een PET scan ondergaat, ligt deze met zijn hoofd in een ring van fotocellen die ontworpen is om de aankomst van twee fotonen uit twee tegengestelde richtingen te detecteren. De hersengebieden die metabolisch actief zijn, zullen meer fotonen uitzenden dan 14

niet-actieve hersengebieden. De detectoren leveren informatie op waaruit afgeleid kan worden uit welk punt de fotonen ontsprongen. Daaruit kan dan de activiteit van verschillende hersengebieden afgeleid worden. Figuur 1.3. toont de opstelling voor een PET scan. Figuur 1.3. Op de figuur zien we dat een positron dat geanihileerd wordt door een elektron, twee fotonen in tegengestelde richting uitzendt. De gelijktijdige aankomst van twee fotonen over een hoek van 180 wordt gedetecteerd door een ring van fotocellen. Hersengebieden die zeer actief zijn, zullen veel fotonen uitzenden. 7 PET heeft het grote voordeel dat de techniek toelaat te onderzoeken hoe verschillende moleculen werken in de hersenen. Men maakt gewoon een radioactieve versie van de molecule waarin men geïnteresseerd is. Wil men bijvoorbeeld een beschrijving geven van locale verschuivingen in de bloeddoorstroming, werkt men met water dat radioactieve zuurstofmoleculen bevat. Wil men de werking van een neurotransmitter weten, kan een radioactief gemerkte substantie gemaakt worden die een verbinding vormt met receptoren. Omdat dankzij PET locale bloeddoorstroming snel en herhaaldelijk gemeten kan worden, heeft men ernaar gestreefd complexe mentale functies te isoleren en te bestuderen. De patiënt krijgt een aantal taken die een hiërarchie vormen van een eenvoudige sensormotorische taak naar een meer complexe cognitieve taak. De hersenactiviteit, gepaard met de hogere cognitieve taak, kan dan geïsoleerd worden door de activiteit van bij de eenvoudige taak af te trekken van de gehele hersenactiviteit. Dit is de subtractie-methode. 7 Banich, M. T. (2004). Cognitive Neuroscience and Neuropsychology (2 nd ed.). New York: Houghton Mifflin Company, p. 80. 15

In een studie van deze aard wou men de hersengebieden onderscheiden die actief zijn bij specifieke taalfuncties. Gedurende vier verschillende taken werden herhaaldelijk scans uitgevoerd. In de basistoestand moest de proefpersoon fixeren op een symbool. De tweede taak bestond uit de observatie van zelfstandige naamwoorden. Vervolgens moesten woorden mondeling herhaald worden. Voor de vierde taak werd de proefpersoon geconfronteerd met een zelfstandig naamwoord dat een object voorstelde. De proefpersoon moest dan reageren met een werkwoord dat een gebruik van object in kwestie beschrijft. Door het patroon van bloeddoorstroming van één taak af te trekken van het patroon van een andere taak, trachtten de onderzoekers de veranderingen, veroorzaakt door een relatief specifieke mentale activiteit, te isoleren. Zo ontdekten ze dat spraak met een verhoging van de bloeddoorstroming in de sensoromotorische strook en in bepaalde gebieden in de frontale lob gepaard ging. Bij het volbrengen van de vierde taak, ontstond er een asymmetrische activatie van de linker frontale lob vergeleken met de controleconditie waarin enkel woorden herhaald moesten worden. De meeste experimenten aan de hand van PET scans baseren zich op veranderingen in de bloeddoorstroming in een bepaald gebied. Dit is echter slechts één manier om veranderingen die optreden bij verschillende taken te interpreteren. Men kan er ook van uitgaan dat de hersenactiviteit juist beschreven wordt door te kijken naar de interactie van specifieke hersengebieden. Niet enkel het hersengebied dat het meeste verandering toont, maar ook de mate waarin hersengebieden samen werken en dus samen veranderen geeft dan een indicatie van de hersengebieden die actief zijn bij een bepaalde taak. In een PET studie onderzocht men de veranderingen die optreden bij een taak waarvoor aan gezichtsherkenning gedaan moest worden en een taak waarin de locatie van punten bepaald moest worden. De bereikte resultaten konden op twee verschillende manieren geïnterpreteerd worden. Volgens de meer klassieke manier waarbij de controletaak gewoon van de meer complexe taak afgetrokken wordt, kon besloten worden dat bij gezichtsherkenning de occipitale en temporale gebieden actief waren. Bij de locatie-taak waren de occipitale en pariëtale gebieden actief. Dit activatiepatroon vond plaats in beide hemisferen. Voor de tweede analysestrategie ging men op zoek naar correlaties. Men onderzocht de mate waarin de activatie in verschillende gebieden samen veranderde tijdens een taak. Het bleek dat de posterieure gebieden bij beide taken meer functionele interacties in de rechterhemisfeer dan in de linkerhemisfeer vertoonden. De bilaterale activatie zou dan het gevolg zijn van veranderingen die eerst in de rechterhemisfeer optreden en later via het corpus callosum doorgegeven worden naar de linkerhemisfeer. 16

Het belang van deze studie is dat ze wijst op de mogelijkheid dat misschien veel studies over de hersenactiviteit functionele asymmetrieën niet kunnen vatten. Het brein neigt immers vooral naar symmetrische verhogingen van activiteit. Zelfs al werd de taak werkelijk door één kant begonnen dan nog zullen de overeenkomstige gebieden in de andere hemisfeer ook actief worden. c. Functionele beeldvorming van de hersenactiviteit door middel van fmri Met MRI (Magnetic Resonance Imaging) kan de anatomie van de hersenen in beeld gebracht worden. Hoe dit gebeurt bespreek ik later in de sectie over de structurele beeldvorming van de hersenen. Een variatie van deze techniek, fmri of functional magnetic resonance imaging laat toe de werking van de hersenen te bestuderen. Alweer baseert men zich hiervoor op het principe dat veranderingen in neuronale activiteit gepaard gaan met locale veranderingen in andere fysiologische functies zoals de cerebrale bloeddoorstroming en de oxidatie van het bloed. BOLD (Blood Oxygen Level Dependent) is een fmri methode die berust op het feit dat de eigenschappen van geoxideerd en gedeoxideerd bloed verschillen. Zuurstofrijk bloed is diamagnetisch, wat wil zeggen dat het magnetische eigenschappen heeft. Als dit bloed de haarvaten passeert, wordt het zuurstof weggetrokken, met als gevolg dat het bloed zijn magnetische eigenschappen verdwijnen. Dit is de paramagnetische toestand. Wanneer een hersengebied actief wordt, zal de plaatselijke verhoging van zuurstofrijk bloed groter zijn dan de hoeveelheid zuurstof die door het hersenweefsel opgenomen kan worden. Daardoor zal de verhouding van geoxideerd tot gedeoxideerd bloed stijgen in het gebied in kwestie. Zo kan een beeld van de hersenactiviteit ontworpen worden (Kwong et al., 1992). Als neuronen in de primaire visuele cortex vuren als reactie op licht, zal meer zuurstof aan dit gebied gegeven worden. Deze verhoging in het signaal vergeleken met de rusttoestand zonder licht kan gedetecteerd worden. Omdat een verandering in het signaal van één toestand naar een andere onderzocht wordt, vereist fmri steeds dat twee condities vergeleken worden. Bij deze studies tracht men een hersengebied te identificeren dat betrokken is bij een bepaalde functie door eerst een basistaak te kiezen en dan te kijken welke veranderingen optreden bij het uitvoeren van de taak die men onderzoekt. De keuze van deze basistaak is van kritiek belang voor de interpretatie van de resultaten. Wie bijvoorbeeld wil weten welke specifieke hersengebieden betrokken zijn bij de visuele verwerking van gezichten tegenover andere objecten, moet de hersenactiviteit die 17

optreedt bij deze twee taken met elkaar vergelijken. Als het doel is alle hersengebieden te beschrijven die betrokken zijn bij de visuele verwerking van een gezicht, moet de hersenactiviteit van bij het zien van gezichten vergeleken worden met de hersenactiviteit die optreedt bij het zien van een rudimentaire visuele vorm zoals een kruis. Met fmri wordt een neuronale respons niet rechtstreeks gemeten. Het is de reactie van het vasculaire systeem op de toegenomen nood aan zuurstof die neuronen in een bepaald hersengebied vertonen. Deze reactie treedt ongeveer 2 seconden na de stimulus op, bereikt een piek na 8 à 10 seconden om na 14 à 16 seconden opnieuw tot het normale niveau te zakken. Er wordt meestal een meting van de hersenactiviteit gedaan die tot op de seconde nauwkeurig is. Dit wil zeggen dat bij fmri een veel hogere temporele resolutie mogelijk is dan bij PET. 1.3.3. Elektromagnetische technieken Naast de metabolische eigenschappen van het brein, is ook de elektrische activiteit een index voor hersenactiviteit. Deze elektrische activiteit ontstaat door het vuren van neuronen, dat op zijn beurt ook een magnetisch veld doet ontstaan. Vergeleken met de metabolische technieken, leveren de elektromagnetische momenteel een onnauwkeurig beeld op van de plaats waar in de hersenen de activiteit optreedt. Anderzijds is de bepaling van het tijdstip waarop de hersenactiviteit optreedt veel nauwkeuriger. a. Single-cell recording Bij dit soort studie wordt een elektrode in een bepaald hersengebied geplaatst. De elektrische output van de cel die in contact staat met de elektrode wordt geregistreerd. Eerst wordt het basisniveau van de frequentie waarmee een cel vuurt, vastgelegd. Daarna tracht men na te gaan welke eigenschappen van een stimulus ervoor zorgen dat een cel boven zijn basisniveau gaat vuren. Er zijn verschillende zaken die onderzocht kunnen worden. Men kan nagaan of een cel reageert op input vanuit één of meerdere sensorische modaliteiten. Is de cel gevoelig voor informatie uit specifieke plaatsen in de zintuiglijke wereld of voor grote gebieden in de ruimte? 18

b. Elektro-encefalogram (EEG) Bij een elektro-encefalogram wordt de elektrische activiteit van de hersenen gemeten. In de klinische context wordt het gebruikt om abnormale hersenactiviteit op te sporen die bijvoorbeeld bij slaapstoornissen of epilepsie optreedt. Men kan ook nagaan welke patronen van elektrische activiteit optreden bij bepaalde psychologische toestanden zoals alertheid of slaperigheid. Bij een elektro-encefalogram worden metalen elektroden op de schedel geplaatst die de elektrische signalen van het brein registreren. Elke elektrode functioneert als een opmeetpunt. Er wordt ook een elektrode met een gebied verbonden dat elektrisch inactief is. Zo verkrijgt men een referentiepunt waarmee de activiteit die de andere elektroden opmeten, vergeleken kan worden. De elektrische potentiaal die een elektrode meet, bestaat uit het geheel van elektrische velden van gelijk gerichte neuronale dendrieten. De elektrische potentiaal heeft een bepaalde frequentie, het aantal cycli per seconde, en een bepaald voltage, wat een maat voor de sterkte van het signaal oplevert. Verschillende patronen van elektrische activiteit treden bij verschillende psychologische toestanden op. Zo domineert in de EEG van een wakker persoon vooral beta-activiteit, dit is activiteit met een relatief snelle frequentie. Een persoon die gerelaxeerd is of zijn ogen sluit, vertoont alpha activiteit, een lagere frequentie in zijn hersenactiviteit. Tijdens de slaap wordt de frequentie nog lager. Met EEG zijn experimentele kwesties onderzocht. Omdat alphagolven optreden bij een persoon die rust, wordt de afwezigheid ervan gezien als een indicator voor de activatie van het brein. De hoeveelheid alphaonderdrukking wordt onderzocht om te bepalen hoe actief het brein in verschillende condities is. Depressieve personen vertonen meer alphaonderdrukking in de rechter frontale gebieden dan in linker frontale gebieden. Daaruit besloot men dat depressie gepaard gaat met een grotere activatie in de rechter frontale gebieden dan in linker frontale gebieden. c. Event-related potentials (ERP s) Bij een ERP wordt de hersenactiviteit gekoppeld aan een bepaalde stimulus of gebeurtenis gemeten. Dit is het enige verschil met EEG, waarbij een continue meting van de hersenactiviteit gebeurt. De gemeenschappelijke plaatsing en het vuren van de dendritische velden in het brein na de stimulus, doen een dipool ontstaan. Dit is een klein gebied van 19

elektrische stroom met een relatief positief en een relatief negatief uiteinde. Met elektroden op de schedel kan men deze dipool detecteren. Gedurende het tijdsverloop van de stimulus veranderen de actieve groepen neuronen en daardoor verandert ook de plaatsing van de dipolen. Daardoor verandert op zijn beurt de vorm van de golf die vanop de schedel gevolgd wordt. De vorm van de golf bestaat uit verschillende componenten, die karakteristieke eigenschappen van de golf vormen die gekoppeld worden aan bepaalde psychologische processen. Een ERP component bestaat uit een letter, die aanduidt of de afbuiging van het elektrisch signaal negatief (N) of positief (P)is, en een getal dat het gemiddeld aantal milliseconden aanduidt waarop de component na stimuluspresentatie optreedt. Er zijn twee soorten componenten. De exogene componenten worden aan de fysische eigenschappen van een stimulus gekoppeld. Deze treden vroeg op in de golfvorm. De endogene componenten lijken, onafhankelijk van de eigenschappen van een stimulus, gedreven te worden door interne cognitieve toestanden. Deze treden laat op in de golfvorm. ERP s zijn zeer bruikbaar omdat ze informatie opleveren over het tijdsverloop waarin informatie door de hersenen verwerkt wordt. Het nadeel is dat vanuit het patroon van activiteit op de schedel niet met zekerheid kan afgeleid worden wat de locatie is van de dipool of dipolen in het brein die het patroon veroorzaken. Elk patroon van activatie op de schedel, kan wiskundig gezien door verschillende generatoren in het brein veroorzaakt zijn. d. Magnetoencephalogram (MEG) Bij MEG doet men een opname van de magnetische potentialen op de schedel om zo een beeld van de hersenactiviteit te bekomen. Bij een synchrone activiteit in verbonden velden van dendrieten ontstaat een dipool die uit een relatief positief en een relatief negatief geladen pool bestaat. Door het verschil in elektrische potentiaal ontstaat een magnetisch veld. Dit magnetisch veld kan men gebruiken om een dipool te lokaliseren. Het meten van magnetische velden heeft enkele voordelen vergeleken met het meten van elektrische potentialen. Het is immers zo dat elektrische stromen zich door verschillende media slechts in verschillende mate kunnen verplaatsen. Zo wordt elektriciteit goed door metaal en water geleid, maar niet door hout. Ook in de hersenen zijn er verschillende structuren die de elektrische stromen in verschillende mate kunnen geleiden. De sterkte van een magnetisch veld wordt minder beïnvloed door de verschillende weefsels. Bovendien zakt de sterkte van een magnetisch veld naarmate men zich van de bron beweegt op een 20

systematische manier. Daardoor kan men vanuit de sterkte van een magnetisch veld aan de buitenkant van het hoofd, afleiden hoe diep binnen het hoofd de bron van het magnetisch veld zich bevindt. Dit heeft als voordeel dat men het onderscheid kan maken tussen signalen binnen de linker of rechter hemisfeer. 1.3.4. Optische technieken Optische beeldvorming is een nieuwe techniek die het mogelijk maakt informatie te verkrijgen over zowel de bron van neurale activiteit als het tijdsverloop ervan. Bij deze methode wordt een lichtbron van infrarood licht op de schedel geplaatst. Detectoren samengesteld uit optische lichtbundels worden enkele centimeters naast de lichtbron geplaatst. Deze methode kan verschillende types informatie opleveren. Ten eerste kan de absorptie van het licht gemeten worden. Deze factor is gerelateerd aan de concentratie van chemicaliën in het brein. De meting van de absorptie van het licht is het trage signaal. Ten tweede kan de verdeling van het licht gemeten worden. De manier waarop het licht zich verdeelt, zegt iets over fysiologische eigenschappen zoals het zwellen van de glia en neuronen die vuren. Dit is het snelle signaal. Bij EROS (event-related optical signal) tracht men aan de hand van het snelle signaal informatie die met een stimulus gepaard gaat te beschrijven. Met deze techniek wordt de bron van activiteit tot op de millimeter bepaald, terwijl de temporele informatie tot op de orde van milliseconden nauwkeurig is. Deze techniek is nog niet veel gebruikt en het beschikbare werk erover bestaat vooral uit de validatie ervan. 1.3.5. Kwesties bij technieken die de hersenactiviteit meten De besproken technieken laten toe de relatie tussen hersenactiviteit en gedrag te bestuderen. De studies zijn zeer belangrijk geweest voor de fysiologische validatie van inzichten op basis van hersenonderzoek vanuit psychologisch perspectief. Ze leveren nu echter nieuwe bevindingen op over de cerebrale organisatie die voordien niet vanuit klinische studies duidelijk konden worden. Het meten van de hersenactiviteit heeft ook de meest uitgesproken standpunten over hemisferische lateralisatie in vraag gesteld. Er is weinig evidentie voor de stelling dat slechts 21

één van beide hemisferen een specifieke taak helemaal op zichzelf uitvoert. Uit de metingen blijkt dat zelfs bij de meest eenvoudige taak meerdere hersengebieden betrokken zijn. Er zijn wel asymmetrieën tussen de activiteit van de twee hemisferen, maar het is fout de hemisferische lateralisatie in eenvoudige dichotomieën te beschrijven. Kritieken op technieken die functionele beeldvorming mogelijk maken zijn schaars te vinden in de literatuur. W. Uttal heeft echter wel geargumenteerd dat deze technieken met enkele problemen te kampen hebben 8. Waar het Uttal om gaat is de lokalisatie van cognitieve functies. Hij stelt de mogelijkheid in vraag of men met behulp van de nieuwe fmri-technieken cognitieve functies in specifieke gebieden in het brein kan lokaliseren. Hij gaat zelfs zo ver dat hij dit project vergelijkt met de frenologie, de reeds lang achterhaalde discipline die uit de knobbels van de schedel het karakter van een mens trachtte af te leiden. Uttal ziet het brein evenmin als een homogene massa en erkent dat sommige sensorische en motorische processen reeds gelokaliseerd zijn. Er zijn een aantal impliciete aannames als men cognitieve processen tracht te lokaliseren in de hersenen. Er wordt aangenomen dat cognitieve processen definieerbaar, toegankelijk, en controleerbaar zijn; dat cognitieve processen modulair zijn; dat de neurale activiteit die gepaard gaat met een bepaalde cognitieve module gelokaliseerd is, en dat modules op een eenvoudige lineaire manier met elkaar interageren. Geen van deze aannames zijn echter makkelijk bewijsbaar volgens Uttal. Uttal geeft vijf verschillende argumenten waarom hij het niet mogelijk acht cognitieve functies te lokaliseren met fmri. Hij beroept zich op de geschiedenis van onder andere het laesieonderzoek, op logische en conceptuele argumenten, op de methodologische zwakheden en technische problemen van de strategieën gebruikt om functies te lokaliseren, en tenslotte stelt hij de betrouwbaarheid van de gegevens in vraag. Dit laatste gaat om de vraag of de data steeds dezelfde blijven in verschillende experimenten, of bij verschillende subjecten. In de geschiedenis van de neurowetenschap zijn heel wat verschillende strategieën gebruikt om lokalisatie te bereiken. Zo zijn er de elektrische-stimulatie-studies, EEG en ERP, laesie studies enz. Het belangrijkste besluit dat men kon maken in al deze studies is dat sensorische en motorische gebieden gedefinieerd en gelokaliseerd konden worden. Er waren altijd problemen met het lokaliseren van cognitieve functies in specifieke hersengebieden. Naar de methoden die vroeger gebruikt werden, wordt vandaag geen onderzoek meer gedaan. Volgens 8 Uttal, W. R. (2001). The new phrenology: the limits of localizing cognitive processes in the brain. Cambridge, MA: MIT Press. 22

Uttal waren er heel wat problemen mee, wat er mede voor gezorgd heeft dat ze verdwenen. De problemen bestonden erin dat de gebieden niet duidelijk afgegrensd konden worden en dat ze op complexe manieren met elkaar verbonden leken. Het is ook zo dat de reacties van een hersengebied wel aantonen dat het gebied noodzakelijk betrokken is bij het proces, maar niet dat het voldoende is om het proces mogelijk te maken. Dat neurofysiologische resultaten moeilijk controleerbaar en interpreteerbaar zijn, dat functies herstellen, enz. zijn bijkomende problemen. Uttal wijst er ook op dat vandaag een oud probleem (de poging cognitieve processen te lokaliseren) met een nieuwe methode wordt aangepakt (fmri). We komen nu bij de logische en conceptuele problemen. Het is zo dat cognitieve processen altijd inadequaat gedefinieerd zijn. Definities voor een cognitief proces zijn vaak gebaseerd op een bepaald soort experiment, het is niet zo dat een cognitief proces geïdentificeerd wordt, het zijn eerder hypothetische constructies. Ten tweede bestaat de verwarring tussen noodzakelijkheid en voldoende voorwaarden. We kunnen wel weten dat de activiteit in een hersengebied noodzakelijk betrokken is bij een cognitief proces, maar niet of de activiteit in dat hersengebied voldoende voorwaarde vormt voor dat cognitief proces. Ten derde is de discussie over de modulariteit van de hersenen nog niet beslecht, toch wordt modulariteit zomaar aangenomen in het project hersengebieden te lokaliseren. Er is ook gesuggereerd geweest dat het brein te complex is om het in stukjes op te delen om het te bestuderen en dat het onmogelijk is om de hiërarchie in een complex systeem zoals de hersenen te bepalen. 9 Het denken, en dus ook de cognitieve processen, vindt plaats in de complexe netwerken tussen neuronen. Het macroniveau van hersengebieden (hersenmodules) is volgens Uttal te groot om het denken aan het werk te zien. Het probleem is dat er zoveel wisselwerkingen zijn tussen neuronen dat het onmogelijk is ze vast te bepalen. Er is een lange geschiedenis van pogingen het denken op te delen. Nooit werd overeenkomst bereikt over het werkelijke aantal cognitieve processen. Daarom kunnen we ook de moderne cognitieve modules, bijvoorbeeld emotie, aandacht, probleemoplossing, mathematisch denken, geheugen, visuele inbeelding, enz., als hypothetisch beschouwen. Voor deze taxonomieën gelden dus een aantal eigenschappen. Zo is er geen overeenkomst over de definitie van cognitieve componenten, evenmin evolueert men naar overeenkomst. Met elke nieuwe theorie of experiment worden ook nieuwe cognitieve componenten toegevoegd. Een laatste logisch argument is dat adaptieve cognitie toelaat een probleem op verschillende 9 Hilgetag, CC, O'Neill, MA and Young (1996). MP: Indeterminate Organization of the Visual System, Science 271, 776-777. 23