Onze hersenen bepalen de manier waarop we de wereld ­waarnemen. Uit de immense stroom informatie die onze zintuigen bereikt, ­selecteren ze precies die signalen die relevant zijn. Hierbij gebruiken ze onze eerdere ervaringen, herinneringen en doelen. Cognitief ­wetenschapper Kia Nobre ontrafelt hoe onze hersenen dit voor ­elkaar krijgen. Voor haar onderzoek ontving ze de C.L. de Carvalho-Heinekenprijs voor Cognitieve Wetenschappen.

The English translation of this article can be found here.

We realiseren het ons misschien niet altijd, maar de manier waarop we de buitenwereld waarnemen is voor iedereen anders. Onze hersenen zijn continu bezig met het doen van voorspellingen, het selecteren van relevante zintuiglijke signalen en het koppelen van signalen aan informatie uit ons geheugen. ‘Wat we van de externe zintuiglijke stroom oppikken wordt sterk gevormd door onze eerdere ervaringen, onze herinneringen en ook door onze doelen en motivaties op een bepaald moment’, zegt Kia Nobre, hoogleraar translationele cognitieve wetenschappen aan de Universiteit van Oxford in het Verenigd Koninkrijk.

Wordt het plat Amsterdams een museumtaal?
LEES OOK
Wordt het plat Amsterdams een museumtaal?

De reden: er zijn te veel mogelijkheden en afleidingen in de wereld om gedrag te sturen. Ons brein richt daarom onze aandacht op de signalen die voor ons het relevantst zijn. Ook van binnenuit is er een gigantische hoeveelheid informatie beschikbaar, in de vorm van herinneringen. ‘Het uitzoeken en samenvoegen van de relevante signalen te midden van alle afleiding is essentieel voor het opbouwen van een samenhangende zintuiglijke waarneming, het begrijpen en produceren van taal en het uitvoeren van alledaagse taken zoals koken of autorijden’, zegt Nobre. De grote vraag is hoe onze hersenen dit voor elkaar krijgen. Met experimenten waarin proefpersonen specifieke taken uitvoeren terwijl hun hersenactiviteit gemeten wordt, probeert Nobre dit stap voor stap te ontrafelen.

Een belangrijk onderdeel van haar onderzoek is anticipatie. Je hersenen laten namelijk niet eerst alle informatie binnenstromen en gaan dan kijken of er iets relevants tussen zit, maar ze richten proactief je aandacht ergens op. Onder andere op specifieke plekken in de wereld om je heen – de zogeheten ruimtelijke aandacht. In de jaren negentig beschreef Nobre samen met collega’s een netwerk van hersengebieden die betrokken zijn bij het controleren van ruimtelijke aandacht in het menselijke brein. Naast ruimtelijke aandacht kunnen je hersenen je aandacht ook op specifieke momenten in de tijd richten. Nobre en collega’s waren de eersten die deze capaciteit bestudeerden in het menselijk brein. ‘De belangrijkste bevinding is een vrij simpele observatie’, zegt Nobre. ‘Het brein kan een zintuiglijke prikkel anticiperen en prioriteit geven, gebaseerd op zijn timing.’

Beeld: Bram Belloni

Nobre bestudeert deze zogeheten temporele aandacht met experimenten waarin ze mensen simpele taken geeft terwijl ze de hersenactiviteit bestudeert. De proefpersonen zien verschillende plaatjes langskomen en krijgen achteraf vragen over een van de plaatjes. ‘We vertellen mensen soms van tevoren wanneer het plaatje langskomt waar we vragen over gaan stellen. Soms vertellen we dit juist niet, en soms geven we de verkeerde informatie’, zegt Nobre. Als mensen van tevoren weten op welk plaatje ze moeten focussen, kunnen ze daarna de vragen beter beantwoorden. Dit komt deels doordat je brein zich voorbereidt als je een specifieke gebeurtenis verwacht, waardoor je de informatie beter in je opneemt. Deze voorbereidingssignalen kun je zien als je de hersenactiviteit van mensen meet. ‘Als je de timing van die gebeurtenis weet, dan is de voor­bereiding precies op dat moment optimaal.’

‘Er reageerden hersengebieden die ver buiten het bekende taalnetwerk lagen’

Aandacht richt zich niet alleen op de ­buitenwereld. De meeste aandachtwetenschappers onderzoeken hoe de hersenen zich voorbereiden op informatie die via de zintuigen binnenkomt. Nobre liet echter zien dat om taken uit te voeren, het ook van groot belang is dat je je aandacht richt op specifieke items in je werkgeheugen. Het werkgeheugen bevat de informatie die we actief in onze hersenen beschikbaar houden. Nobre was de eerste die experimentele studies ontwikkelde om dit te onderzoeken en heeft het netwerk van betrokken hersengebieden in kaart gebracht en identificeerde relevante hersensignalen. Ook hier speelt temporele aandacht een rol: je brein kan zorgen dat informatie uit je geheugen precies op het juiste moment beschikbaar is om je gedrag te sturen. Door Nobres onderzoek is het werkgeheugen veranderd van een vaste en starre opslagplaats in een flexibel en dynamisch systeem voor het slaan van een brug tussen zintuiglijke ervaring, doelen en handelingen.

Beeld: Bram Belloni

Revolutionaire technieken

Nobre gebruikt diverse technieken om het brein in beeld te brengen en hersenactiviteit te meten. Ze behoorde tot de eersten die verschillende revolutionaire technieken gebruikten. Zo maakte ze vroeg in haar carrière ­gebruik van het meten van hersenactiviteit met elektrodes in het brein. Dit was mogelijk doordat ze werkte met epilepsiepatiënten die deze elektrodes geïmplanteerd hadden gekregen omdat medicatie niet hielp. ‘We konden menselijke hersenactiviteit direct meten’, zegt Nobre. ‘Dat was op zichzelf al heel bijzonder. Maar we deden ook een geweldige ontdekking: als we mensen woorden lieten zien, reageerden er hersengebieden die ver buiten het bekende taalnetwerk liggen. Het was compleet anders dan alles wat in de studieboeken stond. Toch was het zo tastbaar en echt: je kon de respons in het brein onmiddellijk zien. Het was een ongelooflijke opwinding om iets compleet onverwachts ontdekken.’ De ontdekkingen die Nobre op dit gebied deed ­waren grote doorbraken in het begrijpen van het taalnetwerk in het menselijke brein.

‘We kunnen dingen aflezen over de menselijke geest door slechts naar het gezicht te kijken’

In de hersenen van gezonde mensen kun je niet zomaar elektrodes plaatsen. Liever wil je de hersenactiviteit vanaf de buitenkant kunnen meten. Nobre was een van de eerste onderzoekers die functionele MRI (fMRI) gebruikten, een techniek die dit mogelijk maakte. Met fMRI kun je in kaart brengen welke hersengebieden op een bepaald ­moment actief zijn. Daar stroomt dan meer zuurstofrijk bloed heen, wat je kunt detecteren met een MRI-scanner.

Soms zijn grote scanners niet eens nodig: Nobre ontwikkelde recent nieuwe methoden om te volgen waar iemands aandacht in diens gedachten op gericht is. Zo kon ze bijvoorbeeld aan minieme onvrijwillige oog­bewegingen aflezen of iemand zijn aandacht richtte op een plaatje links of rechts in het rooster dat hij in gedachten had. Ook liet ze zien dat de pupillen van mensen kleiner of groter worden als ze focussen op een licht of donker object in gedachten. ‘We kunnen dus daadwerkelijk dingen aflezen over de menselijke geest door slechts naar de buitenkant, het gezicht, te kijken.’

Alzheimer en Parkinson

De kennis die Nobre opdoet over het brein gebruikt ze ook om te onderzoeken wat er mis gaat bij neurodegeneratieve aandoeningen, zoals alzheimer en parkinson. ‘Meestal gebruiken onderzoekers hiervoor beeldvormingstechnieken zoals MRI’, zegt Nobre. ‘Dan kijken ze bijvoorbeeld naar de afname van weefsel in de hippocampus en gerelateerde gebieden, of kijken ze met positron emission tomography (PET) naar specifieke moleculen die kenmerkend zijn voor degeneratieve processen. Maar zodra je dit soort wijzigingen kunt zien, is het degeneratieve proces al vergevorderd. Daarom kijken wij echt naar het functioneren van de hersenen in real time – met magneto- en elektro-encefalografie, beter bekend als MEG en EEG. Hiermee meten we de daadwerkelijke hersenactiviteit en kunnen we al in een veel eerder stadium detecteren dat het systeem niet optimaal werkt.’ Nobre vergelijkt dit met een topsporter die een blessure ontwikkelt. Het is beter om vroeg kleine veranderingen in het loopritme of manier van ­bewegen te detecteren, dan dat je het pas merkt als iemand niet meer kan lopen van de pijn.

De verzameling hersengolven, gemeten met sensoren op verschillende plekken, verschijnt als een reeks kronkellijntjes op Nobres computerscherm. Nobre kijkt naar verschillende aspecten van deze hersenactiviteit. ‘Sommige hersennetwerken hebben karakteristieke ritmes’, zegt ze. ‘Dat is bijvoorbeeld het geval bij het motorsysteem, dat beweging aanstuurt. We proberen te zien of er veranderingen in die ritmes plaatsvinden.’ Daarnaast neemt Nobre ook reeksen snapshots van zogenaamde hersentoestanden. Ze neemt dan als het ware telkens een foto van een patroon van hersenactiviteit, dat korte tijd stabiel is in de hersenen, alsof het brein een bepaalde houding aanneemt. Deze basistoestanden zeggen iets over waar het brein op dat moment mee bezig is. ‘Je zegt dus bijvoorbeeld: het brein is 20 milliseconden in de zogeheten bètatoestand, en dan gaat het 100 milliseconden naar een andere toestand, en dan komt het weer terug’, legt Nobre uit. ‘Je kunt dan zien of een hersennetwerk te lang actief is, of juist niet lang genoeg. Of misschien is de tijd tussen twee toestanden te lang.’ Dit onderzoek zit nog in de begin­fase, maar Nobre zag op deze manier al verschillen in de hersenactiviteit in de motorsystemen tussen mensen met Parkinson en gezonde mensen. ‘Ik denk dat deze kronkellijntjes nog veel meer zullen onthullen, als we hun taal beter leren begrijpen.’

Beeld: Bram Belloni

CV
Kia Nobre (Rio de Janeiro, 1963) studeerde neurowetenschappen aan Williams College in de Verenigde Staten. In 1993 promoveerde ze aan de Yale-universiteit, eveneens in de ­Verenigde Staten. Na een postdoc aan Yale en een onderzoekspositie aan Harvard Medical School vertrok ze in 1994 naar het Verenigd Koninkrijk. Ze werd faculteitslid van de afdeling experimentele psychologie en tutorial fellow aan de Universiteit van Oxford. In 2006 werd ze benoemd tot hoogleraar cognitieve neurowetenschappen. Sinds 2010 is ze ­directeur van het Oxford Centre for Human Brain Activity. In 2014 is ze aangesteld als eerste voorzitter van de translationele ­cognitieve neurowetenschappen.

Onderzoek
Kia Nobre onderzoekt hoe onze hersenen ­signalen uit de omgeving en ons geheugen combineren om ervaringen te vormen. Ze richt zich onder andere op de vraag hoe ons brein de aandacht kan focussen op de meest relevante signalen uit de omgeving en de relevante dingen in ons kortetermijngeheugen. ­Daarnaast onderzoekt ze hoe verschillende gebieden in het brein met elkaar communiceren, en hoe deze hersenactiviteit gecoördineerd wordt. Nobre gebruikt hiervoor verschillende technieken om het brein in beeld te brengen en hersenactiviteit te meten terwijl proefpersonen taken uitvoeren. Ook ontwikkelt ze methoden om neurodegeneratieve aandoeningen in een vroeg stadium te ­kunnen detecteren.

Heinekenprijzen
Elke twee jaar krijgen vijf gerenommeerde ­internationale wetenschappers en een kunstenaar de Heinekenprijzen toegekend. In 1964 riep Alfred Heineken de Dr. H.P. Heinekenprijs voor de Biochemie en Biofysica in het leven, als eerbetoon aan zijn vader. Later volgden de ­Heinekenprijzen voor de Kunst, de Geneeskunde, de Milieuwetenschappen, de Historische Wetenschap en de Cognitieve Wetenschappen.

Dit artikel kwam tot stand in samenwerking met de Stichting Alfred Heineken Fondsen.