8. Geheugen, hoe onthoud je iets? Het brein

Pas op! Het lezen van dit stuk verandert je hersenen. Als je het gelezen hebt, zijn de moleculen in je brein en misschien zelfs je hersencellen veranderd. Want alles wat we onthouden wordt vastgelegd in de grijze massa in ons hoofd. Maar hoe gebeurt dat? Wie wel eens kalfshersenen besteld heeft, weet dat er eigenlijk niks te zien valt aan hersenen. Een ondoorzichtige grijze massa. Met een substantie van stevige vettige pudding. Toch heeft deze pudding wel degelijk structuur, hij is opgebouwd uit ongeveer honderdmiljard cellen, neuronen. Ze vormen een gigantisch netwerk waarin iedere hersencel met duizend tot tienduizend andere neuronen in contact staat. In dat netwerk zit alles wat we ons herinneren opgeslagen. Van de zin die u net gelezen heeft, tot de geur van uw kleuterschool.

Een hersencel zie je niet zomaar. Door de ontwikkeling van steeds sterker vergrotende microscopen en de uitvinding van een kleuringsmethode om hersencellen zichtbaar te maken, zijn ze sinds de tweede helft van de 19e eeuw te zien. De vroege microscopische beelden maakten duidelijk dat een hersencel een karakteristieke opbouw heeft. Uit het cellichaam ontspringen vele uitlopers, als tentakels uit het lichaam van een inktvis. Iedere hersencel heeft twee soorten uitlopers: De dendrieten, die als een antenne signalen van andere cellen ontvangen en de axonen, die juist als een zender van informatie werken.

De eerste beelden toonden prachtig hoe hersencellen er uit zien, maar hoe ze met elkaar communiceren was er niet uit op te maken. Zoals zo vaak in de wetenschap waren aanhangers van twee rivaliserende theorieën het volstrekt met elkaar oneens. Het ene kamp, vertegenwoordigd door de hooghartige Italiaan Camillo Golgi die de kleuringsmethode uitvond, beweerde dat alle hersencellen met elkaar versmolten waren. Alsof het één grote cel was met ontelbaar veel compartimenten. Het andere kamp, onder aanvoering van de eigenzinnige Spanjaard Santiago Ramón y Cajal, wist zeker dat hersencellen losse eenheden waren. Informatie moest via de contactpunten overspringen van de ene hersencel naar de andere. De strijd woedde zelfs voort tijdens de lezingen die Golgi en Cajal in 1906 gaven toen ze samen de Nobelprijs voor geneeskunde deelden.

Cajal’s theorie bleek juist te zijn. Hersencellen zijn losse eenheden die communiceren met elektrische en chemische signalen. Ze praten voortdurend met elkaar, of u nu wakker bent of slaapt. In de antennes van de hersencel worden chemische boodschappen van andere hersencellen omgezet in elektrische signalen. Het cellichaam, het zenuwcentrum van de hersencel, verwerkt de elektrische gegevens, en besluit of er iets aan andere hersencellen verteld moet worden. Als ze daartoe besluit, stuurt de cel een pulsvormig elektrische signaal de zender in. Het elektrisch signaal van het cellichaam wordt vertaald in een chemische boodschap, die naar de andere hersencellen verstuurd wordt. De antennes van de ontvangende cellen vertalen de chemische boodschap weer terug naar elektrische signalen, die in hun cellichamen verwerkt worden. Zo zetten zij op hun beurt het gesprek in ons hoofd weer voort.

Elektrische signalen zijn snel. Doordat hersencellen elektrische signalen gebruiken, kunnen onze hersenen snel reageren. Zonder elektrische signalen zouden we het IQ van een plant hebben. De meeste plantencellen gebruiken namelijk geen elektrische signalen om met elkaar te praten. Een wedstrijdje tennis is ook onmogelijk zonder de elektrische signalen in onze hersencellen. We zouden geen meter kunnen lopen. De uitlopers van hersencellen die onze armen en benen laten bewegen zijn heel lang. Om de bal op tijd terug te slaan, hebben we de elektrische signalen hard nodig. Zonder elektrisch transport van informatie zou er ongeveer een week zitten tussen de wil om een stap te zetten, en hem te doen. Als dat al zou kunnen.

Niet alle hersencellen zijn het zelfde. Zij zijn allemaal gespecialiseerd zodat het brein zoveel verschillende dingen kan, zoals lezen en tennissen. Gespecialiseerde zenuwcellen in uw ogen vangen het licht van de letters die u nu leest op. Anderen hebben zich toegelegd op de smaak van koffie, of het aansturen van de spieren in uw arm om het kopje te pakken. Van het merendeel van de hersencellen is nog onbekend waarin ze gespecialiseerd zijn.

De specialisatie is gebaseerd op eiwitten, grote moleculen die bepaalde chemische reacties kunnen uitvoeren. We kunnen zien dankzij het eiwit rhodopsine, dat heel gevoelig is voor licht. Vanaf het moment dat u ’s ochtends uw ogen opent, verandert rhodopsine de elektrische activiteit van de zenuwcellen in uw netvlies, de staafjes en kegeltjes. Doordat rhodopsine-eiwitten gevoelig zijn voor verschillende kleuren, zien wij in kleur. Hetzelfde geldt voor onze andere zintuigen. Eiwitten zorgen ervoor dat we kunnen ruiken, horen, voelen, en proeven. Een pittige curry wordt door u als ‘heet’ ervaren doordat capsaicine dat in pepers zit, aan eiwitten in uw mond bindt. De elektrische activiteit van zenuwcellen in uw mond verandert en dat wordt doorgegeven aan de hersenen. Zonder die ‘peper-eiwitten’ zou u chilipepers als een fris tussendoortje eten. Hoe wij de wereld ervaren wordt dus in eerste instantie bepaald door de eiwitten in onze zenuwcellen.

Veel dieren maken gebruik van andere eiwitten dan wij en ervaren de wereld dan ook op een totaal verschillende manier. Wij zijn doof voor de hoge tonen die honden kunnen horen, en zien niet het ultraviolette licht dat bijen kunnen zien. Moeilijker is het voor te stellen om je omgeving alleen te kennen uit het patroon van weerkaatsing van geluid dat je zelf voortbrengt, zoals vleermuizen doen. Of alleen door de elektrische activiteit van voorwerpen te verkennen met stroomstootjes die je zelf afgeeft, zoals bij bepaalde vissen. Hun 'elektrisch' orgaan heeft een grote hoeveelheid eiwitten die elektrische velden kunnen veranderen en waarnemen. Stekende insecten zoals muggen hebben eiwitten die heel gevoelig zijn voor CO2. Aangezien wij allemaal CO2 uitademen, hangt er een wolk van dat broeikasgas om ons heen. Voor muggen een teken dat een maaltijd warm bloed dichtbij is. Op een broeierige zomeravond ruikt een vol terras met mensen voor een mug als de warme bakker op een vroege zaterdagochtend voor ons. Probeer dus op het volle terras niet teveel CO2 af te geven, dan zouden muggen u wel eens over het hoofd kunnen zien.

Eigenlijk kunnen we met onze vijf zintuigen dus maar een beperkt beeld krijgen van de wereld om ons heen. Toch zijn er vele mogelijkheden om de menselijke waarneming uit te breiden. Verloren euro’s op het strand zijn met een metaaldetector eenvoudig te vinden. Zodra metaal waargenomen wordt, wordt dat vertaald in een signaal dat onze zintuigen wel kunnen waarnemen, licht of geluid. Voor geigertellers en infrarood kijkers geldt hetzelfde. Detectie van radioactieve straling of infrarood licht wordt omgezet in voor ons herkenbaar licht of geluid.

Niet alleen onze waarneming wordt bepaald door eiwitten, ook onze herinneringen worden door eiwitten opgeslagen in onze hersenen. Of het nu het gezicht van uw nieuwe collega is, of het pianostuk waar u zo hard op gestudeerd hebt, hersencellen hebben de benodigde informatie in de contactpunten opgeslagen. Wanneer een herinnering wordt vastgelegd, veranderen de contactpunten tussen hersencellen van volume. Boodschappen van andere hersencellen worden dan beter of slechter ontvangen. Niet van allemaal tegelijk, maar voor ieder contactpunt wordt het volume apart bijgesteld. Als bij muizen door genetische modificatie het volume-eiwit uit de antennes wordt weggehaald, zijn ze hun geheugen kwijt. Door de werking van dezelfde eiwitten te versterken, kunnen ze beter leren. Bij verstandelijk gehandicapten ontwikkelen de contactpunten tussen hersencellen niet goed. Ze veranderen minder makkelijk van volume. Het is voor hen dus moeilijker om iets te onthouden.

Er is wel een verschil tussen de eiwitten die hier eerder besproken werden, die zich in zintuigcellen in de periferie bevinden en de eiwitten in ons brein, onze grote hersenen, die deel uitmaken van het centrale zenuwstelsel. De eiwitten in ons brein zijn gevoelig voor boodschapperstoffen of neurotransmitters die door andere zenuwcellen worden afgegeven. De functie van een zenuwcel in ons brein is daarmee vooral afhankelijk van de informatie die deze ontvangt, bewerkt en weer doorgeeft, door middel van de verbindingen met andere zenuwcellen. Uiteraard zijn ook hiervoor de juiste eiwitten nodig, in het juiste volume, maar verschillende cellen met dezelfde antenne-eiwitten kunnen heel verschillende functies hebben. Het antenne-eiwit dat in de hippocampus een rol speelt bij geheugen (de zogenaamde glutamaat receptor), speelt in het voorste deel van de grote hersenen een rol bij het organiseren en sturen van ons gedrag, zoals de keuze om wel of niet dit stukje uit te lezen of aan te passen. Bij schizofrenie is onder meer het functioneren van deze boodschapper en zijn antenne verstoord, met als gevolg een bij vlagen ernstige ontregeling van het dagelijks leven van de betreffende persoon.

Omdat het aantal contactpunten tussen de honderd miljard hersencellen ongelofelijk groot is, is de opslagcapaciteit van ons brein enorm. Door het volume van contactpunten bij te stellen, worden onze herinneringen structureel vastgelegd in de verbindingen tussen hersencellen. Soms een leven lang. Tenzij hersencellen en hun contactpunten afsterven, zoals gebeurt wanneer we ouder worden. Dan verdwijnen ook de herinneringen die in de contactpunten geschreven waren. Zo zult u waarschijnlijk ook dit stukje ooit weer vergeten.