Onze kristallen bol

Je kijkt op een scherm naar een ronddraaiend masker, bol aan de voorkant, hol aan de achterkant. De neus steekt uit, de lippen zijn licht getuit, de ogen lijken die van een dodenmasker. Op het moment dat je verwacht de achterkant van het masker te zien, zie je opnieuw de voorkant voorbij draaien. Vreemd. Het lukt je hersenen maar niet om het masker van de achterkant, de holle kant, te zien.

Dit is een van de vele illusies die aantonen dat het brein al een verwachting heeft van wat het gaat zien. Anderzijds illustreert deze illusie ook hoezeer ons brein is voorgeprogrammeerd om gezichten op te merken. Gezichten zijn zo belangrijk voor de mens dat we zelfs in twee puntjes en een haakje al een lachend gelaat herkennen. We kunnen gezichten ontwaren in wolken, rotspartijen, in het maanoppervlak, ja, in wat dan ook. ‘Zien doen we veel meer met ons brein dan met onze ogen,’ zegt Floris de Lange, hoogleraar waarneming en cognitie aan de Radboud Universiteit Nijmegen. ‘Dat is heel anders dan de passieve manier waarop een camera beelden ziet. Het brein registreert beeld, geluid of tast niet op een passieve manier, maar het speelt een actieve rol. Het gebruikt interne modellen die de directe waarneming interpreteren. Dat is handig. Zo stellen die modellen ons in staat om ons dingen voor te stellen, ook als je ze op dat moment niet waarneemt. Modellen geven ons brein verbeeldingskracht. Modellen maken van het brein een voorspellingsmachine.’

Dat het brein een voorspellingsmachine is, is een krachtige en aan populariteit winnende hypothese binnen de cognitieve neurowetenschappen. De Britse onderzoeker Karl Friston van University College London heeft het idee zelfs in een wiskundige formule gegoten waarvan hij hoopt dat het uiteindelijk de Grand Unified Theory van het brein blijkt te zijn: het hele brein, alle gedachten, emoties en herinneringen, in één formule.

Floris de Lange is de eerste wetenschapper die een hoofdrol speelt in de nieuwe wetenschapsserie Grote vragen van de VPRO (zie kader). In de eerste aflevering reizen we samen met De Lange langs onder meer zijn eigen Nijmeegse lab, waar hij het brein als voorspellingsmachine in hersenscanners onderzoekt. We reizen naar Madrid om honderd jaar oude tekeningen van hersencellen, gemaakt door de Spaanse vader van de neurobiologie, Santiago Ramón y Cajal, te bewonderen. We bekijken schilderijen vol doodskoppen die De Langes vader maakte in de periode dat hij ernstig depressief was. Zijn vader vertelt dat hij zich niet eens meer herinnert wat hij met de schilderijen wilde uitdrukken. Nog zo’n eigenaardigheid van de hersenen. ‘Mijn fascinatie voor hoe de psyche van de mens werkt, is zeker gevoed door het feit dat mijn vader een zware depressie heeft gehad,’ vertelt De Lange. ‘Er was een tijd dat zijn ziekte zo heftig was, dat hij hallucineerde. Hij hoorde stemmen, hij zag mensen een schilderij in en uit kruipen, hij voelde aardbevingen die er niet waren. Dat heeft me heel direct doen beseffen dat waarnemingen door je brein worden gecreëerd en dat ieder brein zijn eigen, unieke waarnemingen kan scheppen.’

Veel van zijn onderzoek richt zich op de rol van het brein als voorspellingsmachine bij het waarnemen van de buitenwereld. De Lange probeert om uit te vogelen hoe de voorspellingen van het brein op neurobiologisch niveau tot stand komen. Wat gebeurt er precies waar? Laat proefpersonen bijvoorbeeld eerst bij herhaling een reeks plaatjes in de volgorde A, B, C, D zien terwijl ze in een hersenscanner liggen. Al snel herkent hun brein de regelmatigheid. ‘Maar zodra we die volgorde veranderen,’ zegt De Lange, ‘bijvoorbeeld in A, B, D, C zien we dat het brein ineens veel actiever wordt bij het zien van D. Ook zien we dat als proefpersonen een bepaald plaatje verwachten te gaan zien, hun brein als het ware al een soort afdruk in de visuele hersenschors aan het maken is, nog voordat het plaatje wordt getoond. Dan zien we het voorspellende brein letterlijk in actie.’

Het evolutionaire voordeel van een voorspellend brein is gigantisch, wellicht veel groter dan hard kunnen lopen of goed kunnen zien. Als je in staat bent de wereld om je heen op korte termijn te voorspellen, inclusief het gedrag van mensen en dieren, dan stelt dat je in staat om sneller en adequater te reageren. Een krokodil mag dan een grote, krachtige bek hebben, als je het gedrag van het beest kunt voorspellen, weet je hoe je je moet gedragen om niet in die bek te belanden.

Een voorspellend brein blijkt ook energiezuiniger te zijn. Hoewel het genereren van voorspellingen ook energie kost, besparen die voorspellingen netto meer energie op het moment dat nieuwe informatie binnenkomt en het brein dankzij zijn voorspellend vermogen sneller de juiste conclusies kan trekken.

Een laatste voordeel van het voorspellende brein is dat alles wat je correct voorspeld hebt weinig aandacht meer behoeft en dat alles wat afwijkt juist automatisch aandacht trekt. De Lange: ‘Als je je eigen huis binnen gaat, sta je totaal niet stil bij hoe hoog de deurklink hangt, hoe hij aanvoelt en welke kleur hij heeft. Maar ik weet zeker dat het je meteen opvalt wanneer ik een van die drie eigenschappen zou veranderen. Dat soort verrassingsmomenten laat zien dat we de hele tijd onbewust voorspellingen maken.’

De Lange raakte zo gefascineerd door het effect van verrassingsmomenten op het brein dat hij een apart onderzoek startte naar nieuwsgierigheid. ‘Meestal kijk ik naar de verwerking van informatie en in hoeverre dat een voorspellend proces is. Maar ik ben ook benieuwd naar wat de rest van het brein doet met die verrassingsmomenten. Zijn er nog andere consequenties dan alleen maar op dat moment zien wat er voor je ogen gebeurt? Wetenschappers zijn de hele dag bezig problemen op te zoeken, puzzels die ze nog niet begrijpen maar dolgraag willen oplossen. Mijn hypothese is dat de mens nieuwsgierigheid nodig heeft om betere modellen van de wereld te maken. Ik zie nieuwsgierigheid als een soort overlevingsdrang, als “honger” naar informatie.’

Het brein kan de prachtigste muziekstukken componeren, de ingewikkeldste wiskunde bedenken en een vrije trap met een onwaarschijnlijke boog in de kruising van het doel schieten. Maar het brein kan ook op hol slaan en depressief of schizofreen worden. Vertellen de inzichten over het voorspellende brein ook iets over wat er kan misgaan in de hersenen?

De Lange vertelt dat er op dit terrein veel lopend onderzoek is, maar nog geen onomstotelijke conclusies. ‘Zo is er een hypothese dat het brein van mensen met autisme te vaak wordt verrast, dat de wereld als het ware te heftig binnenkomt, te weinig gefilterd door modellen van de buitenwereld. Een van de aanwijzingen daarvoor is dat autisten minder gevoelig zijn voor visuele illusies, zoals bij het ronddraaiend masker. Bij schizofrenie lijkt juist het omgekeerde te gebeuren: het voorspellende brein lijkt dan zo veel invloed te hebben dat het de modellen die het zelf genereert gaat verwarren met de informatie die van buiten binnenkomt. Dat kan leiden tot de heftige psychedelische schilderijen die we tijdens de tv-opname zijn gaan bekijken in het psychiatriemuseum van Gent.’

De Lange zelf beperkt zich echter tot de fundamentele wetenschappelijke vragen over hoe het brein als voorspellingsmachine werkt. De vragen die hij onderzoekt en de details waarmee hersenscanners het brein in actie laten zien, waren ruim honderd jaar geleden volstrekt onvoorstelbaar. Pas in 1889 ontdekte de Spaanse onderzoeker Santiago Ramón y Cajal door de microscoop dat het brein is opgebouwd uit eenvoudige, op zichzelf staande elementen: hersencellen. Voor die tijd dacht men dat het brein één grote, ingewikkelde cel was. Cajal kreeg er in 1906 de Nobelprijs voor Geneeskunde voor.

Het Cajal Instituut in Madrid is een neurobiologisch onderzoekscentrum waar ook het archief van de Nobelprijswinnaar huist. De Lange: ‘Uit een gekoelde archiefkast werd een originele tekening van Cajal gehaald. Met handschoenen aan mocht ik de tekening vasthouden en ik kreeg kippenvel. Dit was wat Cajal meer dan honderd jaar geleden zag: een hersencel met al haar vertakkingen, in verbluffend detail getekend. Hij had duidelijk kunstzinnig talent. Hij was de eerste die dit zag en ook correct interpreteerde. Hij begreep dat elke hersencel een vrij domme schakelaar is en dat de samenwerking tussen netwerken van een heleboel hersencellen het brein pas maakt tot wat het is: het centrum van ons wezen.’

Waar Cajal als het ware de neurobiologische atomen van de hersenen ontdekte, de individuele hersencellen, daar zijn De Lange en zijn collega’s op zoek naar de atomen van onze cognitie, de basiselementen van vermogens als waarnemen, handelen, emotie, taal, leren, redeneren en bewustzijn. ‘Het brein is geen Zwitsers zakmes van verschillende functies die ieder op hun eigen manier werken,’ besluit De Lange. ‘Welke functie ze ook hebben, veel gebieden in het brein zien er hetzelfde uit: ze hebben een stuk of zes lagen en er is een bepaalde verbondenheid tussen die lagen. Ik denk dat het brein een aantal basale rekenelementen heeft waarmee het verschillende cognitieve functies kan produceren. Dit soort atomen van cognitie wil ik graag ontdekken.’