Nieuw onderzoek heeft de hersenen van chimpansees en makaken vergeleken met die van mensen. CherylRamalho/Shutterstock
De mens is ongeëvenaard op het gebied van cognitie. Geen enkele andere soort heeft immers sondes naar andere planeten gestuurd, levensreddende vaccins geproduceerd of poëzie geschapen. Hoe informatie in het menselijk brein wordt verwerkt om dit mogelijk te maken is een vraag die eindeloze fascinatie heeft gewekt, maar nog geen definitieve antwoorden heeft opgeleverd.
Ons begrip van de hersenfunctie is in de loop der jaren veranderd. Maar de huidige theoretische modellen beschrijven de hersenen als een “gedistribueerd informatieverwerkend systeem”. Dit betekent dat het verschillende componenten heeft, die via de bedrading van de hersenen in een hecht netwerk met elkaar verbonden zijn. Om met elkaar in wisselwerking te staan, wisselen de regio’s informatie uit via een systeem van input- en outputsignalen.
Dit is echter slechts een klein deel van een complexer beeld. In een studie gepubliceerd in Nature Neuroscience, waarbij we gebruik maken van bewijsmateriaal van verschillende diersoorten en meerdere neurowetenschappelijke disciplines, tonen we aan dat er niet slechts één type informatieverwerking in de hersenen is. De manier waarop informatie wordt verwerkt, verschilt ook tussen mensen en andere primaten, wat kan verklaren waarom de cognitieve vermogens van onze soort zo superieur zijn.
We hebben concepten geleend uit het zogeheten wiskundige raamwerk van de informatietheorie – de studie van het meten, opslaan en communiceren van digitale informatie, die cruciaal is voor technologie zoals internet en kunstmatige intelligentie – om na te gaan hoe de hersenen informatie verwerken. We ontdekten dat verschillende hersengebieden in feite verschillende strategieën gebruiken om met elkaar te communiceren.
Sommige hersengebieden wisselen op een zeer stereotiepe manier informatie uit met andere, door gebruik te maken van input en output. Dit zorgt ervoor dat signalen op een reproduceerbare en betrouwbare manier overkomen. Dit is het geval voor gebieden die gespecialiseerd zijn voor zintuiglijke en motorische functies (zoals het verwerken van geluids-, visuele en bewegingsinformatie).
Neem bijvoorbeeld de ogen, die signalen naar de achterkant van de hersenen sturen voor verwerking. Het merendeel van de verzonden informatie is dubbel, en wordt door elk oog geleverd. De helft van deze informatie, met andere woorden, is niet nodig. Daarom noemen we dit type van input-output informatieverwerking “redundant”.
Maar de redundantie zorgt voor robuustheid en betrouwbaarheid – het is wat ons in staat stelt om nog steeds met slechts één oog te zien. Dit vermogen is essentieel om te overleven. Het is zelfs zo cruciaal dat de verbindingen tussen deze hersengebieden anatomisch in de hersenen zijn verankerd, een beetje zoals een vaste telefoonlijn.
Niet alle informatie die door de ogen wordt verstrekt is echter overbodig. Door de informatie van beide ogen te combineren, kunnen de hersenen uiteindelijk diepte en afstand tussen voorwerpen verwerken. Dit is de basis voor veel soorten 3D-brillen in de bioscoop.
Dit is een voorbeeld van een fundamenteel andere manier om informatie te verwerken, op een manier die groter is dan de som van de delen. We noemen dit soort informatieverwerking – wanneer complexe signalen van verschillende hersennetwerken worden geïntegreerd – “synergetisch”.
Synergetische verwerking komt het meest voor in hersengebieden die een breed scala aan complexere cognitieve functies ondersteunen, zoals aandacht, leren, werkgeheugen, sociale en numerieke cognitie. Het is niet hardwired in de zin dat het kan veranderen in reactie op onze ervaringen, waarbij verschillende netwerken op verschillende manieren met elkaar verbonden worden. Dit vergemakkelijkt het combineren van informatie.
Het menselijk brein is uiterst complex.
Shutterstock
Dergelijke gebieden waar veel synergie plaatsvindt – meestal aan de voorkant en in het midden van de cortex (de buitenste laag van de hersenen) – integreren verschillende informatiebronnen uit de hele hersenen. Ze zijn daarom breder en efficiënter verbonden met de rest van de hersenen dan de gebieden die zich bezighouden met primaire zintuiglijke en bewegingsgerelateerde informatie.
Hoog-synergetische gebieden die de integratie van informatie ondersteunen, hebben ook typisch veel synapsen, de microscopische verbindingen die zenuwcellen in staat stellen te communiceren.
Is synergie wat ons bijzonder maakt?
Wij wilden weten of dit vermogen om informatie te verzamelen en op te bouwen via complexe netwerken in de hersenen verschilt tussen de mens en andere primaten, die in evolutionair opzicht naaste verwanten van de onze zijn.
Om daar achter te komen, keken we naar beeldvormende gegevens van de hersenen en genetische analyses van verschillende soorten. We ontdekten dat synergetische interacties een groter aandeel hebben in de totale informatiestroom in de menselijke hersenen dan in de hersenen van makaakapen. Daarentegen zijn de hersenen van beide soorten gelijk wat betreft de mate waarin ze gebruik maken van overbodige informatie.
We keken echter ook specifiek naar de prefrontale cortex, een gebied in de voorkant van de hersenen dat meer geavanceerd cognitief functioneren ondersteunt. Bij makaken is de verwerking van overbodige informatie meer overheersend in dit gebied, terwijl het bij mensen een gebied is dat veel synergie vertoont.
De prefrontale cortex heeft ook een aanzienlijke uitbreiding ondergaan met de evolutie. Toen wij gegevens van chimpanseehersenen onderzochten, ontdekten wij dat hoe meer een gebied van de menselijke hersenen tijdens de evolutie in omvang was toegenomen ten opzichte van zijn tegenhanger bij de chimpansee, hoe meer dit gebied afhankelijk was van synergie.
Rhesus makaken apen bij Swayambhunath tempel in Nepal.
Shutterstock
We hebben ook gekeken naar genetische analyses van menselijke donoren. Hieruit bleek dat hersengebieden die geassocieerd worden met het verwerken van synergetische informatie meer kans hebben om genen tot expressie te brengen die uniek zijn voor de mens en gerelateerd zijn aan hersenontwikkeling en -functie, zoals intelligentie.
Dit leidde ons tot de conclusie dat extra menselijk hersenweefsel, verworven als gevolg van evolutie, mogelijk primair gewijd is aan synergie. Op zijn beurt is het verleidelijk om te speculeren dat de voordelen van een grotere synergie, voor een deel, de extra cognitieve capaciteiten van onze soort kunnen verklaren. Synergie kan een belangrijk stukje toevoegen aan de puzzel van de evolutie van de menselijke hersenen, dat tot nu toe ontbrak.
Uiteindelijk onthult ons werk hoe het menselijk brein de afweging maakt tussen betrouwbaarheid en integratie van informatie – we hebben beide nodig. Belangrijk is dat het raamwerk dat we hebben ontwikkeld de belofte inhoudt van cruciale nieuwe inzichten in een breed scala van neurowetenschappelijke vragen, van die over algemene cognitie tot stoornissen.
Emmanuel A Stamatakis ontvangt financiering van het Canadian Institute for Advanced Research en de Stephen Erskine Fellowship, Queens’ College, University of Cambridge.
Andrea Luppi ontvangt financiering van een Gates Cambridge Scholarship.
David Menon ontvangt onderzoeksfinanciering van het National Institute for Health Research, UK; UK Research and Innovation (UKRI); de Medical Research Council (UK); het Canadian Institute for Advanced Research (CIFAR); Addenbrooke's Charitable Trust; de Brain Research Trust (UK). Hij heeft consultancy- of onderzoekssamenwerkingsovereenkomsten met NeuroTrauma Sciences LLC, Gryphon Inc, GlaxoSmithKline Ltd; Lantmannen AB; Pressure Neuro Ltd; Integra NeuroSciences Ltd; Cortirio Ltd; en Calico LLC.
