De hersenen zijn het meest complexe object in het bekende universum. Zo’n 100 miljard neuronen geven honderden neurotransmitters en peptiden vrij in een dynamiek die zich uitstrekt over tijdschalen van microseconden tot een mensenleven. Gezien deze complexiteit kunnen neurobiologen productieve carrières besteden aan het bestuderen van een enkele receptor. Zouden psychologen de geest productiever kunnen begrijpen door de hersenen helemaal te negeren?
Marr (1977) stelde voor dat mentale processen op drie niveaus van analyse kunnen worden bestudeerd: computationeel (de doelen van het proces), algoritmisch (de methode), en implementatie (de hardware). De scheiding impliceert dat dezelfde computationele doelen en algoritmen kunnen worden bereikt door een menselijk brein of een computer, en het fysieke medium-neuron of silicium-is irrelevant. Dit concept was van fundamenteel belang voor de cognitiewetenschappelijke beweging en heeft de beoefenaars ervan toestemming gegeven om het brein comfortabel te negeren. Maar het is ernstig in twijfel getrokken: Een berekening op hoog niveau (b.v. het bepalen van de volgende zet in een schaakspel) kan op een vrijwel oneindig aantal manieren worden uitgevoerd. Het bouwen van een computermodel dat het computerdoel bereikt zegt weinig over de vraag of het dat op dezelfde manier doet als een mens dat zou doen. De hardware levert cruciale beperkingen op voor de ruimte van mogelijke modellen.
Het debat over de vraag of we de hersenen moeten bestuderen om de geest te begrijpen wordt nu gevoerd in een netwerk van duizenden wetenschappers en geleerden wereldwijd. De opkomende consensus lijkt te zijn dat uitvoering belangrijk is. Interessant is dat de omgekeerde vraag ook door neurobiologen wordt gesteld-moeten we de geest bestuderen om de hersenen te begrijpen?-en grotendeels en in toenemende mate bevestigend wordt beantwoord.
We kunnen veel over de geest leren zonder een neuron van een astrocyt te onderscheiden. Zoals ik vaak tegen mezelf zeg en soms tegen anderen: “Als je menselijke prestaties wilt begrijpen, bestudeer dan menselijke prestaties.” Maar hersengegevens verschaffen informatie over de geest die zelfs uit de meest zorgvuldige gedragsstudies niet kan worden verkregen. Kortom, hersengegevens bieden een fysieke basis die de talloze anderszins plausibele modellen van cognitie inperken. Ze geven ons een direct venster in welke mentale processen gelijksoortige en verschillende neurobiologische processen betrekken, waardoor we de biologie kunnen gebruiken om “de natuur in haar voegen te kerven” en de structuur van mentale processen te begrijpen (Kosslyn, 1994). Hersenfunctie biedt ook een gemeenschappelijke taal voor het direct vergelijken en contrasteren van processen die anders ‘appels en peren’ zijn, zoals aandacht en emotie. Deze gemeenschappelijke taal is een basis voor de integratie van kennis over verschillende soorten onderzoek – fundamenteel en klinisch, menselijk en niet-menselijk.
Omdat de algemene toepassingen van neuroimaging elders welsprekend zijn besproken, richt ik me hier op een paar voorbeelden van hoe functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI) nuttig is geweest in mijn werk (zie Jonides, Nee, & Berman, 2006). Omdat elke methode zijn beperkingen heeft, bespreek ik ook enkele valkuilen bij het maken van psychologische gevolgtrekkingen uit neuroimaging data.
Een van de toepassingen voor mij was het begrijpen van de structuur van emotie en uitvoerende controleprocessen, en de manieren waarop cognitieve controle werkt in emotionele en niet-emotionele situaties. Mijn collega’s en ik hebben gevraagd: Is pijn anders dan negatieve emoties zoals droefheid en woede, of zijn het varianten op een gemeenschappelijk thema? In meta-analyses hebben we gevonden dat pijn en negatieve emoties verschillende hersennetwerken activeren, maar kenmerken zoals anterior cingulate en frontale cortex activiteit delen met een bredere klasse van processen, waaronder aandacht (Wager & Barrett, 2004; Wager, Reading & Jonides, 2004). In tegenstelling hiermee zijn verschillende soorten negatieve emoties betrokken bij grotendeels overlappende netwerken. Pijn lijkt dus te verschillen van negatieve emotie, maar overeenkomsten suggereren manieren waarop ze onderliggende processen, zoals verhoogde aandacht, kunnen delen.
Vragen over de gelijkenis en het onderscheidend vermogen van mentale processen hebben sinds het begin van de psychologie centraal gestaan, maar definitieve antwoorden zijn moeilijk te vinden geweest. Inferenties zijn grotendeels gebaseerd op correlaties in prestaties tussen taken (of in fysiologische reacties, voor emotie). Maar prestatiegegevens zijn relatief informatie-arm: het feit dat twee taken ongeveer even lang duren om te voltooien zegt weinig over de vraag of de processen die betrokken zijn bij het selecteren van de respons hetzelfde zijn. Fysiologische reacties hebben te kampen met soortgelijke specificiteitsproblemen. Neuro-imaging biedt een veel rijkere bron van informatie: als twee taken dezelfde hersengebieden in dezelfde mate activeren, is het waarschijnlijk dat er soortgelijke processen bij betrokken zijn. Deze logica biedt een manier om de structuur van mentale processen te beoordelen op basis van de gelijkenis van hun hersenactivatiepatronen. In een studie gebaseerd op deze principes vroegen we ons af of verschillende ‘uitvoerende controle’ taken een gemeenschappelijk hersensubstraat impliceren (Wager, et al., 2005). Substantiële overlappende activatie suggereerde een gemeenschappelijk netwerk voor gecontroleerde responsselectie.
Hoewel vragen over het mechanisme moeilijker te beantwoorden zijn, kan neuroimaging ook hier informatief zijn. In een fMRI studie van pijn, vonden mijn collega’s en ik dat de verwachting van pijnverlichting geïnduceerd door een placebo de frontale cortex en midbrain pijn-verminderende mechanismen inschakelt (Wager et al., 2004). Frontale activatie suggereert een gemeenschappelijk substraat voor het in stand houden van een cognitieve context die zowel perceptuele/motorische als affectieve processen vorm geeft, en activatie in de middenhersenen suggereert betrokkenheid van opioïde analgetische systemen. Dergelijk direct bewijs over de mechanismen waardoor verwachtingen pijn beïnvloeden zou moeilijk te verkrijgen zijn zonder de hersenen te bestuderen.
De studie wijst ook op een bijkomend voordeel van neuroimaging: In gevallen waarin zelfrapportage onnauwkeurig kan zijn, kan beeldvorming convergerende directe maatregelen van centrale verwerking van een stimulus bieden. Terwijl verwachtingen pijnrapporten zouden kunnen beïnvloeden om oninteressante redenen die verband houden met cognitieve rapportagebias, levert het bewijs dat verwachtingen de lopende pijnverwerking beïnvloeden convergerend bewijs dat ze de pijnervaring vormgeven.
Ja, er zijn veel manieren waarop neuroimaginggegevens verkeerd kunnen worden gebruikt of verkeerd geïnterpreteerd. Bruto niveaus van regionale hersenactiviteit kunnen in sommige gevallen niets zeggen over de gelijkenis van psychologische taken: Bij twee verschillende taken kunnen dezelfde regio’s betrokken zijn, maar verschillende neuronenpopulaties of verschillende patronen van connectiviteit tussen de regio’s worden gebruikt. Bij twee gelijksoortige taken kunnen verschillende regio’s betrokken zijn, maar dezelfde soort berekeningen uitvoeren. Neurale activiteit kan worden gemist, aangezien het waargenomen beeldvormingssignaal slechts indirect de neurale activiteit weerspiegelt, en de waargenomen beeldvormingsactivering misschien niet essentieel is voor de taak.
Een van de grootste valkuilen is de verleiding om hersenactiviteit waar te nemen en daaruit conclusies te trekken over de psychologische toestand – bijvoorbeeld om het ophalen van episodisch geheugen af te leiden uit de hippocampale activiteit, angst uit de amygdala-activiteit, of visuele verwerking uit de activiteit in de ‘visuele cortex’ (Barrett & Wager, 2006; Poldrack, 2006; Wager et al, in druk). Deze gevolgtrekkingen negeren de reikwijdte van processen die elk van deze gebieden kunnen activeren en impliceren een denkfout in de redenering: “als geheugen dan hippocampus” is niet hetzelfde als “als hippocampus dan geheugen”. Het feit dat weinig hersengebieden, waaronder de “visuele cortex”, gewijd zijn aan één proces betekent dat zelfrapportage nog steeds de gouden standaard is voor het beoordelen van emotionele ervaring en de inhoud van gedachten (Shuler & Beer, 2006). Dit is een serieuze uitdaging voor wie bijvoorbeeld zijn merkvoorkeur of zijn politieke voorkeur aan de hand van een hersenscan zou willen vaststellen. (En is het niet makkelijker om het gewoon te vragen?)
Deze problemen zijn aanzienlijk, maar er is geen perfecte methode – een begrip van de geest moet voortkomen uit een gecoördineerde inspanning met behulp van convergerende bewijzen van alle instrumenten die ons ter beschikking staan. Veel van de bovengenoemde problemen worden aangepakt door vooruitgang in de methoden van data-acquisitie en -analyse, de accumulatie van meer gegevens over het verband tussen hersenstructuur en psychologische functie, en meer genuanceerde opvattingen over wat voor soort conclusies plausibel zijn. Ik denk dat naarmate het vakgebied volwassener wordt, de uitbundigheid van de jeugd plaats zal maken voor een meer nuchtere kijk op wanneer en hoe neuro-imaging ons kan informeren over de geest. Wat we al hebben geleerd is aanzienlijk, en de versnelde integratie over de vakgebieden heen leidt tot steeds meer en verfijndere en waarheidsgetrouwe modellen van de geest.
Barrett, L.F. and Wager, T.D. (2006). De structuur van emotie: Evidence from neuroimaging studies. Current Directions in Psychological Science, 15, 79-83.
Jonides, J., Nee, D.E., Berman, M.G. (2006). Wat heeft functionele neuroimaging ons verteld over de geest? Zoveel voorbeelden, zo weinig ruimte. Cortex, 42, 414-427.
Kosslyn, S. M. (1994). Het snijden van een systeem in zijn verbindingen. In beeld en hersenen: De oplossing van het mental imagery debat. Cambridge, MA: MIT Press.
Marr, D. en Poggio, T. (1977). From understanding computation to understanding neural circuitry. Neurosciences Res Prog Bull, 15, 470-488.
Poldrack, R.A. (2006). Kunnen cognitieve processen worden afgeleid uit neuroimaging data? Trends in Cognitive Sciences, 10, 59-63.
Shuler, M.G., Bear, M.F. (2006). Reward timing in de primaire visuele cortex. Science, 311, 1606-1609.
Wager, T.D. and Barrett, L.F. (2004). Van affect tot controle: Functional specialization of the insula in motivation and regulation.
Wager, T.D., Reading S., Jonides, J. (2004). Neuroimaging studies van verschuivende aandacht: Een meta-analyse. Neuroimage, 22, 1679-1693.
Wager, T.D., et al. (2005). Common and unique components of response inhibition revealed by fMRI. Neuroimage, 27, 323-340.
Wager, T.D. et al. (in press). Elementen van functionele neuroimaging. In J. Cacioppo en R.J. Davidson (Ed.), Handbook of Psychophysiology. Cambridge, MA: Cambridge University Press.
Wager, T.D., et al. (2004). Placebo-induce changes in fMRI in the anticipation and experience of pain. Science, 303, 1162-1167.