hersenen

Experimenten op mensen met geheugenchip begonnen

Na geslaagde experimenten op muizen en apen, experimenteert de universiteit van Zuid Californië UCLA nu op mensen met een chip, die herinneringen vastlegt.

Geheugenproblemen
Honderden miljoenen mensen lijden aan geheugenproblemen. Ook voor mensen met een ‘normaal’ geheugen, zou een hardware uitbreiding die herinneren makkelijker maakt, zeer welkom zijn. Om maar niet te spreken van de mogelijkheden om herinneringen in de cloud of in een flash memory op te slaan. Je zou zo in een fractie van een seconde een nieuwe taal kunnen leren, of een ander vak. Kortom: best belangrijk.

Memory access
DARPA, het onderzoeksinstituut van het Amerikaanse leger (op zich reden om extra goed op te letten), betaalt Theodore Berger, een gepromoveerd biomedisch ingenieur aan UCLA, om baanbrekend onderzoek te doen naar de mogelijkheden om herinneringen in te lezen en vast te leggen. Kortom: read en write-access tot ons geheugen.

Hippocampus
Dit is op het eerste gezicht extreem lastig. Onze hersenen zijn radicaal anders van structuur dan de Neumann-architectuur gebaseerde computers van nu. In ons brein zit geen processor, maar rond de honderd miljard neuronen, hersencellen die onderling verbonden zijn met dendrieten (de input) en een axon (de outputkabel). Toch lijkt het Berger nu gelukt te zijn, dit na 35 jaar noeste arbeid. Hiervoor kraakte hij de code van de ‘microcontroller’ van het brein dat korte-termijn herinneringen naar het lange-termijn geheugen overplaatst: de hippocampus. Deze ligt diep onder de hersenschors, tegen het limbische systeem aan.

De hippocampus, zoals getekend door de negentiende-eeuwse bioloog Golgi. Bron: Wikimedia Commons.

De hippocampus krijgt in het gebied CA3 prikkels binnen, die in de hippocampus worden bewerkt en via het gebied CA1 worden verstuurd naar de geheugenopslag: de cortex (hersenschors).

Als je in staat zou zijn de functie van de hippocampus te kraken, zou je naar believen dingen kunnen onthouden, uiteraard met de beperkingen van de (vrij langzame) biologische hardware van het brein.

Herinnering opgeslagen op chip
Dit laatste heeft Berger nu voor elkaar gekregen. Hiervoor ging hij uit van de stelling, dat herinneringen bestaan uit series elektrische pulsen. Zo communiceren neuronen namelijk met elkaar. Hij stelde ratten bloot aan de bekende hefboom met beloning en luisterde de neuronen van hun hippocampus af. Hij sloeg de CA1-signalen, de output, op in een chip. Vervolgens kreeg het proefdier een middel waardoor de lange-termijn geheugenopslag wordt geremd. De rat wist hierdoor niet meer dat het overhalen van de hendel een beloning betekende. Nadat de opgeslagen reeks prikkels weer door werd gegeven aan gebied CA1, herkreeg de rat de herinnering. Voor het eerst in de geschiedenis is het hierdoor gelukt om een herinnering (bij ratten althans) digitaal op te slaan en weer terug te halen [1]. Hierbij moet je dan wel bedenken dat herinneringen nog een vervolgbewerking ondergaan in de cortex en soms pas na jaren definitief als lange-termijn herinnering worden opgeslagen. Voor het middellange-termijn geheugen werktndere het principe goed.

Apen en mensen
De vervolgstap die het team nam was het opslaan van beelden bij dieren met een ingewikkelder brein: apen. Beelden worden bij apen en dus ook mensen verwerkt in de prefrontale cortex. Ook hier werd gemeten wat het verband was tussen CA3-input en CA1-output. Na enige wiskundige bewerkingen slaagde het team erin om in 80% van de gevallen een juiste voorspelling te doen van hoe de CA1-output er uit zou komen te zien. Met andere woorden: hun apparaat kan de hippocampus bijna geheel vervangen. Wat ook bleek: het team slaagde erin om een uitgeschakelde hippocampus te vervangen en herinneringen vast te leggen. Apen met geheugenstoornissen bleken hiervan genezen te kunnen worden door het implantaat.[2].

Ethische kanten
De volgende stap, in 2014, werd genomen in samenwerking met twaalf menselijke vrijwilligers. Gezien de gevaren van hersenoperaties kozen de onderzoekers voor epilepsiepatiënten, die al over elektroden in het brein beschikken. Epilepsie wordt gekenmerkt door ongecontroleerde explosies van vurende neuronen. Bij de groep vrijwilligers tastte de ziekte hun hippocampus aan. Ook hier werd dezelfde strategie toegepast. Over de voorlopige resultaten doet de groep geen mededelingen, maar er lijkt sprake te zijn van een positief resultaat wat betreft het vormen van herinneringen[3]. Dit zou erg groot nieuws zijn. Dan zijn we namelijk op de goede weg wat betreft het behandelen van ziekten als Alzheimer en andere geheugenstoornissen. Er is ook een keerzijde aan deze techniek. Hiermee kan je namelijk valse herinneringen implanteren. Gelukkig lijkt Berger dit zeer goed te beseffen[4] en kiest daarom bewust voor een prothese die alleen de patiënt helpt herinneringen beter op te slaan. Niet om door iemand anders herinneringen naar keuze te implanteren. In Bergers woorden, “I mean, that has a creep factor of about, on a scale from 1-10 it’s about a 12.”. Enter Manchurian Candidate e.d.

Bronnen
1. Berger TW, Hampson RE, Song D, Goonawardena A, Marmarelis VZ, Deadwyler SA. A cortical neural prosthesis for restoring and enhancing memory. Journal of neural engineering. 2011;8(4):046017. doi:10.1088/1741-2560/8/4/046017.
2. Hampson RE, Gerhardt GA, Marmarelis V, Song D, Opris I, Santos L, Berger TW, Deadwyler SA., Facilitation and restoration of cognitive function in primate prefrontal cortex by a neuroprosthesis that utilizes minicolumn-specific neural firing.J Neural Eng. 2012 Oct;9(5):056012. Epub 2012 Sep 13.
3. Brain implant could help people with memory loss, Alzheimer News, 2015
4. Lezing Theodore Berger op Global Future 2045 Congress, 2015

Vier rattenbreinen vormen Gestalt-brein

In science fiction heten breinen die aan elkaar gekoppeld worden en een superbrein vormen, een Gestalt-brein. Precies dat is nu gelukt met rattenbreinen. Zou dat ook met menselijke breinen kunnen?

Ons brein, een enorm neuraal netwerk
Ons brein vormt, net als het brein van ratten, octopussen en andere dieren met een centraal zenuwstelsel, een neuraal netwerk. Zenuwcellen, meer precies: neuronen, vormen korte uitlopers, dendrieten, en lange uitlopers, axonen. De dendrieten krijgen elektrische impulsen binnen en verwerken ze (we denken door trillingspatronen te matchen), de axonen transporteren en geven de prikkels af. Aan een axon zitten meestal duizenden dendrieten van andere neuronen, waardoor ze worden afgeluisterd. Er is geen fysieke grens aan dit netwerk. In theorie zou je een enorm brein kunnen bouwen, in science fiction verhalen bekend als een avatarbrein) , al zal het dan moeilijker zijn de neuronen op elkaar af te stemmen. Dat is bij mensen al lastig. Daarom komen er bij mensen ook zoveel geestelijke ziekten voor.

Rat-computer van vier breinen
Een groep onderzoekers heeft precies dat gedaan [1]. Ze hebben van een viertal ratten de breinen aan elkaar gekoppeld, althans: breinimplantaten die in de hersenschors van de rattenbreinen waren gemonteerd, aan elkaar gekoppeld. De “gelukkige” ratten werden in twee koppels onderverdeeld, die alleen elkaar konden zien. Vervolgens kreeg deze “computer”opdrachten om dingen in categorieën in te delen, beelden te herkennen, tactiele indrukken op te slaan en weer te geven en zelfs om het weer te voorspellen. De vier aan elkaar gekoppelde rattenbreinen bleken bij al deze opdrachten duidelijk beter te scoren dan een individuele rat. Denk dan aan ongeveer de helft beter.

Kunnen we een Gestalt brein bouwen door hersenen aan elkaar te koppelen? Bij ratten is het gelukt. Bron: lanakiv.wordpress.com

Reusachtige “rat-puter”
De onderzoekers willen vanzelfsprekend hun Gestalt-brein uitbouwen en verbeteren. Ze denken dat de organische computer erg nuttig kan zijn om allerlei problemen die lastig zijn voor een klassieke computer, op te lossen. Zo bleken slechts 25.000 rattenneuronen in een Petrischaaltje opmerkelijk effectief te zijn in het besturen van een straaljager.

Zou dit ook bij mensen kunnen?
Mensenbreinen zijn aanmerkelijk groter dan die van  ratten en hebben ook efficiëntere grijze stof, maar in principe is de manier waarop de zenuwcellen van mensen en ratten werken vrijwel hetzelfde. Deze techniek zou dus ook bij mensen kunnen worden toegepast. Of we dat moeten willen, vraag ik me af. We hebben al goede organische computers: mensen. Om eerlijk te zijn voel ik er helemaal niets voor om overbodig te worden, of dat anderen dat worden. Het is denk ik veel interessanter om een herseninterface tussen klassieke computers en het menselijk brein te bouwen. Dan zou je taken waar computers in zijn, zoals ingewikkelde berekeningen en logica, aan de computer uit kunnen besteden, terwijl het creatieve deel en het besturen van al deze gedachtenprocessen aan ons mensenbrein wordt overgelaten. Dan kunnen mensen ook meeprofiteren van de Wet van Moore en blijven er ook in de toekomst nog mensen centraal staan in de economie.

Bron
1. Pais-Vieira, M. et al. Building an organic computing device with multiple interconnected brains. Sci. Rep. 5, 11869; doi: 10.1038/srep11869 (2015)

Het voortbestaan van je identiteit

Onze hersenen zijn berucht als onderwerp van enkele van de lastigste filosofische vragen. Hier gaan we in op de kwestie van identiteit.

Wat is je identiteit?

Je identiteit of `ik’-gevoel is de beleving dat je in jouw hoofd zit en niet in het hoofd van een ander. Je beleeft bewust wat er zich in jouw hoofd afspeelt, maar je hebt geen directe toegang tot wat er in andermans hoofd gebeurt. Het is een subjectieve ervaring.

We hebben het gevoel dat we dezelfde persoon zijn als gisteren, of vorig jaar. In werkelijk veranderen we sterk. De moleculen waaruit we bestaan worden continu vervangen, maar nog belangrijker, de structuren en patronen in onze hersenen veranderen ook steeds.

We vergeten veel, leren nieuwe dingen bij, onze omgeving verandert. Een mens kan sterk veranderen in tien of twintig jaar, helemaal gedurende de ontwikkeling van kind tot volwassene. Als je al lang een dagboek bijhoudt is het interessant om eens terug te lezen wat je jaren geleden deed en dacht.

Continuïteit

Toch beschouw je je nog steeds als diezelfde persoon. Het lijkt alsof er een continuïteit is in je identiteit. Ook als je ontwaakt uit slaap, coma of verdoving voel je je nog steeds dezelfde persoon, ondanks het feit dat je bewustzijn onderbroken is geweest.

Anderen blijven je ook zien als dezelfde persoon, maar om andere redenen. Bijvoorbeeld omdat je op korte termijn nauwelijks verandert. Maar ook mensen die je lang niet hebben gezien zullen je nog als dezelfde persoon beschouwen. Zelfs als ze je niet meer kunnen herkennen aan je uiterlijk of gedrag, zullen ze je identificeren op basis van je naam, achtergrond, of gezamenlijke herinneringen.

Een hedendaagse scan met MRI. Kunnen we onze identiteit uploaden uit onze hersenen? (Wikimedia commons)

Een kopie maken

Laten we enkele gedachtenexperimenten doen. Stel dat teleportatie mogelijk zou zijn. De structuur van je hersenen wordt met zeer hoge resolutie gescand, veel beter dan op dit moment mogelijk is. Deze informatie wordt elders gebruikt om een identieke versie van jou te maken. Ondertussen wordt het origineel (jij!) vernietigd, dus ogenschijnlijk ben je geteleporteerd.

Zou die nieuwe versie van jou zich dan nog dezelfde persoon voelen als jou? Waarschijnlijk wel, want alle herinneringen, persoonlijke kenmerken en vaardigheden zijn hetzelfde. En anderen zullen er ook zo tegenaan kijken, die zien geen verschil. Kunnen we dan zeggen dat je `ik’ probleemloos voortleeft in de kopie? Dit ligt wat ingewikkelder.

Welke kopie heeft jouw identiteit?

Stel dat je niet een kopie maakt, maar twee of zelfs een heleboel. Dan zou je `ik’ zich in elk van die kopieën bevinden. Als je het aan ze zou vragen zou elke kopie vinden dat ze dezelfde identiteit hebben als de oorspronkelijke persoon. Maar dat lijkt onmogelijk, tenzij je identiteit zich kan opsplitsen. Hoe kan je de beleving hebben in meerdere hoofden tegelijk te zitten? In de ene wel en de andere niet is ook niet logisch. Dan is de consequentie dat je `ik’ zich waarschijnlijk in geen enkele kopie bevindt.

Een ander gezichtspunt is als het origineel behouden blijft terwijl er een kopie gemaakt wordt. Je identiteit zou zich zeker nog in het origineel bevinden, als de scantechnologie niets verandert aan je. Het lijkt niet aannemelijk dat het `ik’ ook naar de kopie zou gaan.

De conclusie lijkt te zijn dat elke kopie die wordt gemaakt een compleet andere identiteit heeft als de oorspronkelijke persoon, ook al zijn ze identiek op het moment dat de kopie gemaakt wordt.

Je brein uploaden en identiteit

Is je identiteit dan onlosmakelijk verbonden aan je hersenen?

Een ander gedachtenexperiment is om alle informatie in je hersenen heel geleidelijk te `uploaden‘ naar een computer. Hierbij nemen we aan dat onze geest substraat onafhankelijk is, dus het maakt niet uit of die zich bevindt in biologische hersenen, of bijvoorbeeld in silicium chips. Je vervangt hersencel na hersencel door computerhardware en -software die de precieze structuur en functie van de hersenen simuleren. Als je deze procedure geleidelijk uitvoert zal je er niks van merken en blijft je `ik’ tijdens elk tussenstadium bestaan. Het eindresultaat is dat je hersenen zijn geupload in een computer.

Het ziet er naar uit dat je `ik’ zich dan dus ook netjes in de computer bevindt. Als je nu kopieën gaat maken van je `silicium brein’ (een stuk makkelijker dan bij de biologische hersenen), loop je weer tegen dezelfde problemen aan. Heeft het zin om een kopie van je hersenen te maken als backup voor als je hersenbeschadiging oploopt of doodgaat? Waarschijnlijk zou het resultaat een ander persoon zijn.

Is het `ik’ misschien een grote illusie?

Als het `ik’ een volledig subjectieve beleving is, kan het dan een illusie zijn? Is het hele concept onzinnig?

De consequentie hiervan is dat je er dan geen probleem mee zou moeten hebben als je zelf gedood wordt, mits er tegelijkertijd elders een exacte kopie van je wordt gemaakt. Netto verplaats je dan alleen, per slot van rekening. Echter je overlevingsdrang zou koste wat kost willen voorkomen dat je origineel wordt vernietigd.

Maar dan nog. Levende wezens hebben nu eenmaal een sterke drang tot overleven. Dit is een logisch product van evolutie; soorten zonder die eigenschap zouden snel uitsterven. Kan het zo zijn dat deze drang de enige reden is dat je niet akkoord zou gaan met bovengenoemde procedure, waarbij je vernietigd wordt terwijl er een exacte kopie gemaakt?

Ik ben zelf van mening dat een zekere mate van ruimtelijke continuïteit essentieel is voor het behoud van je identiteit. Je kunt het verplaatsen naar een ander medium, maar dan wel geleidelijk. Een exacte kopie die afzonderlijk gemaakt wordt kan je niet beschouwen als jezelf.

Hoe denken jullie hierover?

Video: ontwikkeling van het brein van een foetus

Voor het eerst in de geschiedenis zijn onderzoekers er in geslaagd om de ontwikkeling van een menselijke baby van dag tot dag te volgen in een MRI-scanner. Volg in deze korte video de ontwikkeling van het brein.

Dit leverde waardevolle inzichten op. Voor het eerst kunnen onderzoekers nu volgen hoe het menselijk brein zich ontwikkelt tijdens de zwangerschap, waardoor de kans veel groter is geworden dat de oorzaak van aangeboren hersenziekten wordt gevonden en kan worden verholpen.

Breinachtige chip imiteert menselijke hersenen

Al onze moderne computers zijn gebaseerd op een concept van al een halve eeuw geleden. Chipontwerpers hebben nu een nieuwe chip ontwikkeld die radicaal anders werkt, namelijk gebaseerd op de architectuur van een menselijk brein. De chip blijkt veel meer rekencapaciteit te hebben dan een traditionele chip van vergelijkbare grootte. Is dit het geheim van de opmerkelijke efficiëntie van het menselijk brein?

In deze chip kunnen alle neuronen in principe met elkaar communiceren. De chip versloeg conventionele computers van vergelijkbare grootte al op veel terreinen.

Hoe werken computers?
Alle digitale computers die tegenwoordig op de markt zijn, werken volgens hetzelfde principe. Ze bestaan uit een processor, een werkgeheugen en een klok. Bij elke rekenstap laadt de processor een ‘woord’, bestaande uit een rijtje enen en nullen, van een stapel (stack) in het werkgeheugen en voert hier een bewerking op uit. Het resultaat wordt weer teruggeplaatst in het werkgeheugen. Dit ontwerp bleek erg succcesvol – vrijwel elke computer werkt er mee – maar kent een aantal grote nadelen. Zo lopen alle bewerkingen via de processor. Deze processor is zwaar overbelast en gebruikt heel veel energie. We lopen nu dan ook steeds mee tegen de beperkingen van de bestaande computerarchitectuur aan.

Menselijk brein
Ons brein kan net als een computer informatie verwerken. Alleen werkt ons brein radicaal anders dan een computer. Zo bestaat ons brein uit miljarden rekeneenheden – neuronen, een type zenuwcellen – die onderling verbonden zijn met een gedetailleerd web van dwarsverbindingen. Elk neuron verwerkt zowel informatie als slaat informatie op. Neuronen communiceren onderling weliswaar traag, maar omdat het er zo ontzettend veel zijn, en elk neuron tegelijkertijd werkt, kan ons brein van nog geen anderhalve kilo toch in veel opzichten grotere prestaties leveren dan een moderne supercomputer. Geen wonder dat computerwetenschappers nu proberen deze structuur in hardware na te bouwen.

Neuronische chip
Karlheinz Meier van de universiteit van de Duitse stad Heidelberg heeft nu met een aantal collega’s een chip ontwikkeld, Spikey, die vierhonderd ‘neuronen’ kent. Een neuron in ons brein werkt met een voltage over de celwand. De kunstmatige neuronen in deze chip bestaan uit condensatoren, elektronische onderdelen die lading opslaan. Overschrijdt de lading in de condensator een bepaalde grenswaarde, dan begint deze lading te stromen – een ‘puls”. Zo werken onze neuronen ook. Inderdaad is in deze chip gedrag aangetroffen dat ook bekend is van kluitjes hersenweefsel in het laboratorium. Nog interessanter is dat dit circuit zelf kan leren. Dit ten koste van een zekere onvoorspelbaarheid. Op dit moment wordt gewerkt aan circuits met honderdduizenden neuronen, uiteindelijk gevolgd door voldoende kleine neuronen, gestapeld, om de visuele cortex van een rat te simuleren. Uiteindelijk een menselijk brein op een chip?

Bron
Thomas Pfeil et al., Six networks on a universal neuromorphic computing substrate, ArXiv (2012)

De oorsprong van ons lichaam

In deze driedelige documentaire serie van de BBC “Origins of Us”, neemt Alice Roberts ons mee op reis naar het verhaal van ons eigen lichaam. Ze laat aan de hand van kenmerken van ons huidige lichaam zien wat dit ons kan vertellen over de omstandigheden waaraan onze voorouders werden blootgesteld en zich aan moesten aanpassen. Ze zoekt verklaringen voor lichamelijke kenmerken zoals waarom mensen amper nog een vacht hebben en waarom baby`s bij mensen als je het vergelijkt met andere primaten standaard te vroeg geboren worden.

Deel 1: Botten, in dit deel wordt de evolutionaire reis van de mens bekeken aan de hand van ons skelet.

 

Deel 2: Ingewanden, hierin wordt duidelijk hoe onze ingewanden zich hebben aangepast aan het dieet van onze voorouders, hun voedselaanbod heeft evolutionair gezien een boel veranderingen teweeg gebracht. Zo zijn mensen bijvoorbeeld in staat veel beter zetmeel te verteren dan andere soorten mensapen. Ook lijkt voedsel een grote invloed te hebben gehad op de ontwikkeling van paarvorming bij mensen.

 

Deel 3: Hersenen, in dit laatste deel wordt ingegaan op het pronkstonk van de mensheid in de evolutionaire strijd om voortbestaan, onze hersenen. Wat zorgde ervoor dat onze hersenen zo groot konden worden, en heeft het naast voordelen ook nadelen? En wat is de rol van koken geweest op onze hersenomvang?

 

Een interessante vraag wellicht is hoe ons huidige leefmilieu onze lichamelijke evolutie vandaag de dag beïnvloed. Zijn het de mensen die het meest gevoelig zijn voor RSI waar tegenwoordig het sterkst tegen wordt geselecteerd? Hoe ziet de gemiddelde mens er over een 2 miljoen jaar uit? Speculatie is gewenst :-)

Elektrische stroom maakt expert

Het kost ongeveer tienduizend uur oefening om ergens expert in te worden. Er is nu een apparaat ontwikkeld dat deze periode drastisch inkort. Maak je klaar voor schokkend nieuws.

De ijzeren tienduizend-uren regel
Het kost ongeveer tienduizend uur om tot de top van een bepaald vakgebied te gaan behoren. Dit geldt voor totaal verschillende vakken variërend van pianovirtuoos tot natuurkundige of topsporter. Dit bleek uit onderzoek van de Deens-Amerikaanse psycholoog Anders Ericssen. In deze tienduizend uur worden de neuronen in het brein van de beoefenaar geherstructureerd. Dit vereist de nodige oefening en concentratie, die spelenderwijs wordt bereikt met flow.

Met elektrische impulsen kunnen we sneller trainen en dingen leren. De toekomst?

Flow: moeiteloze productiviteit
Er zijn van die momenten dat het werk haast vanzelf lijkt te gaan en er zonder dat je er bij stilstaat heel veel uit je handen komt. De Hongaars-Amerikaanse psycholoog Mihaly Csikszentmihalyi noemde deze zen-achtige bewustzijnstoestand flow. Als je in flow bent, werken je hersens zonder haperingen. Je zelf lost op in het uitvoeren van je taak, waardoor je brein op maximale capaciteit werkt. Als werkenden de hele dag voortdurend in flow zouden zijn, zou de arbeidsproductiviteit tientallen procenten hoger liggen. Geen wonder dus dat er veel onderzoek wordt gedaan naar het wezen van flow en manieren om deze bewustzijnstoestand te bereiken. Als beoefenaars van een bepaalde discipline in flow raken, zullen ze snel uitgroeien tot experts. Raakt iemand zelden in flow, dan zal hij er al snel het bijltje bij neergooien. Flow is onder bètawetenschappers niet erg populair. De term is doortrokken van mystieke en meditatieve connotaties. Pas eind jaren zeventig definieerde de toen jonge Csikszentmihalyi de staat helder en maakte het mogelijk er empirisch onderzoek naar te doen – wat hij ook deed. Interviews met talenten op divers gebied (van schaakgrootmeesters tot topwiskundigen en balletdansers) maakten hem duidelijk dat flow vier kenmerkende eigenschappen heeft.

  1. Een intense, gefocuste absorptie die het tijdsbesef doet wegvallen.
  2. Autoteliciteit: wat je doet is al beloning in zichzelf.
  3. De taak die je verricht is niet te simpel en niet hopeloos moeilijk.
  4. Het werk lijkt als vanzelf te gaan.

Flow en hersengolven
Csikszentmihalyi ontdekte met de in die tijd primitieve elektro-encefalogrammeters, dat bij flow de voorhoofdskwabben, vlak achter het voorhoofd, minder actief zijn. De beste schaakspelers bleken de minste activiteit in dit hersendeel te hebben. De reden: zelfkritische gedachten, het gevolg van de werking van de voorhoofdskwabben, belemmeren flow. Latere studies, onder andere aan golfers, zie The International Journal of Sport and Society, vol 1, p 87, bevestigden deze bevindingen en onthulden dat op het moment dat flow optreedt, er een plotseling piek in alfagolven optreedt. Dit type hersengolven, met een frequentie van rond de zeven hertz, treedt ook op tijdens de REM- (droom)slaap. Daarnaast ademden de mensen in flow rustiger en daalde het tempo van hun hartslag – ook een teken van ontspanning. In meerdere andere studies werden soortgelijke effecten in andere sporten gevonden.

Omgekeerd bleek het leren opwekken van alfagolven (dat kan met neurofeedback: iemand probeert het voor hemzelf zichtbare hersengolfpatroon te beïnvloeden door anders te denken) ook het succes bij het sporten te verveelvoudigen. Het kostte hen minder dan de helft van de tijd van de controlegroep om nauwkeurig te leren schieten. (The International Journal of Sport and Society, vol 1, p 87). Neurofeedback is alleen verre van gemakkelijk. Ook alfagolven leren op te wekken is niet gemakkelijk. Gelukkig lijken bepaalde machines hetzelfde effect te kunnen bereiken.

Apparaat wekt flow op
Een simpel apparaat, dat in feite neerkomt op een 9-voltbatterij met twee elektroden, bereikt dit effect. De positieve elektrode wordt verbonden met de slaap en de negatieve elektrode met de linkerarm. Ongevaarlijk is dit niet. Als één van de elektroden tussentijds wordt verwijderd kan  de proefpersoon enkele seconden blind worden.

Deze techniek staat bekend als transcranial direct current stimulation (tDCS) en wordt nu door het Amerikaanse leger gebruikt om sluipschutters nog sneller op te kunnen leiden. Via de elektroden loopt een stroom van 2 milliampère door het deel van de hersenen dat objecten herkent. De milde elektrische schok depolariseert de neurale membranen in de regio, waardoor de cellen gevoeliger voor signalen worden. Weisend, de onderzoeksleider, denkt net als veel collega-neurologen dat dit de vorming van nieuwe neurale paden stimuleert op het moment dat iemand een vaardigheid praktiseert. Door deze techniek  kunnen sluipschutters nu met een factor 2,3 sneller vijanden herkennen en dus neerschieten (Experimental Brain Research, vol 213, p 9). Onverklaarbaar worden deze lange termijn veranderingen voorafgegaan door een flow-achtig gevoel, veroorzaakt door de elektrische stroom. Voor mensen die experimenteren met tDCS lijkt de tijd zeer snel te verstrijken. Hun bewegingen worden automatischer. Zelf ervaren ze kalme, gerichte concentratie – en een grote sprong vooruit in prestatie. Waarom is niet duidelijk. Sommigen denken dat het te maken heeft met het uitschakelen van de voorhoofdskwabben door de stroom – het effect van flow. Niet iedereen is echter even lovend. We weten immers niet waarom het effect optreedt. Wellicht treden er in andere delen van de hersenen ongewenste veranderingen op. Ook treedt het flow-effect alleen op als de elektroden op bepaalde plaatsen worden geplaatst.

Zelf experimenteren
Machines die transcranial direct current stimulation (tDCS) leveren kosten rond de zesduizend euro per stuk. De makers verkopen ze doorgaans alleen aan onderzoekers. Toch laten enthousiaste tDCS hobbyisten zich hierdoor niet afschrikken. Op online forums volop levendige beschrijvingen van home-made experimenten, inclusief akelige beschrijvingen van blunders die in één geval iemand tijdelijk blind achterliet. De reden dat mensen deze risico’s nemen is vermoedelijk de steeds zwaardere prestatiedruk Met het oprukken van computers en kunstmatige intelligentie is de mens steeds vaker de zwakste schakel. Steeds meer mensen grijpen daarom naar dit soort middelen.

Bron:
New Scientist

Speciaal voedingssupplement vertraagt hersenveroudering

Hoogleraar David Rollo en een groep onderzoekers van de Canadese McMaster universiteit hebben naar eigen zeggen een ‘gouden kogel’ gevonden waarmee ze het verouderen  van het brein kunnen stoppen. Goed nieuws, althans als je een transgene muis bent.

Ook voor mensen relevant
Toch zou dit ook voor mensen wel eens erg interessant kunnen zijn. Mede omdat in een tegelijk gepubliceerd onderzoek vergelijkbare ingrediënten voorkomen dat het brein van Alzheimerpatiënten krimpt.

Voedingssupplement laat hersenen oudere muizen jong
In het nieuwste wetenschappelijke artikel beschrijft de groep een nieuw voedingssupplement dat het vermogen om nieuwe dingen te leren in oudere muizen volledig in stand houdt. Niet alleen belangrijk, maar zelfs opmerkelijk, aldus Rollo.

Samenstelling van het voedingssupplement
Het voedingssupplement bevat rond de dertig ingrediënten. Helaas is het nog niet gelukt om de primaire bron te pakken te krijgen (we moeten het met persberichten doen en deze samenvatting[4]), maar de volgende ingrediënten werden genoemd in de bronnen die ik geraadpleegd heb: 

provitamine A (bètacaroteen)
vitamine B1 (thiamine)
vitamine C (ascorbinezuur)
vitamine D (cholecalciferol)
vitamine E (tocoferol)
Ginseng (Panax ginseng extract)
Groene thee (niet-gefermenteerde Camellia sinensis, extract)
Levertraan uit kabeljauwlever
een aantal niet-gespecificeerde zuren en mineralen.

Update: goed nieuws, de volledige lijst is hier te vinden.

Dit voedingssupplement is speciaal bedoeld om vijf verouderingsmechanismen tegen te gaan.

Supplement getest op bejaarde muizen
Het mengsel werd door de groep van Rollo getest op bejaarde muizen van 20-31 maanden oud. Een groep kreeg het supplement, een controlegroep niet. De controlegroep bleek nauwelijks in staat nieuwe dingen te leren, de groep met het supplement scoorde even goed als jonge muizen.

Veel groente eten is een absolute aanrader om je hersens op peil te houden,zo blijkt.

Hersenmassa 10% groter; actievere mitochondrieën
De gedragsproeven richtten zich op een gebied van de hersenen dat wordt aangetast door de ziekte van Alzheimer. Analyse van de hersenen van de diertjes wees uit dat  hun hersenmassa tien procent groter was dan die van de controlegroep. Ook de mitochondrieën, de ‘energiecentrales’ van cellen, bleken in de controlegroep veel actiever.

Rollo blijft voorzichtig, het gaat hier namelijk om een eerste experiment, maar acht het goed mogelijk dat het supplement ook in mensen vergelijkbare effecten heeft. Uiteraard leven mensen veel langer dan muizen,waardoor dit soort proeven veel meer tijd kosten.

Wegvangen vrije radicalen en mitochondrieën in leven houden
Het nieuwe voedingssupplement vervult twee functies die volgens anti-verouderingsonderzoek zeer belangrijk zijn: het wegvangen van vrije radicalen (incomplete moleculen die chemisch zeer agressief zijn en zo veel schade aanrichten aan o.a. DNA en enzymen) en het in stand houden van de energiefunctie van mitochondrieën. De combinatie van ingrediënten blijkt veel effectiever dan afzonderlijke vitamines, pillen en anti-verouderingsproducten in het beschermen van de hersenen tegen veroudering.

Oplossing voor Alzheimer en Parkinson?
Weliswaar moeten de proeven met mensen nog beginnen,maar Rollo heeft goede hoop dat het voedingssupplement op een dag hersenziekten als Alzheimer, Parkinson en dergelijke kan afremmen of zelfs stopzetten. Dit zou dan een betaalbare, natuurlijke vorm van medicatie vormen voor ouderen. (1)

Ondersteund door onderzoek op mensen
In een ander artikel, deze keer van onze Amerikaanse collega’s van Science Daily(2), die gelukkig wél het fatsoen hebben om altijd wetenschappelijke bronnen te vermelden, wordt een soortgelijk onderzoek gemeld maar dan bij mensen.
Naar bleek scoorden tachtigjarige bejaarden die een dieet, rijk aan omega-3 vetzuren en vitamines B-complex, C, D en E nuttigden, aanmerkelijk beter op testen waarbij het denkvermogen werd gemeten dan mensen die niet een dergelijk dieet nuttigden.

Van omega-3 vetzuren en vitamines wordt je slimmer; ongezonde snacks dommer
Omega-3 vetzuren en vitamine D komen vooral veel voor in vette zeevis. De diverse B-vitamines(B1, B2, B6, foliumzuur, B12) en de anti-oxidanten C en E (C werkt als antioxidant in een waterrijke omgeving, E als antioxidant in vettige omgevingen als celmembranen) komen voor in groenten, fruit en (vitamine E) in noten.

Transvetten bleken juist een omgekeerd effect te hebben. Bij mensen met een hoog percentage transvetten in hun voeding (afkomstig uit bewerkte voedingsmiddelen en margarine) bleek de hersenfunctie achteruit te zijn gegaan.

Bloedproeven tonen nauwkeurig verband aan
Bijzonder bij dit onderzoek is dat door middel van bloedproeven precies werd nagegaan hoe hoog de bloedspiegels aan deze stoffen waren. Mensen weten niet altijd precies hoeveel ze gegeten hebben van welke voedingsmiddelen. Bloedproeven geven een betrouwbaarder beeld. Inderdaad bleek er een grote statistische correlatie te zijn tussen de gemeten waarden en de effecten op het brein: 17% van de totale variatie. Bekende factoren als bloeddruk, opleiding en leeftijd bleken overigens goed voor 46% van de variatie. De biomarkers verklaarden 37% van de variatie in hersengrootte. (3)

Bronnen
1. ‘Silver bullet’ supplement could slow brain aging – McMaster University News (2012)
2. Alzheimer’s: diet patterns may keep brain from shrinking – Science Daily (2012)
3. G.L. Bowman et al., Nutrient biomarker patterns, cognitive function, and MRI measures of brain aging, Neurology (2011)
4. Vadim Aksenov et al., A complex dietary supplement augments spatial learning, brain mass, and mitochondrial electron transport chain activity in aging mice, AGE (2011) (paywall)

Nieuwe trend: Mentale doping

Om succes te bereiken zoeken steeds meer mensen hun toevlucht tot psycho-actieve medicijnen. Welke medicijnen zijn het effectiefst, en de belangrijkste vraag: willen we dit wel?

Doping in de sport: gevaarlijk maar effectief

Adderall vergroot de concentratie, maar kent gevaarlijke bijwerkingen.

Profsporters hebben maar beperkte middelen om hun prestaties te verbeteren. Maar een beperkte hoeveelheid spierweefsel kan met natuurlijke middelen aangekweekt worden. Lichaamsbouw en lichamelijke aanleg levert de rest. Alleen door een combinatie van zeer hard trainen en een geschikte lichaamsbouw kan een sporter tot de wereldtop gaan behoren. De onderlinge verschillen worden ook steeds kleiner. De Tour de France, bijvoorbeeld, wordt doorgaans beslecht met een marge voor de winnaar van enkele minuten of minder. Let wel: het gaat hier om een parcours van meer dan drieënhalf duizend kilometer.

Geen wonder dus dat sporters naar het laatste redmiddel grijpen om nummer 1 te worden: chemische middelen. Bepaalde chemicaliën kunnen sporters extra energie geven, ze over een grens duwen die het lichaam eigenlijk niet aankan of het lichaam een prikkel geven extra spiermassa aan te kweken.  Doping is daarom een onuitroeibaar probleem. Zelfs draconische controles helpen niet, want sporters zijn goed op de hoogte van de laatste trucs om doping te maskeren. Sporters zetten graag hun gezondheid of zelfs hun leven op het spel, als ze er maar in slagen dat felbegeerde goud in de wacht te slepen.

Breindoping
Maar laten we die andere ratrace niet vergeten waaraan de rest van het werkende deel van de bevolking meedoet: de arbeidsmarkt. Werkenden, vooral in hogere, kennisintensieve beroepen,  concurreren net zo hard met elkaar als sporters. Hier concurreren mensen niet met hun lichaam, maar met hun brein. Slimmer zijn heeft duidelijk voordelen: als je studeert of een sollicitatiegesprek voert bijvoorbeeld. Het is daarom ook niet echt verrassend dat steeds meer mensen zogeheten smart drugs gebruiken om hiermee hun geestelijke capaciteiten op te voeren. Koffie is uiteraard een onschuldig voorbeeld, maar cognitie-bevorderende medicijnen rukken snel op.

Welke breindoping wordt veel gebruikt?

  • Modafinil.
    Modafinil wordt gewoonlijk voorgeschreven als middel tegen extreme slaperigheid. De stof stimuleert het aanmaken van noradrenaline en dopamine in de hersenen. Dit heeft als effect dat de gebruiker van modafinil zich beter kan concentreren, een beter werkgeheugen heeft en alerter is gedurende enkele uren. Om die reden is het goedje erg populair onder Britse studenten. Mogelijke bijwerkingen agressie, slapeloosheid en rusteloosheid. Volgens de Amerikaanse FDA: TEN, DRESS syndroom en Stevens-Johnson Syndroom
  • Methylfenidaat.
    Dit goedje, beter bekend onder de merknaam Ritalin, heeft een vergelijkbare werking als modafinil, maar bereikt dit door de afbraak van noradrenaline en dopamine te blokkeren. Het wordt massaal voorgeschreven aan ADHD-kinderen (modebegrip voor hyperactieve kinderen) en werkt eveneens concentratiebevorderend.
  • Adderall.
    Adderall is een merknaam voor een mengsel van meerdere amfetaminezouten. Ook Adderall werkt door de heropname van dopamine en norepinefrine te blokkeren.  Adderall heeft alle met amfetamine geassocieerde nadelen. De bloeddruk wordt verhoogd, wat een grotere kans op beroerten, hartaanvallen en het plotseling dood neervallen met zich meebrengt.

Zelf experimenteren is – zie de nare bijwerkingen – iets waar je heel goed over na moet denken. Deze medicijnen zijn alleen op recept te krijgen of via een illegale internetapotheek. Internetapotheken verkopen doorgaans rommel, vaak zelfs levensgevaarlijk. Alleen de internetapotheek NetPharm schijnt betrouwbare producten te leveren. Zij leveren de bovengenoemde geneesmiddelen echter niet.

Modafinil is een weinig gebruikt medicijn dat het werkgeheugen en concentratie verbetert. Je wordt er tijdelijk 'slimmer' van, als je de bijwerkingen voor lief neemt

‘Smart drugs heilzaam’
Anders Sandberg van het Future of Humanity Institute van de Britse Oxford-universiteit denkt dat de drugs per saldo gunstig werken. Hij staat op het punt een onderzoek in Duitsland te beginnen naar de effecten van een aantal geestversterkende middelen, waaronder twee hormonen: ghreline, wat het hongergevoel versterkt, en oxytocine, het ‘knuffelhormoon’. Hij denkt hiermee het morele gehalte van studenten te kunnen verbeteren. Maar of dit soort experimenten nu zo moreel verantwoord is?

Slikken of stikken?
De kans is groot dat er in de toekomst nog veel krachtiger middelen worden ontdekt om de geest te versterken. De gevolgen zullen ingrijpend zijn. Zullen bedrijven hun werknemers verplichten een pil te slikken die hun IQ tijdens hun werk met twintig punten verhoogt? Hierdoor zou je iemand met een MBO-denkniveau tijdelijk kunnen laten werken als een academicus of een academicus als een genie. Met alle nadelen van dien – probeer maar eens iets op te zetten bij Mensa. Of wordt er voor examens en sollicitatiegesprekken juist een bloedproef gedaan om te checken of de sollicitant geen doping heeft gebruikt? We kunnen er maar beter op tijd over nadenken.

‘Denkende’ DNA-soep nu een feit

Een brein bestaande uit soep? Niet bepaald een voor de hand liggende combinatie. Toch hebben onderzoekers van Caltech precies dat voor elkaar gekregen. Ze hebben een grote stap voorwaarts gezet in het scheppen van kunstmatige intelligentie. In een reageerbuis. De onderzoekers hebben een kunstmatig neuraal netwerk geschapen, bestaande uit een circuit van met elkaar reagerende moleculen. Het netwerk kan herinneringen op basis van incomplete patronen aanvullen, precies zoals ons brein ook kan.

Soep wordt brein
De Caltech onderzoekers vroegen zich af of de functies van het brein, een uiterst complex orgaan dat uit honderd miljard neuronen bestaat,  konden worden overgenomen door een soep van moleculen die door elkaar heen bewegen. In plaats van signalenuitwisseling door neuronen dus niets anders dan moleculen die door elkaar bewegen. Het antwoord op deze vraag is, zo laat het team zien, ja.

Het neurale netwerk bestond uit 112 verschillende DNA-ketens. Het chemische mengsel speelt in het experiment een bekend geheugenspelletje, waarbij het moet proberen een onbekende proefpersoon (een wetenschapper van het team) te identificeren. De onderzoekers “trainden” de soep om vier wetenschappers te leren kennen. Elke wetenschapper werd vertegenwoordigd door een specifieke, unieke set antwoorden op vier ja-nee vragen, bijvoorbeeld of de wetenschapper een Brit was.

Patroonherkenning

Neuronen kunnen ook uit DNA bestaan in plaats van uit cellen. Wel moet je héél veel geduld hebben...

Na aan een bepaalde collega te denken, geeft een menselijke speler een incomplete verzameling antwoorden (bijvoorbeeld: de wetenschapper is geen Brit, is blond en houdt van surfen). De speler gooit dan DNA ketens in het netwerk die overeen stemmen met deze antwoorden. Het netwerk ‘zoekt’ hier de bijpassende wetenschapper bij (bijvoorbeeld een blonde Amerikaanse natuurkundige die dol is op surfen). Het netwerk bleek ook in staat, vast te stellen dat er onvoldoende informatie is om één van de wetenschappers in zijn geheugen te identificeren. Of, ook handig bij oneerlijke spelers, de menselijke speler er op te wijzen dat zijn antwoorden elkaar tegenspreken. De onderzoekers speelden dit spel met 27 verschillende manieren om de vragen te stellen (van de 81 mogelijk denkbare combinaties). De soep gaf elke keer het goede antwoord, puur door patroonherkenning.

Denkende medicijnen
De denkende soep, in wetenschappelijk termen “biochemische systemen met kunstmatige intelligentie”, kan krachtige toepassingen hebben in de geneeskunde (zie artikel DNA-computer, kopje denkende medicijnen over het onderzoek van Ehud Shapiro), scheikunde en biologisch onderzoek, aldus de onderzoekers. In de toekomst kunnen dergelijke systemen  in cellen actief worden, waarbij ze door het controleren van een aantal chemische vragen kunnen vaststellen of er bijvoorbeeld een aidsvirusdeeltje in de cel zit. Ook scheikundigen kunnen hiermee veel complexere  chemicaliën maken of molecuul voor molecuul nieuwe structuren, bijvoorbeeld nanorobots, bouwen.

Chemische neuronen
De onderzoekers bouwden hun biochemische neurale netwerk op basis van een eenvoudig model van een neuron met een lineaire drempelwaarde. Het modelneuron  krijgt inputsignalen en vermenigvuldigt ze met een positief of negatieve wegingsfactor. Alleen als de gewogen som van inputs een bepaalde drempelwaarde overschrijdt, geeft het neuron een signaal. Dit is een extreme versimpeling van werkelijke neuronen. Weliswaar geven die net als dit kunstneuron maar één signaal, maar echte neuronen kunnen ook de gevoeligheid van collega-neuronen aanpassen en dergelijke. Toch zijn deze kunstneuronen opmerkelijk levensecht. Zelfs dit kleine aantal kan al een hersenachtig gedrag vertonen.

Hoe bouwden ze dit chemische brein?
Om het DNA neurale netwerk te bouwen, gebruikten de onderzoekers een proces genamd strand-displacement cascade. Deze methode gebruikt enkele en gedeeltelijke dubbele DNA-ketens (de bekende DNA-helix). Het enkele  stuk van de dubbele DNA helix steekt uit als een staart. Als een enkele keten een dubbele keten met een ‘staart’ ontmoet,  en de DNA-basen (‘letters’) van de staart komen overeen met de DNA-basen van het loszwevende DNA, dan bindt het loszwevende deel zich aan de staart en verdrijft de dubbele keten. Het verdreven stuk DNA, de output, kan nu weer met een andere stuk DNA gaan reageren. De onderzoekers kunnen het DNA elke gewenste basevolgorde geven en ook de concentraties van elke DNA streng bepalen. Zo kunnen de wetenschappers de soep de unieke patronen ja- en nee-antwoorden aanleren die bij elk van de vier onderzoekers horen. Ze speelden wel een beetje vals. Ze runden namelijk een computersimulatie om te bepalen welke concentraties nodig waren om herinneringen in het DNA neurale netwerk te implanteren.

DNA-brein erg klein en sloom
Hoewel denkende DNA-soep dus in principe kan, is volgens de onderzoekers dit brein vrij beperkt. Meer dan veertig chemische neuronen toevoegen aan de soep is vrijwel onmogelijk, denken de onderzoekers.  Wij hebben er miljarden malen meer. Ook is het systeem erg langzaam. Het kostte acht uur om elke wetenschapper te identificeren. Ook werden de moleculen opgebruikt: na het voltooien van ‘het spel’ moet er weer een nieuw mengsel gemaakt worden. Kortom: wees dus niet bang dat als je morgen op je werk komt, er een grote pot DNA op de plaats van je stoel staat.  Een werkend denkend chemisch systeem in een petrischaaltje verwezenlijken – laat staan in een levend organisme – is een veel ingewikkelder uitdaging. Aan de andere kant, je zou je voor kunnen stellen dat je hier een chemisch systeem omheen bouwt dat na elke cyclus de chemicaliën verwijdert en ververst.

Begon het leven met denkende soep?
Bacteriën zijn opmerkelijk slim als je bedenkt dat het in feite gewoon zakjes chemicaliën zijn. Ze zijn in staat dingen waar te nemen en als antwoord bepaalde dingen te doen, bijvoorbeeld de zweepstaart laten bewegen of een bepaalde stof produceren. Al dat soms complexe gedrag komt voort uit dat zakje chemicaliën. Onderzoeker Qian denkt dat de beperkte vorm van bacteriële intelligentie hierdoor wordt veroorzaakt.

En wie weet is op die manier het eerste leven ontstaan. Samenwerkende moleculen die op een gegeven moment een membraan vormden en met RNA gingen werken. De hier eerder beschreven Voronoi cellen, een soort vloeistofblaasjes, bezitten ook een zeer eenvoudige vorm van informatieverwerkende capaciteit.

Bronnen
Lulu Qian, Erik Winfree, Jehoshua Bruck. Neural network computation with DNA strand displacement cascades. Nature, 2011
First Artificial Neural Network Created out of DNA: Molecular Soup Exhibits Brainlike Behavior, ScienceDaily(2011)

 

Dutch