Slaat het brein informatie op net zoals een computer dat doet?

20 februari 2013 Blogs

Tussen het geheugen in een computer en het geheugen in de hersenen zijn best wat overeenkomsten te vinden. Zo kennen zowel het brein als een computer het onderscheid tussen korte- en langetermijn geheugen.

Daarnaast is voor het functioneren van het korte termijn geheugen zowel in de hersenen als in een computer continue activatie nodig. Waar het werkgeheugen (of RAM) van een computer continue aanvoer van elektriciteit nodig heeft om te kunnen functioneren, moet in het brein een bepaalde groep hersencellen langdurig actief blijven voor het goed functioneren van het korte termijn- of werkgeheugen [1]. Een andere overeenkomst tussen het werkgeheugen in de hersenen en dat van een computer, is dat beiden maar een beperke opslagcapaciteit hebben. Zo kun je bijvoorbeeld ongeveer zeven getallen vasthouden in je werkgeheugen. Probeer maar eens met de volgende serie:

1 5 8 3 12 4 7

En nu met een langere serie:

4 7 1 8 13 6 3 5 9 11 15 3

Je ziet dat het veel moeilijker is om de laatste serie te onthouden. Recente studies hebben laten zien dat deze vorm van geheugen teruggevonden kan worden in de lokale activiteit van enkele neuronen samen. Wanneer deze neuronen bij elkaar op een schaaltje opgroeien, zullen ze vanzelf verbindingen vormen. Na verloop van tijd ontstaat zo een netwerk dat kan worden gestimuleerd. Onderzoekers hebben gevonden dat activatie van de neuronen met verschillende patronen leidt tot herkenbare responsen op die patronen in het netwerk tot wel een halve seconde na de stimulatie [2]. Voor het onthouden van informatie over een langere termijn heb je echter een complexer netwerk nodig.

Zo’n complexer netwerk bestaat bijvoorbeeld in de hippocampus, een gebied dat niet alleen erg belangrijk is voor ruimtelijke oriëntatie (zie vraag van de week 6), maar ook voor het werkgeheugen. Een andere groep onderzoekers heeft onlangs laten zien dat in hersenplakjes van de hippocampus van ratten na stimulatie een herkenbaar patroon van tot wel 10 seconden ontstond [3].

Behalve het korte termijn geheugen bevat het brein – net als een computer – ook mechanismen om informatie voor langere tijd op te slaan. Om hiervan meer te begrijpen moeten we ons verdiepen in het niveau van de individuele hersencel, en met name in de contactpunten die deze vormt met andere cellen. Elk neuron in de hersenen bevat dendrieten, complexe vertakkingen die als antenne functioneren voor het ontvangen van signalen van andere neuronen. Ook bevatten neuronen axonen, de zenders waarmee signalen kunnen worden uitgestuurd. Tussen het axon van het zendende neuron en de dendriet van het ontvangende neuron bevinden zich synapsen waar de signaaloverdracht plaatsvindt. In de zendende synaps worden electrische signalen omgezet naar chemische signaalstoffen die vervolgens kunnen worden opgepakt door het ontvangende synaps. Hier bevinden zich namelijk eiwitten die van de chemische signalen weer nieuwe electrische pulsen kunnen genereren. De relatieve sterkte van deze verbinding tussen de synapsen is afhankelijk van de activatiegeschiedenis van deze synaps. Deze sterkte is bovendien veranderlijk over de tijd. Zo wordt een verbinding tussen twee hersencellen sterker na heftige activatie. Dit proces wordt ook wel lange-termijns potentiatie (LTP) genoemd en wordt gedacht aan de basis te staan van het langetermijnsgeheugen [4]. Sterke prikkeling van een neuron door een ander neuron leidt dus vaak tot langdurige versteviging van de band tussen deze neuronen.

Dit aannemende kun je dus veronderstellen dat een neuron op een bepaalde manier digitaal te activeren is, maar dit zou een versimpeling zijn van de werkelijkheid. De band tussen twee neuronen over de synapsen kan namelijk niet alleen langdurig versterkt, maar ook langdurig verzwakt worden. Dit proces wordt lange termijn depressie genoemd. Tussen versterke, neutrale of verzwakte synapsen bestaan bovendien een scala aan andere processen die allemaal bijdragen aan geheugenprocessen. Bovendien hebben we het hier over een enkel synapspaar. Een gemiddeld neuron bevat echter wel duizend tot tienduizend synapsen.

Een andere mogelijkheid is het beschouwen van de pulsen die gegenereerd worden in een neuron als een digitaal systeem. De som van activatie van vele synapsen bij elkaar zorgt er uiteindelijk voor of een neuron zal gaan ‘vuren’ of niet. Bij dit proces wordt een electrisch signaal opgewekt aan de basis van het axon, het zendstation, en uitgestuurd door de hersenen. Toch lijkt niet het vuren per sé, maar het ritme waarmee gevuurd wordt belangrijk te zijn voor hersenprocessen. Ook hier vervalt de vergelijking met een computer dus snel [5].

Hoewel het waardevol kan zijn om de vergelijking te maken tussen computers en het brein voor het beter begrijpen van ingewikkelde processen als geheugen of rekenprocessen, heeft deze analogie maar een beperkte waarde. Het brein is in alle opzichten de computer nog ver de baas in termen van capaciteit en productiviteit. Het is daarmee een mooie inspiratie voor verder ontwikkelingen op computergebied.

Bronnen

[1] Arnsten AF et al. Neuromodulation of thought: flexibilities and vulnerabilities in prefrontal cortical network synapses. Neuron, issue 76, volume 1, 2012 [Pubmed]
[2] Dranais MR et al. Short-Term Memory in Networks of Dissociated Cortical Neurons. Journal of Neuroscience, issue 33, volume 5, 2013 [Pubmed]
[3] Hyde RA, Strowbridge BW. Mnemonic representations of transient stimuli and temporal sequences in the rodent hippocampus in vitro. Nature Neuroscience, issue 15, 2012 [Pubmed]
[4] Martin SJ et al. Synaptic plasticity and memory: An evaluation of the hypothesis. Ann Rev Neurosci, volume 23, 2000 [PsycNET]
[5] Chatham C (2007) scienceblogs.com [Link]