Waar worden herinneringen gevormd en hoe weten we dat?

Zonder herinneringen, zouden we verloren zijn. Het zijn de draden die ons leven bij elkaar houden, die ons verbinden met wie we waren en wie we zijn.

Maar we hebben pas onlangs de buitengewone hersenwetenschap achter ze in elkaar gepuzzeld – een verhaal dat amnesiepatiënten, geestenpaleizen en spookachtige carnavals omvat.

Een van onze eerste analogieën voor het begrijpen van het geheugen komt uit het oude Griekenland, waar Plato herinneringen vergeleek met etsen op een wastablet, en zijn favoriete leerling, Aristoteles, bleef dit gebruiken in zijn eigen geschriften.

Vergeetachtigheid, zei Aristoteles, kwam voor in de kindertijd omdat de was te zacht was, en bij ouderen omdat het te hard was.

Voor hem bevonden herinneringen zich niet in de hersenen, maar in het hele lichaam. Hij dacht dat de hersenen er alleen maar waren om het hete hart – de zetel van onze ziel – af te koelen.

Een tendens om de voorkeur te geven aan het hart boven de hersenen bleef eeuwenlang bestaan – deels vanwege het verbod van de Kerk om de menselijke hersenen te ontleden. Pas in de 17e eeuw begon men te beseffen dat de hersenen ook maar enig denkvermogen bezaten.

Het was de Duitse filosoof Hermann Ebbinghaus die aan het eind van de 19e eeuw de eerste wetenschappelijke studie van het geheugen verrichtte. Het ging hem niet zozeer om de plaats van het geheugen in de hersenen, maar veeleer om de werking van het geheugen.

In zijn beroemdste experimenten stelde Ebbinghaus een lijst samen van meer dan 2000 onzinwoorden, zoals ‘kaf’ of ‘nid’, die hij uit het hoofd leerde en na verloop van tijd weer probeerde op te roepen. Hij ontdekte dat we de neiging hebben om op een exponentiële manier te vergeten – dat wil zeggen, we vergeten veel kort nadat we het hebben geleerd, en vervolgens vergeten we het langzamer na verloop van tijd.

Hij classificeerde in de psychologie ook drie soorten geheugen: zintuiglijk geheugen, kortetermijngeheugen en langetermijngeheugen – labels die vandaag de dag nog steeds worden gebruikt.

Zintuiglijk geheugen is de eerste soort herinnering die je hersenen binnenkomt: het duurt een fractie van een seconde. De aanraking van je kleren tegen je huid, de geur van een vreugdevuur. Tenzij we aandacht schenken aan die herinnering, verdwijnt ze voorgoed. Maar als je erover nadenkt, duw je het in je kortetermijngeheugen.

Je gebruikt dit de hele tijd zonder het te beseffen. Je begrijpt bijvoorbeeld alleen wat er aan het eind van deze zin gebeurt, omdat je je herinnert wat er aan het begin gebeurde.

Ons kortetermijngeheugen heeft naar verluidt een capaciteit voor ongeveer zeven items, die ongeveer 15 tot 30 seconden in de geest kunnen worden vastgehouden. Door deze items te repeteren zou je ze kunnen overbrengen naar je langetermijngeheugen – onze schijnbaar onbeperkte opslagplaats voor herinneringen voor de lange termijn.

Theorieën van de geest

In de daaropvolgende decennia bleven anderen ons begrip van het geheugen vooruit helpen. Een van de meest invloedrijke was de Britse psycholoog Frederic Bartlett.

In 1914 voerde hij een reeks experimenten uit waarbij hij studenten vroeg een verhaal te lezen en dat uit het hoofd te herhalen.

Door te analyseren hoe het verhaal in de loop van dagen, maanden en jaren veranderde, ontwikkelde hij de (nu bewezen) theorie dat herinneringen onvolmaakte reconstructies van gebeurtenissen zijn. Volgens hem herinneren we ons eigenlijk maar een klein deel van de oorspronkelijke waarneming, en vullen we de gaten op met culturele verwijzingen en persoonlijke kennis.

Maar ondanks een groeiende erkenning van hoe het menselijk geheugen werkte, bleven er nog veel vragen over. Waar worden herinneringen opgeslagen? Hoe ziet een herinnering eruit? Dat waren vragen die de Amerikaanse psycholoog Karl Lashley zijn hele carrière probeerde te beantwoorden.

Bij zijn belangrijkste experimenten zocht hij naar sporen van het geheugen in specifieke gebieden van de hersenschors van de rat – de gevouwen, buitenste laag van de hersenen die een rol speelt bij cognitie, zintuiglijke waarneming, besluitvorming en een hele reeks andere belangrijke functies.

Vanaf 1935 beschadigde hij systematisch specifieke gebieden van de cortex voor of nadat een rat was getraind om zijn weg uit een doolhof te vinden. Maar welk deel van de hersenen ook werd verwijderd, de ratten bleven zich beter herinneren hoe ze uit het doolhof moesten komen dan ratten die nooit getraind waren.

Lashley concludeerde dat ons vermogen om te leren en te onthouden verdeeld moet zijn over vele delen van de hersenen in plaats van in één enkel gebied te liggen.

Een bepaalde patiënt bleek de sleutel tot dit idee: een jonge man genaamd Henry Molaison.

Hij leed het grootste deel van zijn leven aan ernstige epileptische aanvallen, Molaison stemde in met een drastische experimentele behandeling. In 1953 boorden chirurgen gaten in zijn hersenen en zoogden de gebieden weg die verantwoordelijk waren voor de aanvallen – een zeepaardvormig gebied aan weerszijden van de hersenen genaamd de hippocampus

De operatie was een succes in die zin dat zijn aanvallen grotendeels werden verholpen, maar Molaison bleef achter met diep geheugenverlies, niet in staat om nieuwe lange-termijn herinneringen aan te maken.

Molaison kon zich echter het grootste deel van zijn verleden herinneren, tot een paar jaar voor de operatie. Later werd ontdekt dat hij ook procedurele herinneringen kon vormen, een type langetermijngeheugen dat verantwoordelijk is voor weten hoe je iets moet doen, zoals fietsen.

Molaison’s geheugenproblemen bewezen dat de hippocampus van vitaal belang was voor het creëren van de meeste nieuwe herinneringen, maar dat de herinneringen zelf elders in de hersenen werden opgeslagen.

Onderzoekers, waaronder neurowetenschapper prof. Suzanne Corkin, bleven Molaison de volgende 46 jaar regelmatig testen – hoewel voor Molaison elke dag dat ze spraken als de eerste was. “Het is een grappig iets,” vertelde Molaison aan Corkin. “Je leeft en leert. Ik leef en jij leert.”

Hoewel Molaison behulpzaam was bij het overtuigen van de onderzoeksgemeenschap dat het geheugen niet de verantwoordelijkheid was van één enkel gebied van de hersenen, gaf hij geen antwoord op de vraag hoe een geheugen wordt gevormd.

Neuronen die samen vuren, maken samen draad

Terug in 1906 hadden Camillo Golgi en Santiago Ramón y Cajal gezamenlijk een Nobelprijs gekregen voor vooruitgang in cel-kleuringstechnieken die de anatomie van een neuron aantoonden.

Dankzij hun werk wisten wetenschappers dat er miljoenen neuronen in de hersenen waren die boodschappen aan elkaar doorgeven in de vorm van elektrische impulsen. Wanneer een impuls het uiteinde van een neuron bereikt, veroorzaakt dit het vrijkomen van chemische boodschappers, neurotransmitters genaamd, die over de kloof, of synaps, gaan en zich vastklampen aan een naburig neuron.

Dit maakt het tweede neuron meer of minder waarschijnlijk om zijn eigen impuls af te vuren. Maar hoe deze neuronen langetermijngeheugens vormden, was nog een raadsel

Lees meer over de hersenen en het geheugen:

• Key experiment
• Tijdlijn

Dat bleef zo tot 1949, toen Donald Hebb een van de meest invloedrijke theorieën van de neurowetenschap in de vorige eeuw publiceerde. Hij schreef dat twee hersencellen die herhaaldelijk op hetzelfde moment actief zijn, de neiging zullen hebben om ‘geassocieerd’ te worden.

Hun anatomie en fysiologie zullen veranderen, zodat zij nieuwe verbindingen vormen of bestaande versterken. De activiteit in de ene, zei hij, zal vervolgens de activiteit in de andere vergemakkelijken. Je vindt dit vaak samengevat als “neuronen die samen vuren, samen bedraden.”

Simpel gezegd, als twee concepten, zeg de geur van een roos en haar naam, herhaaldelijk hun respectieve neuronen in de hersenen op hetzelfde moment stimuleren, zullen die neuronen van vorm veranderen en die verbinding versterken.

Neuronen die geassocieerd worden met de geur van een roos zullen nu eerder neuronen stimuleren die verantwoordelijk zijn voor de naam

Dit, aldus Hebb, is het proces dat ten grondslag ligt aan de opslag van langetermijnherinneringen. Zulke herinneringen blijven bestaan omdat ze nu een uniek deel zijn van je neuronale architectuur. Hoe vaker ze worden opgeroepen, hoe sterker en permanenter de herinnering wordt.

Omstreeks dezelfde tijd toonde de Canadese chirurg Wilder Penfield aan hoe het stimuleren van delen van de cortex een herinnering kon oproepen.

Hij opereerde mensen met epilepsie die wakker waren tijdens de operatie. Terwijl hij één vrouw opereerde, stimuleerde hij een gebied dat de hippocampus overlapt, binnen de cortex.

Zijn patiënte sprak: “Ik denk dat ik ergens een moeder haar zoontje hoor roepen, het lijkt iets te zijn dat jaren geleden gebeurd is in de buurt waar ik woon.”

Penfield stimuleerde de plek opnieuw, en opnieuw riep de stem van de moeder. Hij verplaatste de prikkel een beetje naar links, en plotseling hoorde de vrouw meer stemmen. Het was ’s avonds laat, zei ze, en ze kwamen van een kermis.

“Er zijn veel grote wagens waarmee ze de dieren binnenhalen”.

De kleine stroomstootjes die Penfield gaf, leken lang vergeten herinneringen tot leven te wekken – alsof je in een stoffig album greep en willekeurig een foto uitzocht.

• Instant Genius: the Brain
• Het geheugen zou kunnen afhangen van het tijdstip van de dag, suggereert een studie bij muizen
• Ergerlijke kindertijd gekoppeld aan geheugenachteruitgang op latere leeftijd
• Hoe beïnvloeden psychedelica de hersenen?

Herinneringen ophalen is een mysterieus proces dat nog steeds niet volledig wordt begrepen. Maar dankzij Prof Elizabeth Loftus, destijds aan de Universiteit van Washington, weten we dat onze herinnering niet altijd accuraat is.

In de jaren negentig toonde zij aan dat valse herinneringen in de hoofden van mensen konden worden geïmplanteerd. Ze overtuigde mensen van valse verstikkingen, bijna-verdrinkingen, zelfs demonische bezetenheid. Ze toonde aan dat vermoeidheid, drugs en een laag IQ allemaal een invloed kunnen hebben op de kans dat iemand valse herinneringen kan vormen.

Haar werk onthulde iets heel bijzonders: dat onze herinneringen, eens gevormd, niet vastliggen. Telkens wanneer we een herinnering ophalen, versterken we de neurale paden die ze hebben gecreëerd, en daardoor versterken en consolideren we die herinnering, zodat ze meer permanent in onze geest verankerd raakt.

Maar gedurende een korte tijd tijdens dit ophaalproces wordt ons geheugen kneedbaar – we zijn in staat het een nieuwe vorm te geven en soms te vervuilen.

De hippocampus: waar herinneringen worden gevormd

Met de voortschrijdende beeldvormingstechnieken heeft het onderzoek zich opnieuw geconcentreerd op het aanwijzen van de plaats in de hersenen waar herinneringen worden opgeslagen. We weten nu dat de hippocampus in actie komt om verschillende aspecten van één herinnering aan elkaar te lijmen.

Inderdaad, wanneer mensen proberen nieuwe associaties te leren en deze later weer op te roepen, zijn degenen wier hippocampus de meeste activiteit genereerde tijdens het leren van de associaties, het best in staat deze in de toekomst weer op te roepen.

Het is alsof zij ze in de eerste plaats beter aan elkaar hebben gelijmd.

Door alle puzzelstukjes samen te voegen, dachten de onderzoekers een vrij goede theorie van het geheugen te hebben: ze veronderstelden dat alle binnenkomende informatie kort in de cortex wordt verwerkt, voordat ze samenkomt in de hippocampus.

De hippocampus sorteert de nieuwe informatie, besluit hoe ‘belangrijk’ het is (in wezen, lijkt het op iets dat de moeite waard is om te onthouden?), en dan, indien nodig, codeert het in de hersenen door de vorming van nieuwe synapsen.

Na verloop van tijd zullen de neuronen die deze herinnering vertegenwoordigen migreren naar de cortex voor langdurige opslag, waarbij hun verbindingen worden versterkt elke keer dat we de herinnering openen.

Hoch geavanceerde methoden voor het opnemen en manipuleren van hersenactiviteit hebben die theorie onlangs op zijn kop gezet.

In 2017 toonden onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology, onder leiding van Takashi Kitamura, aan dat korte- en langetermijngeheugens eigenlijk gelijktijdig worden gevormd.

Kitamura’s team gebruikte nieuwe technieken die optogenetica omvatten, wat een manier is om cellen aan en uit te zetten met behulp van licht, samen met het labelen van individuele geheugencellen. Het team trainde muizen om bang te zijn voor een bepaalde kamer door ze een kleine elektrische schok te geven wanneer ze die kamer binnengingen.

Onmiddellijk na de training konden de onderzoekers herinneringen aan de schok zien ontstaan in zowel de hippocampus als de prefrontale cortex, een gebied net achter het voorhoofd.

De geheugencellen in de prefrontale cortex lagen echter stil. Een spoor van het geheugen was er wel degelijk – wanneer het team deze cellen kunstmatig stimuleerde, bevroor de muis, net als wanneer de hippocampale geheugencellen actief waren en wanneer de muis de kamer op natuurlijke wijze ontmoette.

In plaats van dat het geheugen geleidelijk van de hippocampus naar de cortex migreerde, bleek het er al te zijn. Gedurende twee weken veranderden de cortex-geheugencellen van vorm en activiteit en werden uiteindelijk uit zichzelf actief wanneer de muizen de kamer tegenkwamen, op welk moment de hippocampale geheugencellen stil werden.

Dergelijke geavanceerde methoden voor het analyseren van het menselijk brein zullen ons blijven helpen het gezonde geheugen te begrijpen, evenals wat er gebeurt wanneer het door ziekte wordt verwoest.

De ziekte van Alzheimer blijft de belangrijkste oorzaak van dementie en treft meer dan een half miljoen mensen in het Verenigd Koninkrijk. De ziekte vernietigt de vitale verbindingen tussen neuronen, wat leidt tot geheugenverlies en verwarring. Ondanks al onze inspanningen is er nog steeds geen genezing.

Er zijn echter manieren waarop u uw geheugen kunt verbeteren. Uit onderzoek van prof. Eleanor Maguire van het University College London is gebleken dat de hersenen van ’s werelds beste memoriseerders anatomisch niet verschillen van die van anderen: de geheugenkampioenen maken gewoon gebruik van een oude techniek die de ‘methode van loci’ wordt genoemd.

Om een groot aantal items te onthouden, plaatst u ze rond een ‘gedachtenpaleis’. Dit kan elke locatie zijn die je goed kent. Om de voorwerpen terug te halen, hoef je alleen maar je route terug te lopen en ze op te rapen.

Het is een truc die alles gemakkelijker maakt om op een later tijdstip terug te halen. Probeer het zelf maar eens: het blijkt dat iedereen een supergeheugenschrijver kan zijn.

• Dit artikel verscheen voor het eerst in nummer 314 van BBC Focus magazine