Brein in ruste verstookt veel energie aan dagdromen
Het privéleven van de hersenen
19-01-2009
|
 Mail dit artikel
Als het brein in zijn vrij staat en ogenschijnlijk niets te doen heeft, spelen zich wonderlijke en wonderbaarlijke dingen af.
In 1953 legde arts Louis Sokoloff een twintigjarige student op een brancard, plakte elektroden op zijn schedel en stak een injectienaald in zijn grote halsader. Zestig minuten lang lag die proefpersoon daar rekensommen te maken, terwijl Sokoloff zijn hersenactiviteit en de zuurstof- en kooldioxidespiegel in zijn bloed volgde. Sokoloff, van de Universiteit van Pennsylvania, wilde uitzoeken hoeveel energie het brein verbruikt als het hard moet nadenken. Hij verwachtte dat het brein van zijn proefpersoon extra veel zuurstof zou opslurpen als het sommen aan het oplossen was. Maar hij kwam voor een verrassing te staan: het brein van zijn proefpersoon gebruikte tijdens het uitvoeren van de rekentaken precies evenveel zuurstof als wanneer de proefpersoon met zijn ogen dicht lag te niksen.
Lange tijd hebben we het brein beschouwd als een computer die op standby staat: in rust totdat hij een taak moet vervullen, zoals een krant lezen of een bekende spotten in een menigte. Sokoloffs experiment wierp voor het eerst licht op een andere waarheid: dat het brein een actief privéleven leidt. Dit orgaan, dat maar twee procent van het lichaamsgewicht inneemt, maar twintig procent opslokt van de calorieën die we naar binnen werken, verkwanselt het meeste van die energie met - voor zover we dat nu kunnen overzien - niks doen.
Neuroloog Marcus Raichle van de Washington Universiteit in St. Louis en een handjevol andere onderzoekers hebben nu de fundamentele vraag aangepakt wat het brein precies uitspookt als het niets doet. Hun werk heeft geleid tot de ontdekking van een belangrijk systeem in de hersenen, een orgaan in een orgaan, dat zich tientallen jaren lang vlak voor onze ogen verborgen heeft gehouden. Het komt meteen in actie als de hersenen verder niets om handen hebben, het vlamt op en verbrandt per gram meer zuurstof dan een kloppend hart. 'Dit is een belangrijke ontdekking', zegt neuroloog Giulio Tononi van de Universiteit van Wisconsin. 'Het gebeurt niet vaak dat in de hersenen een nieuw functioneel systeem wordt ontdekt; dat is al jaren niet meer gebeurd. Net alsof je een nieuw werelddeel ontdekt.'
Actief tijdens rust
Sokoloffs experiment van 55 jaar geleden trok indertijd weinig aandacht. Pas in de jaren tachtig van de vorige eeuw begon het onderzoekers te dagen dat het brein wel eens iets belangrijks aan het doen kon zijn als het ogenschijnlijk in zijn vrij staat. De PET-scan was in die tijd net een rage aan het worden. Door radioactieve glucose te injecteren en daarna te kijken waar die glucose zich concentreerde, konden onderzoekers de werking van het brein afluisteren. Bij zo'n experiment wordt de proefpersoon gescand als hij met zijn ogen dicht ligt te rusten, en dan nog een keer als hij een mentaal inspannende taak verricht. Vervolgens wordt de rustscan van de inspanningsscan afgetrokken om te kijken welke delen van de hersenen oplichten.
Raichle was met de PET-scanner bezig delen van de hersenen te vinden die samenhangen met woorden, toen hem iets raars opviel: sommige delen van de hersenen waren hyperactief tijdens de rustmomenten, maar namen meteen hevig gas terug als de proefpersoon aan een taak begon. Ruis, dacht men, maar in 1997 ontdekte Raichle's collega Gordon Shulman dat er iets anders aan de hand was.
Shulman bekeek de hersenscans van 134 proefpersonen. Welke taak ook werd uitgevoerd - lezen of het volgen van figuren op een scherm - iedere keer als de proefpersoon zich ging concentreren, ging dezelfde constellatie van hersendelen op een zacht pitje. 'Ik was verbaasd over hoe consistent dat beeld was', aldus Shulman. Het zag er ineens niet meer uit als ruis. 'We zagen een zenuwnetwerk dat nog niet eerder was beschreven.'
Raichle en Shulman publiceerden een artikel in 2001, waarin ze opperden dat ze op een tot dan toe niet onderkende 'terugvalmodus' (default mode; vert.) waren gestuit, een soort van intern spelletje solitaire dat de hersenen aanzetten als ze niets hebben te doen en dat terzijde wordt geschoven als ze een taak krijgen voorgezet. Die activiteit treedt vooral op in een groep hersendelen die in een boog langs de middenlijn van het brein liggen, van voor naar achter, die Raichle en Shulman het 'terugvalnetwerk' (default network; vert.) hebben genoemd. Die hersendelen waren al eerder bestudeerd, maar niemand was het opgevallen dat ze onophoudelijk met elkaar kletsen als de persoon niets te doen heeft en meteen kalmeren als er een taak langskomt waarvoor aandacht is vereist. Toen de stofwisselingsactiviteit werd gemeten, bleek dat sommige delen van dit netwerk per gewichtseenheid dertig procent meer calorieën verbruiken dan vrijwel alle andere delen van het brein.
Oefenen voor de toekomst
Dit alles roept de vraag op: wat spoken de hersenen precies uit als wij nergens mee bezig zijn? Toen Raichle en Shulman het terugvalnetwerk in kaart probeerden te brengen, stuitten ze wel op aanwijzingen die naar een antwoord zouden kunnen leiden. Een van de kernonderdelen is de mediale prefrontale cortex, waarvan we weten dat hij van dingen op een hoogst egocentrische manier bepaalt of ze goed, slecht of neutraal zijn voor het individu. Delen van dit gebied lichten ook op als mensen wordt gevraagd uit een lijst van kenmerken die te kiezen die op henzelf van toepassing zijn, maar niet op - bijvoorbeeld - René Froger. Mensen bij wie de mediale prefrontale cortex is beschadigd, worden lusteloos en onmededeelzaam. Eén vrouw die herstellende was van een bloeding in dat gebied noemde het 'in een leeg hoofd wonen', zonder de gebruikelijke onophoudelijke stroom van loslopende gedachten waaraan we zo zijn gewend.
Delen van het terugvalnetwerk onderhouden ook krachtige verbindingen met de hippocampus, die autobiografische herinneringen - zoals wat je gisteren hebt gegeten, of hoe het vroeger op de kleuterschool was - opslaat en weer ophaalt. Voor Raichle en zijn collega Debra Gusnard wees dit alles naar: dagdromen. Via de hippocampus kan het terugvalnetwerk herinneringen ophalen, die de grondstof vormen voor de dagdromen. De mediale prefrontale cortex kan vervolgens vanuit een introspectief standpunt die herinneringen evalueren. Raichle en Gusnard opperden dat het terugvalnetwerk voor de hersenen wellicht 'intern oefent' voor keuzes die in de toekomst wellicht moeten worden gemaakt.
Er is nu ook direct bewijs dat het idee ondersteunt. Eerverleden jaar meldde Malia Mason van het Dartmour College in New Hampshire dat de activiteit van het terugvalnetwerk samenvalt met dagdromen. Met een fMRI-scanner kon ze vaststellen dat mensen als het netwerk actief was, zeiden dat ze dagdroomden, maar niet als het op een laag pitje ging staan. En proefpersonen met een actiever terugvalnetwerk meldden ook over de hele linie meer ronddwalende gedachten.
Dagdromen mag dan klinken als een vrij overbodige mentale inspanning, het dient wel degelijk een dodelijk serieus doel. Buckner en zij collega Daniel Gilbert van Harvard zien het als het ultieme stuk gereedschap om lessen die in het verleden zijn geleerd een plaats te geven in onze plannen voor de toekomst. En die oefening is kennelijk zo belangrijk dat het brein hem steeds gaat doen als de gelegenheid zich maar even voordoet, en er alleen mee ophoudt als het de beperkte toevoer van bloed, zuurstof en glucose nodig heeft voor een urgenter karwei.
Toch zijn sommigen gaan vermoeden dat het terugvalnetwerk meer doet dan alleen maar dagdromen. Dat idee stak de kop op toen Michael Greicius van de Stanford Universiteit in 2003 het terugvalnetwerk op een nieuwe manier benaderde. Hij liet zijn proefpersonen rustig in een fMRI-scanner liggen en keek eenvoudigweg naar wat hun hersenen deden. Aldus stuitte hij op wat men 'rusttoestand fluctuaties' in het terugvalnetwerk noemt: trage golven van neurale activiteit die op een samenhangende manier door het brein trekken, aldus de betrokken hersendelen in een coherent geheel samenvoegend. De golven duurden van golftop tot golftop tien tot twintig seconden, zo'n honderd keer trager dan de hersengolven die normaal gesproken met een EEG via elektroden op de hoofdhuid worden waargenomen.
Tot dan toe hadden wetenschappers het terugvalnetwerk altijd op de ouderwetse manier bestudeerd, door scans van de hersenen in rust af te trekken van scans tijdens het uitvoeren van taken, om zo de veranderingen in hersenactiviteit te meten. Maar het werk van Greicius liet zien dat je het netwerk stiekem kon afluisteren door mensen gewoon te scannen als ze lagen te niksen. Zo kon men ook mensen bestuderen die niet eens bij bewustzijn waren - wat iets onverwachts aan het licht bracht.
Raichle meldde in 2007 dat de rustgolven van het netwerk in apen die zwaar onder narcose waren gebracht, doorgingen alsof de apen gewoon wakker waren. En vorig jaar meldde Greicius iets vergelijkbaars bij mensen die gesedeerd waren.
Andere onderzoekers hebben vastgesteld dat het terugvalnetwerk actief en gesynchroniseerd is aan het begin van de slaap. Dat strookte geenszins met de aanname dat het terugvalnetwerk helemaal om dagdromen draait. 'Het verbaasde me', moet Greicius toegeven. 'Ik heb mijn ideeën over waarmee we hier te maken hebben, grondig moeten herzien.'
Vestoring bij Alzheimerpatiënten
Het is verleidelijk een verband te zien met gewoon dromen, omdat het terugvalnetwerk actief is aan het begin van de slaap. Raichle vermoedt evenwel dat die nachtelijke activiteit een ander doel dient: het sorteren en opslaan van herinneringen. We slurpen dagelijks een berg kortetermijnherinneringen op, waarvan er slechts een paar de moeite waard zijn om in te voegen in het persoonlijke verhaal dat ons leven richting geeft.
Raichle denkt nu dat het terugvalnetwerk daarmee te maken heeft en dat het selectief herinneringen opslaat en actualiseert vanuit persoonlijk perspectief - of ze goed zijn, bedreigend, emotioneel pijnlijk of wat dan ook. Om ervoor te zorgen dat er zich geen stuwmeer van onopgeslagen herinneringen vormt, stort het netwerk zich op die taak zodra de gelegenheid zich maar even voordoet.
Doordat het zo'n centrale rol speelt, is het natuurlijk niet verwonderlijk dat het terugvalnetwerk mogelijk betrokken is bij sommige veel voorkomende hersenaandoeningen. Zo woonde Buckner in 2004 een presentatie bij van William Klunk van de Universiteit van Pittsburgh, waarbij Klunk driedimensionale kaarten liet zien van schadelijke eiwitklonters in de hersenen van Alzheimerpatiënten. Tot dan toe was er alleen naar deze klonters gekeken in steeds één hersendeel tegelijk, door de hersenen van overleden patiënten te ontleden. Toen Klunk de kaart van het brein als geheel op het scherm projecteerde, was het voor velen dan ook de eerste keer dat ze het totaalbeeld zagen. 'Dat was verrassend', zegt Buckner. 'Het leek precies op het terugvalnetwerk.'
Sindsdien hebben Raichle, Greicius en Buckner ontdekt dat het activiteitenpatroon van het terugvalnetwerk verstoord is bij Alzheimerpatiënten. Ze zijn nu ook de activiteiten van het netwerk aan het volgen bij mensen met lichte geheugenstoornissen, om te kijken of ze kunnen leren voorspellen wie van hen later Alzheimer zal krijgen. Van dergelijke mensen krijgt de helft Alzheimer; maar welke helft? 'Kunnen we met wat we te weten zijn gekomen inzicht krijgen in wie risico loopt op Alzheimer?' vraagt Buckner zich af.
Er is heel wat water naar de zee gevloeid sinds Sokolof 55 jaar geleden zijn verrassende observatie deed. Door naar het brein in ruste te kijken in plaats van het voortdurend kunstjes te laten doen, wordt nu de rijke binnenwereld van onze privémomenten blootgelegd. Wees u er dus, de volgende keer dat u een beetje aan het lanterfanten bent, van bewust dat uw hersenen vlijtig doorwerken. Als u zich tenminste even kunt losmaken van uw gedagdroom.
Vertaling Chris Sprangers
Tekst NewScientist
Wellicht ook interessant:
Meer artikelen in de rubriek
'Weekblad archief'
Reageer, print of deel dit artikel
|
