De hiërarchie van de hersenschors: paars zijn de hooggeïntegreerde gebieden, rood de laaggeïntegreerde (afb: Nir Lahav)

Ik ga het niet weer zeggen (en doe het dus toch): onze hersens vormen een verbazingwekkend stuk chemische en elektrische technologie, waar vooralsnog geen mensenproduct aan kan tippen. 100 miljard hersencellen en 100 biljoen of zoiets aan celverbindingen maken de machine hersens nog steeds ongeëvenaard. Hoe ‘dieper’ we in onze hersens duiken, hoe raadselachtiger die worden. We hebben misschien een (flauw) idee hoe we herinneringen opslaan of ledematen aansturen, maar waar zit toch dat verdomde bewustzijn, waar zit onze geest? Opmerkelijk genoeg gingen natuurkundigen van de Israëlische Bar-Ilan-universiteit rond Sjlomo Havlin daar naar op zoek. Of ze die onstoffelijke zaken gevonden hebben? Die laten zich niet zo makkelijk vatten.

Havlin en zijn collega Reuven Cohen gebruikten een netwerktheorie om de complexiteit van de hersens te kunnen vatten en om er achter te komen hoe de structuur van het menselijke hersenschorsnetwerk de ingewikkelde gegevensverwerking en de bewuste activiteit ondersteunt. De grijze massa van de hersenschors, de hersencellen, werd bekeken met de kernspinafbeeldingstechniek die bekend is onder de Engelse afko mri. De witte hersenmassa, de ‘bedrading’, werd bekeken met tractografie. Daarmee werd zo goed en zo kwaad als het ging het netwerk van de hersenschors in kaart gebracht.
Eerder onderzoek had al geopenbaard dat hersenschors een fijnmazig netwerk van verbindingen vormt met hoofdwegen maar ook b-weggetjes. Volgens medeonderzoeker Nir Lahav wilden de onderzoekers aan de weet komen hoe de structuur van het netwerk kan leiden tot zoiets als bewustzijn. “We gebruikten daarvoor een netwerkanalyse die k-schilontleding wordt genoemd. In die methode wordt uitgaande van de mate van verbondenheid van elk knooppunt onderscheid gemaakt tussen diverse ‘buurten’ in het hersenschorsnetwerk. Die noemen we schillen.” De ‘buurt’ met de grootste bindingsdichtheid wordt netwerkkern genoemd.
Lahav: “We pellen als het ware de verschillende schillen van het netwerk af om door te dringen tot de kern. Tot nu toe waren onderzoekers alleen geïnteresseerd in de kern, maar we ontdekten dat de schillen belangwekkende informatie kunnen bevatten over hoe de hersens gegevens integreren van lokaal niveau van elk knooppunt tot het hele netwerk. Voor het eerst hebben we een volledig topologisch model van onze hersenschors gemaakt.”

Model van de hersenschors

Uit dat model van de hersenschors blijkt dat de netwerkkern 20% van allen knooppunten omvat, de rest wordt gevormd door verbindingen tussen de diverse schillen. Als die topologie wordt vergeleken met andere netwerken zoals internet, dan zijn er verschillen aan te wijzen. Bij internet is bijna een kwart van de knooppunten geïsoleerd. Dat wil zeggen dat die niet met andere schillen verbonden zijn, maar met de kern. In het hersenschorsnetwerk bestaan vrijwel geen geïsoleerde knooppunten. De hersenschors is veel meer verbonden en efficiënter dan het wereldwijde web, zo constateerden de onderzoekers.
Als ze naar de verschillende schillen in het hersenschorsnetwerk keken dan konden de onderzoekers de hiërarchische structuur ontdekken en zien hoe de informatie binnen de netwerk stroomt. Schillen met weinig verbindingen bevatten knooppunten die specifieke functies uitvoeren zoals gezichtherkenning. Daarvandaan worden de gegevens doorgegeven naar hogere meer verbonden schillen waar extra gegevensverwerking plaatsvindt. Daar kun je het geheugen aan het werk zien en het uitvoerend systeem. Deze gebieden zouden verantwoordelijk zijn voor een bepaalde taak.

Die verwerkte informatie reist dan verder naar de dichtst ‘bekabelde’ buurt, de kern. Lahav: “Dat is een onderling verbonden collectief dat sterk gekoppeld is aan zichzelf die bepaalde taken kan uitvoeren als gevolg van een groot aantal veelomvattende structuren die wijd verspreid zijn.” Hij denkt dat die veel- of allesomvattende functie wel eens het bewustzijn zou kunnen zijn. Daarvan gaat hij er kennelijk van uit dat het bewustzijn in de hersenschors zetelt.

Bewustzijn

Lahav: “De connectie tussen hersenactiviteit en bewustzijn is nog steeds een groot raadsel.” De huidige hypothese is dat om een bewuste activiteit mogelijk te maken de hersens de bijbehorende informatie uit verschillende delen van het netwerk moet integreren. Volgens deze theorie, afkomstig van Giulio Tononi, zou als de geïntegreerde informatie een bepaald peil overschrijdt er nieuwe toestand ontstaan: het bewustzijn. Het bewustzijn hangt dus zowel af van de integratie van informatie als van de scheiding daarvan, zo wil deze theorie. Dat zou betekenen dat sommige delen van de hersens meer betrokken zijn bij het bewustzijn dan andere, maar dat die andere delen wel degelijk bijdragen, buiten het bewuste complex.

De verschillende schillen rekenen en dragen bij, terwijl de kern van overal informatie bij elkaar krijgt en verwerkt. De onderzoekers laten zien dat de kern en de verschillende schillen netjes voldoen aan de eisen van de moderne bewustzijnstheorieën, maar ik vraag me dan onmiddellijk af of dat geen ‘opzet’ is. Zouden ze tot dezelfde conclusie gekomen zijn als ze die bewustzijnstheorieën niet hadden gekend?
Volgens de onderzoekers zijn de verschillende gebieden waaruit de kern bestaat juist die gebieden die vroeger werd geassocieerd met bewust handelen. Lahav: “Nu moeten we deze analyse gebruiken om het hele brein te analyseren en niet alleen de hersenschors, om een beter model te krijgen van de hersenhiërarchie en beter te begrijpen hoe de neurale dynamiek leidt tot de allesomvattende integratie en, uiteindelijk, tot bewustzijn.”
Hij denkt dat de natuurkunde daar bij uitstek geschikt voor is. “Natuurkunde tracht de wetten de natuur bloot te leggen en vast te leggen in wiskundige vergelijkingen. Als we echt willen begrijpen wat bewustzijn is en hoe de hersens werken, moeten we vergelijkingen van de hersens en onze bewuste geest ontwikkelen. Zover zijn we nog niet. In feite zijn we daar nog ver vandaan, maar ik heb het gevoel dat dit onze heilige graal is en dat we daar naar op weg zijn.”

Bron: EurekAlert