Uncategorized

de hersenen als spier

 

     Hoeveel weet u nog van wat u op de middelbare (en lagere) school geleerd heeft? Kent u alle aardlagen nog? De citroenzuurcyclus? De belangrijke veldslagen van de Tachtigjarige Oorlog? Het antwoord op al deze en dergelijke vragen is waarschijnlijk dat u opvallend weinig van deze enorme brei aan gegevens heeft vastgehouden. Misschien heeft u zich, als ik, wel eens afgevraagd waar al dat leren en stampen van woordjes, chemische formules, geschiedkundige feiten goed voor was. Het antwoord is even eenvoudig als voor de hand liggend: uw hersenen zijn ervan gegroeid. 

     Een van de meest verstrekkende ontdekkingen op het gebied van de neurowetenschappen is de bevinding dat onze hersenen een flexibel, vormbaar orgaan zijn. Eeuwenlang ging men er van uit dat dit deel van ons lichaam, in tegenstelling tot de rest ervan, statisch was. Eenmaal aangelegd was het rondom de geboorte, of op zijn laatst toch wel na de puberteit, geheel uitgerijpt. Anders dan bij spieren, lever, of nieren zouden in de hersenen geen celdelingen meer optreden. Niets is minder waar gebleken. Het brein is een niet veel minder flexibel, vormbaar en trainbaar deel van ons lichaam dan onze spieren. Deze vergelijking strekt zelfs verder, want net als voor spieren geldt dat ontwikkeling van het brein gestimuleerd wordt door dit orgaan aan steeds hogere belasting bloot te stellen. Sterke spieren krijgen gaat niet vanzelf, slimme hersenen evenmin. 

     de vorming van nieuwe hersencellen 

     Op basis van dieronderzoek weten we al enkele decennia dat nieuwe cellen worden gevormd in specifieke delen van de hersenen. Dat vorming van nieuwe zenuwcellen optreedt bij dier en mens is inmiddels uit talloze studies gevoeglijk helder geworden. De vraag is eerder wat de reden is dat er celdelingen blijven op treden in de hersenen, ook nadat ze volgroeid lijken. Het feit dat (bij de mens) de nieuwe cellen voornamelijk, zo niet uitsluitend in de hippocampus worden gevonden geeft een vingerwijzing. Deze hersenkern, die als een negentig graden gedraaide komma diep in de hersenen ligt, is namelijk verantwoordelijk voor het inprenten van nieuwe informatie, voor leren dus. Inderdaad blijkt de deling van cellen in de hippocampus verband te houden met het leren van nieuwe informatie. Zoals je weg vinden in een woud. Bij mees en mens. Laten we bij de mees beginnen. 

     1. Hippocampus 

     Mezen komen veel voor in de bossen van het gematigde klimaat van Noord-Amerika. Aan het einde van de zomer en het begin van de herfst verandert er veel in het leven van dit vogeltje. Terwijl zijn dieet in de zomer voornamelijk uit insecten bestaat, moet de mees in de winter van zaden leven, omdat de insecten dan inmiddels van de kou gestorven zijn. Zaadjes zijn echter aanzienlijk schaarser dan insecten en dientengevolge moeten de mezen in de herfst en winter een veel groter gebied bestrijken dan in de zomer. Het gevolg is dat in de herfst hun leefruimte verdriedubbelt. Behalve in omvang verandert de leef-omgeving van de mees in de herfst in meer opzichten. Het landschap krijgt een ander aanzien: de bomen veranderen van kleur, verliezen hun blad en worden tenslotte kaal. Uiteindelijk valt de sneeuw, waardoor nog meer oriëntatiepunten voor de mees verloren gaan. Gedurende die periode van verstrekkende verschuiving in het leefmilieu van de mees moet deze zaadjes zoeken. De mees moet dus heel wat onthouden in de overgang van zomer naar winter. En inderdaad, de grootste toename in nieuwe hersencellen vindt plaats in de herfst, de periode dat het diertje leert. 

     Net als de mees moet leren navigeren in een nieuwe omgeving, moet de mens dit ook. Voor de mees is het een zaak van lijfsbehoud; voor de meesten van ons ligt dat iets genuanceerder. Met uitzondering van een kleine groep mensen voor wie efficiënt navigeren even belangrijk is voor het verkrijgen van voedsel als voor de mees – al is de relatie iets minder direct. Ik heb het over taxichauffeurs in Londen. Zou hun beroepsmatige activiteit, die niet erg verschilt van het werk dat de mees moet verrichten, effect sorteren op hun hersenen? Christopher Frith van het University College in Londen (ucl), een van de meest vermaarde instituten op het gebied van hersenonderzoek ter wereld, besloot dit te onderzoeken. Hij vergeleek zestien mannelijke Londense taxichauffeurs met een zorgvuldig geselecteerde con-trolegroep van dezelfde leeftijd en opleidingsniveau die echter met chaufferen geen bijzondere ervaring had. Bij alle proefpersonen werd de hersenstructuur onderzocht door gebruik te maken van mri-scans. Over het algemeen verschilden de breinen van de taxichauffeurs niet van die van de controles, op één specifiek aspect na: het achterste deel van de rechter hippocampus, het deel dat verantwoordelijk is voor het leren van ruimtelijke informatie, was bij de taxichauffeurs aanzienlijk groter dan bij de controle-proefpersonen. Dat niet alleen: de vergroting ervan hield gelijke tred met het aantal jaren ervaring als taxichauffeur. Anders gezegd, hoe langer ze hadden moeten navigeren door de straten van Londen, des te groter de rechter hippocampus. 

     Toch is niet uit te sluiten dat deze vergroting verklaard zou kunnen worden door een ander aspect in het leven van een taxichauffeur: het langdurig chaufferen op zich, bijvoorbeeld. Dat vergt immers ook nogal wat vaardigheid (en uithoudingsvermogen). Om uit te zoeken of de vergroting van de hippocampus ook echt het gevolg is van het navigeren en niet het autorijden alleen, heb je een goede vergelijkingsgroep nodig. Zoals een groep mensen die weliswaar veel door Londen rijdt maar niet langs nieuwe routes hoeft te navigeren. Waar vind je die mensen, die als het ware hun rechter hippocampus thuis kunnen laten? Dat zijn de buschauffeurs van Londen. Die rijden net zo veel door de stad als de taxichauffeurs, maar hun routes liggen vast, dus navigeren is er niet bij. Om die reden vergeleken Frith en zijn medewerkers de hersenen van zeventien Londense buschauffeurs met die van achttien taxichauffeurs uit dezelfde metropool. De groepen verschilden niet in leeftijd, jaren rijervaring, en intelligentie. Maar hun breinen wel, althans wat één aspect betreft. U raadt het: (het achterste deel van) de rechter hippocampus was groter bij de taxichauffeurs dan bij hun busrijdende collega’s. 

 leren en de vorming van nieuwe hersencellen 

     Dat er een verband bestaat tussen een grotere hippocampus en het leren van (ruimtelijke) informatie is door Frith en medewerkers overtuigend aangetoond. Maar is dat ook, zoals bij de mees, het gevolg van de vorming van nieuwe cellen in het brein? Het vaststellen van een relatie tussen de aanleg van nieuwe hersencellen en leren is bij de mens vrijwel onmogelijk, omdat hersenweefsel niet tijdens het leven kan worden onderzocht. Althans meestal niet. Recent (2010) is een studie verricht door neurowetenschappers van de universiteit van Erlangen in Duitsland die daar wel in zijn geslaagd. De onderzoekers maakten gebruik van een betrekkelijk zeldzame groep patiënten: mensen met epilepsie (vallende ziekte) als gevolg van een verstoorde activiteit in een specifiek deel van hun hersenen, namelijk de hippocampus. Meestal is deze vorm van epilepsie met medicijnen te behandelen. In een enkel geval hebben anti–epileptica echter geen effect, en dan is de enige remedie het deel van de hersenen waar deze aanvallen ontstaan chirurgisch te verwijderen. De onderzoekers uit Erlangen verzamelden een groep van 23 patiënten bij wie de gehele hippocampus moest worden verwijderd. Dit deel van de hersenen werd onmiddellijk na de operatie gebruikt om cellen te kweken, hetgeen mogelijk is door de cellen op een laboratoriumschaaltje te leggen en groeifactoren toe te voegen. Daarnaast werd de hippocampus onderzocht op celdichtheid. Bij de patiënten was voorafgaand aan de operatie hun geheugen getest, met name het vermogen woorden te onthouden. Dit weerspiegelt een van de fundamentele aspecten van leren. 

     Toen de onderzoekers na enige tijd hun laboratoriumschaaltjes onder de loep namen, viel hen een opvallend patroon op. Bij 12 van de 23 patiënten was een sterke toename opgetreden in nieuwe zenuwcellen; de andere elf schaaltjes boden een povere aanblik: de oogst aan nieuwe zenuwcellen was zeer schamel. Op zich een opmerkelijk verschil. Maar de bevinding werd verstrekkender toen een verband werd gelegd tussen de cognitieve prestaties van de patiënten en de nieuwvorming van zenuwcellen in de laboratoriumschaaltjes. De lege schaaltjes bleken toe te behoren aan de mensen die het slechtst hadden gepresteerd op de leer- en geheugentaak; de bakjes die vol nieuwe zenuwcellen zaten, behoorden bij de hersenen van de mensen met de beste prestaties op deze test. Anders gezegd: hoe slechter de prestatie op de leertest des te geringer de vorming van nieuwe cellen in de kweek en andersom. Het verschil was niet te verklaren door de ernst van de epilepsie of gebruikte medicatie. 

     Deze studie is dus de eerste die een verband bij de levende mens heeft aangetoond tussen vorming van hersencellen en het leren van nieuwe informatie: leren leidt tot de vorming en differentiatie van nieuwe cellen in het brein. Maar leren is niet genoeg. Het moet moeite kosten. Simpele taakjes helpen niet. Net als bij spieren geldt: zonder zweet, geen groei. Voor de hersenen is het niet anders: zonder blokken geen baat. 

     no pain, no gain bij dier… 

     Ook het verband tussen blokken en breingrootte blijkt uit het leven van de mees. Ik heb al uitgelegd dat deze hersenkern een grote rol speelt bij het opsporen van zaden in de besneeuwde bossen van Noord-Amerika. Maar mezen komen niet alleen op die breedtegraad voor. Er zijn ook hele mezenstammen die zich in behaaglijker streken ophouden, waar de seizoenen minder uitgesproken klimatologische verschillen laten zien. In deze gebieden, die geen (strenge) winters kennen, hoeven de mezen minder hun best te doen om voedsel te vinden, het landschap verandert minder van aanzien en de oriëntatiepunten blijven meer gelijk. Mezen in de staat Kansas (in het midwesten van de Verenigde Staten) hebben het intellectueel gezien een stuk gemakkelijker dan hun soortgenoten in de staat Alaska: hun ruimtelijk geheugen wordt aanzienlijk minder op de proef gesteld. Zou dat verschil ook in de grootte van hun hippocampus tot uiting komen? Professor Vladimir Pravosudov van de universiteit van Nevada besloot het uit te zoeken. Hij verzamelde mezen uit streken met een af-lopende breedtegraad, van noord naar zuid, dus: uit Alaska, British Columbia (Canada), Montana, Colorado en Kansas. In iedere streek ving hij een groot aantal mezen en onderzocht het volume van hun hippocampus. En inderdaad: hoe strenger de winters, hoe groter de verschillen tussen de seizoenen, hoe noordelijker de breedtegraad, des te groter het volume van de hippocampus in de mees. Het volume van de hippocampus was het grootst bij de mezen uit Alaska en het kleinst in die uit de staat Kansas en hield zelfs gelijke tred met de aflopende breedtegraad. De hippocampus werd kleiner naarmate de mezen in zuidelijker streken leefden. En dat niet alleen. De volumevergroting was bovendien toe te schrijven aan het aantal nieuwe zenuwcellen dat was gevormd. Oftewel, hoe groter de – in dit geval intellectuele – belasting van de mees, des te sterker de hersenen zich moeten aanpassen. En dat doen ze dus blijkbaar ook. 

     Toch zou het nog kunnen dat de grotere hippocampus in de noordelijke mezen niet een aanpassing aan het ruwe klimaat is, maar op selectie berust. Misschien overleven alleen mezen met een grote hippocampus de winters van Alaska, terwijl die selectiedruk in Kansas niet aanwezig is. Om een oorzakelijk verband tussen de grootte van de hippocampus (of hersenen in het algemeen) en intellectuele belasting tijdens het leven van het dier aan te tonen zijn laboratoriumexperimenten nodig, en die zijn inderdaad verricht: bij ratten. De proefopstelling die bij de ratten wordt gebruikt lijkt zeer simpel, maar dat vindt het beestje niet. Hij krijgt een toon te horen en daarna volgt, meestal een halve seconde later, een luchtpufje dat machinaal op het oog wordt geblazen. Als gevolg daarvan knippert de rat reflexmatig met zijn oogleden. Nadat dit een (groot) aantal malen herhaald is, begrijpt het dier dat op de toon de luchtpuf volgt en gaat al voordat die komt met zijn oog knipperen. Zo is te zien en te meten dat de rat de twee stimuli met elkaar verbonden heeft. Belangrijk aan deze opstelling is dat de moeilijkheidsgraad kan worden veranderd: hoe langer de interval tussen toon en luchtpuf, des te moeilijker de test (je moet een slimme rat zijn om dan nog een verband te ontdekken). 

     Niet alleen leidt deze test tot de vorming van nieuwe hersencellen bij de rat, deze zenuwen blijven ook langer aantoonbaar – ze leven dus langer. Maar niet bij alle ratten: deze verlengde levensduur van de hersencellen treedt louter op bij de ratten die succesvol zijn in het ontdekken van het verband tussen toon en luchtpuf. Sterker, de hersencellen overleven het langst bij die ratten die de moeilijkste taken volbracht hebben – de test met de langste tussenpauze tussen toon en luchtpuf. 

Hoe moeilijker de test, en dus hoe groter de leerinspanning, des te meer neuronen in leven blijven. 

     … en mens 

     Bij mensen is het niet anders, zo toont onderzoek bij studerende studenten (nee, dit is geen pleonasme) aan. Als je een verband tussen leren en hersengroei wilt aantonen, is de beste opzet om de hersenen te onderzoeken net voorafgaande aan een studieperiode en (onmiddellijk) daarna. Aangezien direct onderzoek van hersencellen bij de levende mens nog niet mogelijk is, moet dergelijk onderzoek met behulp van hersenscans geschieden. Een groep onderzoekers van de universiteit van Regensburg in Duitsland besloot medisch studenten te onderzoeken die voor hun Physikum studeerden, het examen aan het eind van de eerste twee jaar van de studie geneeskunde dat het theoretische deel van de studie afsluit (ons vroegere kandidaatsexamen). Het is een zwaar examen en omvat (net als in ons land) tentamens in biologie, scheikunde, fysica, anatomie en fysiologie. Voorafgaande aan het examen moeten de studenten drie maanden lang intensief colleges volgen en ouderwets gegevens stampen. Een ideale situatie om te onderzoeken of leren de hersenen verandert. Hersenscans werden aan het begin van deze periode gemaakt bij 38 

geneeskundestudenten en de scan werd herhaald direct na de studieperiode van drie maanden. Een derde scan werd nog eens drie maanden later gemaakt. Om na te gaan of het echt om het effect van het studeren ging, werden als controle ook twee hersenscans gemaakt met een zelfde tussenpauze bij een groep studenten in de fysiotherapie die in die periode niet voor een examen hoefden te studeren, maar verder qua opleiding, intelligentie en sociale afkomst niet van de geneeskunde studenten verschilden. 

     Niet alleen slaagden de medisch studenten voor hun examen, het leren had nog een ander resultaat: het veranderde hun hersenen. De grijze stof, waar zich de celkernen bevinden, waar de signalen in het brein ontstaan en ontvangen worden, was aanzienlijk in volume toegenomen in de hippocampus en in de zijkwabben. Hoewel de toename opmerkelijk was, lagen de gebieden waar deze groei optrad geheel in lijn met de verwachting. Zoals aangegeven, is de hippocampus verantwoordelijk voor het opslaan van nieuwe informatie. De gebieden in de zijkwabben zijn ook betrokken bij geheugen en wel voornamelijk bij het opslaan voor de langere termijn. De groei in deze hersengebieden was niet alleen uitgesproken direct na het examen, maar bleef aantoonbaar tot drie maanden daarna. Dat pleit ervoor dat het effect niet alleen verklaard kan worden door de aanmaak van nieuwe cellen maar ook, precies zoals bij dieren is gevonden, doordat deze cellen langer in leven blijven. 

     Dit effect blijft niet beperkt tot Duitsers. Want eenzelfde invloed van leren is ook gevonden in de breinen van 32 Italiaanse studenten geneeskunde verbonden aan het Ospedale San Raffaele in Milaan. De eerste scan vond plaats voordat de studenten aan een studieblok van twee weken begonnen met lesdagen van acht uur. Daarin werd ze anatomie, biologie en fysiologie onderwezen. De controlegroep, bestaande uit medisch studenten van dezelfde leeftijd en met een gelijk intelligentieniveau, werd gescand aan het begin en het eind van een vrije periode tussen twee semesters in. De groepen verschilden evenmin in hobby’s, dagelijkse activiteiten en andere voorkeuren. Zelfs na die korte periode van leren, die immers niet meer dan twee weken bedroeg, waren er duidelijke verschillen tussen de twee groepen te zien op de hersenscans. Bij de proefpersonen die gedurende die periode hadden zitten blokken was de hoeveelheid grijze stof in de hersenen in de voorste hersendelen sterk toegenomen. Deze hersendelen zijn inderdaad van belang voor het leren, het controleren op fouten (in dit geval: of je wel de goede lesstof opneemt) en het vasthouden van informatie in het geheugen. 

     tot slot 

     Elke dag worden duizenden nieuwe cellen in ons brein gevormd. Die cellen zijn er niet voor niets: ze stellen ons in staat om te groeien, in figuurlijke maar ook in letterlijke zin. Dat gaat echter niet vanzelf, want van een beetje aanmodderen is ons brein niet gediend. Als we willen dat ons brein groeit, zullen we ervoor moeten werken. Onze hersenen zijn net als spieren: als het geen inspanning kost, worden ze niet groter. Heb ik gezegd dat het makkelijk was? 

Dit vind je misschien ook leuk...

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *