hersenen

Geheugen uitschakelen met een druk op de knop

Zet de schakelaar aan en de ratten onthouden. Zet de schakelaar uit en de ratten vergeten, aldus Theodore Berger van de afdeling Biomedische Techniek van de USC Viterbi School of Engineering. Komt er nu een geheugenprothese, of gaat de geheime dienst hier misbruik van maken?

Hersenspoelen
Het is een huiveringwekkende scène van George Orwell’s boek 1984. De hoofdpersoon, Winston, wordt in een heropvoedingskliniek door middel van een schokje ‘verlost’ van herinneringen die de dictatuur niet aanstaan. Gelukkig bleken Orwells sombere voorspellingen niet uit te komen. De Sovjetunie viel uiteen, de westerse wereld (en het grootste deel van de rest van de wereld) zijn nu vrij en er zijn nog maar een handjevol dictaturen over: China, Noord-Korea, Myanmar, Sudan, Saoedi-Arabië en Iran, bijvoorbeeld. Maar toch. De techniek is sinds Orwell zijn boek in 1948 publiceerde, flink voortgeschreden. Waarschijnlijk zal een dictatoriaal regime smullen van deze nieuwe ontdekking.

Herinneringen uit- en aanschakelen op commando

Veel onderzoekers doen hersenonderzoek aan ratten. Zal hiermee een geheugenprothese ontwikkeld kunnen worden?

Berger is de hoofdauteur van een artikel dat wordt gepubliceerd in het Journal of Neural Engineering. Zijn team werkte samen  met wetenschappers van Wake Forest University. Hierbij bouwden ze voort op recente ontdekkingen over de functie van de hippocampus en de rol daarvan bij leren. De hippocampus is een hersengebied dat de linker- en de rechter hersenhelft met elkaar verbindt.

In het experiment lieten de onderzoekers ratten een taak leren. Als ze twee hefbomen in de juiste volgorde overhaalden, kregen ze een beloning. Het team stelde vast in welke delen van de rattenhersenen impulsen ontstonden met behulp van elektroden in de hersenen. Twee onderdelen van de hippocampus, bekend als CA3 en CA4,  vertoonden veranderingen in hun activiteit. Al eerder was bekend dat tijdens het leerproces de hippocampus korte-termijn geheugen in lange-termijn herinneringen omzet.

“Geen hippocampus,” aldus Berger, “betekent geen lange-termijn geheugen maar nog steeds korte-termijn geheugen.” CA3 en CA1 werken samen om lange-termijn herinneringen op te slaan, liet eerder onderzoek zien.

Deze nieuwe geheugentechniek is zo krachtig dat geheime diensten zeer geïnteresseerd zullen zijn.

In een spectaculaire demonstratie blokkeerden de onderzoekers de normale neurale interacties tussen de twee gebieden met een farmacologisch actieve stof. De eerst getrainde ratten toonden niet meer het lange-termijn geleerde gedrag.

“De ratten wisten nog steeds dat ze eerst links moesten indrukken, dan rechts en andersom,” aldus Berger. “En ze wisten ook nog steeds in het algemeen dat ze hendels over moesten halen voor water, maar ze konden zich alleen vijf of tien seconden herinneren of ze links of rechts hadden ingedrukt.”

Geheugenprothese
Het team ging verder en ontwikkelde een kunstmatige hippocampus: een systeem dat het interactiepatroon tussen CA3 en CA1 kon dupliceren. En inderdaad: het lange-termijn geheugen keerde terug bij de farmacologisch geblokkeerde ratten toen het team de elektronica activeerde die de functie van CA1 en CA3 overnam.  Ook liet het team zien dat als de neuroprothese in dieren met een normaal functionerende hippocampus werd geïmplanteerd, het toestel in feite het geheugen van normale ratten kon versterken. Met andere woorden: een geheugenprothese. Voor ratten, althans.

De volgende stap volgens Berger en Deadwyler zullen  pogingen zijn om de resultaten met ratten in apen te herhalen. Het doel is uiteindelijk geheugenprotheses te ontwikkelen die menselijke slachtoffers van de ziekte van Alzheimer, beroerte of hersentrauma  kunnen ondersteunen.

Laten we hopen dat deze krachtige techniek inderdaad alleen voor dit menslievende doel gebruikt wordt en niet om bijvoorbeeld extreme herinneringen in Manchurian Candidates te plaatsen…

Bronnen:

1. Berger et al., A Cortical Neural Prosthesis for Restoring and Enhancing Memory, Journal of Neural Engineering (2011).
2. Restoring Memory, Repairing Damaged Brains, USC News

Internet in je hersens

Een hersen-computer interface is wellicht de intiemst denkbare verbinding met techniek. Brein-machine interfaces (BMI’s)  zullen zeker onze opvattingen over identiteit en de grenzen van het oprekken van de menselijke vermogens ter discussie stellen.

Hersen-computer interface
Op dit moment bestaan er al hersen-computer interfaces. Deze werken door hersengolven te registreren of, ingrijpender, elektroden in bepaalde hersengebieden of onder de schedel.  Tot nu toe zijn deze getest in een handvol verlamde mensen. Verschillende groepen onderzoekers werken aan het ontwikkelen van rolstoelen, robots en computers die alleen door hersensignalen bestuurd kunnen worden. Krishna Shenoy van Stanford University ontwikkelt algoritmen om implantaten te verbeteren om daarmee een cursor op een scherm te besturen. Volgens hem zal BMI in de nabije toekomst traditionele manieren om computers te besturen evenaren of overtreffen. Goed nieuws dus voor mensen met RSI.

Hersenimplantaten kunnen ons veel slimmer maken. Maar of veel mensen het aandurven...

Hersengolven worden steeds meer gebruikt
Technieken die geen hersenoperatie vereisen (uiteraard een duidelijk marketingvoordeel) reageren op elektrische hersensignalen (die ook in een EEG worden vastgelegd). Deze hersengolven zijn al gebruikt om spelletjes mee te spelen, auto’s mee te besturen en zelfs soldaten in staat te stellen “telepatisch” te communiceren.

Ethische dilemma’s
Dit zal de nodige ethische vragen  oproepen. Medisch ethicus Jens Clausen van de universiteit van Tübingen stelt dat mensen trainen om voor computers leesbare hersensignalen te produceren, ook effecten kan hebben op humeur en gedrag, alsmede geheugen en de spraak. Dan is er ook de vraag van aansprakelijkheid. Kan een toekomstige crimineel de schuld geven aan een implantaat?

Gelukkig zijn vergelijkbare vragen gesteld in het verleden, zegt Clausen. Bijwerkingen op stemming en gedrag zijn bekend uit de farmacie. En we hebben al technologieën waarbij het niet altijd duidelijk wie of wat precies verantwoordelijk is. Een auto-ongeluk kan veroorzaakt zijn door de bestuurder, de fabrikant of de autoreparateur.

In principe kunnen BMI’s uiteindelijk zelfs mentale functies verbeteren, het geheugen bijvoorbeeld. Hierbij kan de BMI verbinding zoeken met een webserver of andere externe informatieverwerker. Dit is ethisch veel problematischer (spieken is veel makkelijker geworden, om maar iets te noemen). Zulke veranderingen kunnen leiden tot veranderingen in iemands voorkeuren en uiteindelijk iemands persoonlijkheid.

Elite en onderklasse
Eén van de voornaamste vragen die de BMI oproept is hoe wijdverbreid de techniek moet worden gebruikt. Mogen gezonde mensen hun hersencapaciteit vergroten en tot welke mate? Zullen de meeste mensen dat wel willen? Veel dove mensen hebben al cochleaire implantaten geweigerd omdat ze doofheid niet als handicap zien. Hersenimplantaten die mensen bovenmenselijke mentale gaven geven, zouden ook elites en onderklassen kunnen creëren. Zo zal een permanente rijke en arme klasse ontstaan. Aan de andere kant: dit is vermoedelijk een tijdelijk effect. Naarmate de kosten van technologie dalen (en bij kennisintensieve producten is dat haast per definitie zo) komt de techniek ook voor minder geprivilegieerden binnen bereik.

Hersenverschil tussen links en rechts

Links houdt van kletsen, rechts van tieten. Brits hersenonderzoek wijst uit dat ‘liberals’ (wat we in Nederland progressieven zouden noemen) een actiever gevoelscentrum (cortex cingularis anterior) hebben dan conservatieven. Conservatieven hebben juist een actievere amygdala, het deel van de hersenen dat reacties als angst, agressie en seks regelt. Humoristisch is dat op foute, rechtse wijze (namelijk door hersenonderzoek) de linkse vooroordelen over rechts bevestigd zijn. Rechtse onderbuikgevoelens bestaan echt.

Opgezwollen melkklieren en schreeuwende koppen over geweld prijken vaak prominent op en in rechtse bladen. Onderzoekers weten nu waarom.

Wereldvreemd links versus de rechtse onderbuik
Het gebeurt vrij weinig dat rechtse kiezers op een linkse partij gaan stemmen of andersom. Er bestaat een sterke antipathie tussen linkse kiezers, die vinden dat rechts harteloos is en toegeeft aan onderbuikgevoelens, en rechtse kiezers, die linkse kiezers wereldvreemd en overgevoelig vinden. De beroepskeuze van linkse en rechtse mensen is vaak ook heel anders. Linksstemmende mensen werken vaak in creatieve beroepen, overheid of in de zorg, terwijl rechtse mensen vaak in de industrie of het harde commerciele bedrijfsleven werken. Het lijkt er kortom op alsof er een bepaald ‘links’ en ‘rechts’ menstype bestaat.

Ryota Kanai en zijn collega’s van het Londense University College hebben nu aangetoond dat dit beeld klopt. Het hersencentrum dat betrokken is bij gevoelens en empathie, is bij progressieven veel sterker ontwikkeld, terwijl conservatieven sterker worden bepaald door angst, seks en agressie. Dit verklaart ook waarom in rechtse bladen als de Telegraaf en de rechtse omroep Powned een harde, agressieve benadering en schaarsgekleed vrouwelijk schoon met pronte melkklieren een grote rol spelen, terwijl de progressieve omroepen (de rest m.u.v. Wakker Nederland, ook rechts maar beschaafder) overlopen van medelijden en aandacht  voor maatschappelijk omstreden groepen, die ze willen beschermen tegen de ‘koude, rechtse wind’.
Als er angst heerst onder de bevolking, wordt er massaal op rechtse, autoritaire partijen gestemd.

Kanai zegt geen directe verklaring te hebben voor het ontstaan van de correlatie tussen stemgedrag en hersengebieden. Volgens hem kan het stemgedrag een gevolg zijn van de overontwikkeling van een bepaald hersengebied, maar kan het kiezen van een “linkse” of “rechtse” levensstijl ook leiden tot verschillen in de hersenen (dit is in enkele andere hersengebieden inderdaad aangetoond). Een bekend verschijnsel is dat oudere kiezers vaak rechtser stemmen. Dit is dan weer moeilijker te rijmen met een zwakkere  invloed van de amygdala.

Links komt van Venus, rechts van Mars
Hoe rechtser de partij, hoe hoger het percentage mannen dat er op stemt. Vrouwen stemmen veel vaker op linkse partijen dan mannen, terwijl mannen de steunpilaren van de conservatieven zijn.

Links en rechts hebben ook een heel andere belevingswereld, waardoor links en rechts dingen ontgaan en ze een heel andere taal spreken. Bekend is dat de hersenontwikkeling sterk wordt gestuurd door de concentratie aan geslachtshormonen in de foetus tijdens de zwangerschap. Zou het conflict tussen links en rechts misschien iets te maken hebben met het eeuwige conflict tussen vrouwen en mannen (of vrouwelijkheid en mannelijkheid)?

Bronnen
Science Daily
Current Biology

Communicatie tussen computer en hersencellen dichterbij

Het antwoord op een vraag binnenkrijgen zodra je hem in gedachten formuleert? Een extreem lastige differentiaalvergelijking in een fractie van een seconde oplossen? Een herinnering uploaden naar een computer om hem met je vriend of vriendin te kunnen delen of zelfs je complete geest van het ene lichaam naar het andere overhevelen? Het klinkt als krankzinnige science-fiction, maar recent onderzoek toont aan dat het mogelijk is om hersencellen met chips te laten communiceren.

Hersen-computer interface
Het zou enorm veel mogelijkheden opleveren als we er op de een of andere manier in zouden slagen computerchips met menselijke neuronen te laten communiceren.

Brein-computerinterface, schematisch.

De hersen-computer interface, of wetware, zoals transhumanisten dit concept noemen, is één van de meest veelbelovende technologieën om de menselijke capaciteiten op te voeren. Onze menselijke brein heeft een aantal unieke capaciteiten die nog niet door computers zijn geëvenaard. Daarentegen bezitten computers een aantal vaardigheden die voor mensen jaloersmakend zijn. Computers hebben bijvoorbeeld niet het minste probleem om dingen als getallen of een complete encyclopedie als teksten te onthouden en kunnen rekenen met letterlijk de snelheid van het licht. Waarom niet het beste van twee werelden samenvoegen? Helaas zijn er nog veel problemen met het uitvoerenvan dit idee. Zo is nog verre van duidelijk hoe het menselijke brein op grotere schaal functioneert.

Neuronen en computers praten totaal andere taal
Begrijp je je computer niet? Geen wonder. De tegenwoordige generatie computers werkt met stroomstootjes die in twee varianten voorkomen: ‘uit’ en ‘aan’. De computer moet exact gesynchroniseerd blijven om zo te bewerkstelligen dat er geen communicatiestoornissen optreden: de inwendige klok. Neuronen werken op een heel andere manier. Om te beginnen heeft ons brein meer weg van een extreem complex driedimensionaal spinnenweb dan van het strak geregelde inwendige van een computer. Neuronen zijn zowel rekeneenheden  als doorgeefmiddelen voor informatie. Je kan ze misschien nog wel het beste vergelijken met de futuristische memristoren. Ook de signaaloverdracht tussen neuronen is totaal anders dan tussen computeronderdelen. Weliswaar wisselen neuronen stroomstoten via de lange, uitgestrekte dendrieten, maar ook de snelheid waarmee deze worden afgevuurd is van belang. Kortom: samenwerking tussen computers en hersencellen is erg lastig.

Kunstmatige dendrieten gebouwd
Het is al langer bekend dat zenuwcellen hun lange uitlopers laten zoeken naar andere zenuwcellen. Tot nu toe was nog niet opgehelderd of dit het resultaat is van toevalsprocessen of dat er een bepaald signaal is waardoor deze worden geprikkeld.

Soms laten neuronen hun dendrieten door kleine buisjes groeien. Kan je op die manier mensen met een dwarslaesie weer laten lopen?

Op grond van eerdere experimenten werd al vermoed dat elektrische spanning hier iets mee te maken heeft. Het is onderzoekers nu voor het eerst gelukt om zenuwcellen van een muis hun dendrieten in een buisje te laten groeien en het parcours van het buisje te laten volgen – naar een andere zenuwcel. In principe kan je op die manier een neuraal netwerk van zenuwcellen bouwen, verwachten de onderzoekers. De onderzoeker hopen de onderlinge communicatie tussen zenuwcellen af te kunnen luisteren en er zo achter kunnen komen hoe zenuwcellen onderling communiceren. Als eerste praktische toepassing zou een computer signalen die binnenkomen van één kant, kunnen versterken en doorgeven aan de andere kant. Een uitkomst voor patiënten met een dwarslaesie, waarbij de zenuwbaan tussen hersenen en onderste ledematen is doorgesneden. Mogelijk wordt het in een later stadium ook mogelijk om informatie uit te wisselen met het menselijk brein.

Hoeveel informatie bevat de menselijke geest?

Hoeveel ruimte heb je minimaal nodig om informatie op te slaan?  Zou je de menselijke geest in een eindige hoeveelheid materie op kunnen sluiten? Om hoeveel materie gaat het dan ongeveer?

Hoeveel kan je in een atoom kwijt?
In principe kan je per atoom 1,3 bit informatie opslaan. Rekenen is dus makkelijk. Laten we uitgaan van doorsnee koolstofatomen, C-12 dus. Een terabyte (de informatieinhoud van een gemiddelde harde schijf) is tien picogram, ongeveer een bacterie. Alle, ja alle, ooit in druk verschenen of op websites gepubliceerde tekst in de menselijke geschiedenis, van de eerste papyrus tot de twaalfde kladversie van je rapport, dat je baas in zijn bureaulade laat verstoffen is samen iets meer: 200 petabytes;vijfentwintig microgram, een stofje. Alle digitale informatie die er in 2009 in de wereld bestond,  een halve zettabyte, is een tiende gram, ongeveer een erwt. Aldus vrij naar Wikipedia’s overzicht van de ordes van grootte van hoeveelheden data.

Door met soorten atomen te variëren zou je in theorie nog wat extra informatie op kunnen slaan, misschien een factor tien of meer. Kortom: sla je dingen op atoomniveau op, dan kan je heel veel informatie kwijt in heel weinig materie.

De menselijke geest
We weten nog lang niet alles van hoe de menselijke geest informatie opslaat of überhaupt functioneert.

Klopt de theorie dat onze geest geheel bepaald wordt door de hersenen, of is er meer dan we kunnen vermoeden?

Gelovige mensen geloven dat een deel van onze geest, de ziel, ook na de dood voort blijft bestaan. De meeste wetenschappers denken dat onze geest voortkomt uit alleen onze hersenen en ophoudt te bestaan na de dood – al zijn er de raadselachtige bijna-dood ervaringen, waarbij de meetbare hersenactiviteit stopt maar de geest helderder is dan ooit en zich los lijkt te maken van het lichaam.
We weten hoe neuronen, zenuwcellen, signalen aan elkaar doorgeven en door welke biochemische veranderingen, neuronen veelgebruikte verbindingen opslaan. We weten ook dat dendrieten – de vertakte kabels waarmee neuronen communiceren – in staat zijn tot patroonherkenning en dus een stuk slimmer zijn dan tot nu toe werd aangenomen. Een ontdekking kort geleden bewees dat onze hersenen ook gevoelig zijn voor elektrische velden die in groepen werkende neuronen opwekken.

Een redelijke schatting?
Onze hersenen werken niet met bits en bytes, maar met frequenties en trillingen. Fundamenteel anders dan een computer dus. We kunnen niet naïef onze opslagcapaciteit in bits en bytes vertalen. Herinneringen kunnen vaag of scherp zijn. Een bit is altijd een één of een nul. Schattingen uit het verre verleden, die elke hersencel gelijkstelden aan één bit en de totale informatieinhoud van onze menselijke geest als het aantal neuronen – elf miljard of honderd miljard, als je alle zenuwcellen in ons lichaam meetelt, zaten er dus stevig naast. Ook modernere schattingen – die uitgaan van de hoeveelheid onderlinge verbindingen tussen neuronen als maat voor informatie, gemiddeld zo’n duizend per neuron, dus zo’n elf terabit – zijn twijfelachtig. Psycholoog Paul Reber gaat uit van een veel hoger getal: 2,5 petabit. Honderd mensen samen zouden als deze schatting klopt dus alle geprinte teksten ooit kunnen onthouden. Je zou dan de hele inhoud van een menselijk brein kunnen opslaan in iets dat kleiner is dan een stofje. Alle geesten van alle mensen die ooit hebben geleefd – honderd miljard – passen dan in een vat van vijfentwintig liter. Dit doet denken aan de eerste strofe van het beroemde gedicht Auguries of Innocence van de Britse dichter William Blake:

To see a world in a grain of sand,
And a heaven in a wild flower,
Hold infinity in the palm of your hand,
And eternity in an hour.

Kwantumcomputers of geheugenmoleculen?
Niet iedereen is het hier echter mee eens.  Zo denken sommige onderzoekers dat onze hersencellen kleine quantumcomputers bevatten: Orch-OR. Deze theorie is overigens uiterst omstreden. Klopt Orch-OR, dan zou dit natuurlijk de opslagcapaciteit en rekensnelheid van ons brein nog veel groter maken. New-age healers geloven dat ons hele lichaam een kwantumcomputer is die op verschillende vibratieniveaus vibreert, de aura’s.

Anderen denken dat we op de een of andere manier informatie in moleculen als DNA of RNA of eiwitten zouden kunnen opslaan als chemisch geheugen. Inderdaad zijn er in het verleden nogal sadistische experimenten met platwormen uitgevoerd waarbij de dieren werden getraind de weg in een doolhof te vinden; vervolgens werden de arme platwormen vermalen en in andere platwormen geïnjecteerd. Deze platwormen bleken volgens de onderzoekers iets van de doolhofkennis van de ongelukkige doolhofkennende platwormen te hebben opgedaan, want ze leerden aanmerkelijk sneller. Dat kan natuurlijk ook te maken hebben met stresshormonen of speciale leer-chemicaliën die lerende platwormen aanmaken. Mogelijk hebben deze de andere platwormen gestimuleerd. Dit is wat de meeste neurowetenschappers anno nu geloven. Jammer, aan één kant. Met één prik de complete opleidingsstof uit je hoofd kennen is best handig, al mis je dan wel de studententijd…

Dutch