Het brein: black box of toch Facebook in ons hoofd?

Door Linda Douw

Al eeuwenlang proberen we te begrijpen hoe ons brein in elkaar zit, maar de geboekte resultaten zijn vooralsnog onbevredigend. Er wordt vaak getracht om specifieke functies toe te schrijven aan een bepaald hersengebied. Zo weten we dat de besturing van de rechterarm iets boven het linkeroor plaatsvindt in de hersenen. Maar dit ‘lokaliseren van functies’ is eigenlijk alleen goed mogelijk voor vrij basale functies, zoals beweging. Het is moeilijk om taal te plaatsen in een specifiek hersengebied, en zelfs onmogelijk om eigenschappen en functies als perfectionisme of extraversie te lokaliseren. Blijven we nu proberen om iedere functie te reduceren tot een bepaald stukje hersenen, of wordt het tijd om een nieuw gezichtspunt te proberen?

Een nieuwe manier om over de hersenen na te denken wordt gevormd door de zogeheten ‘netwerktheorie’. Al eeuwenlang bestaat er een tak van de wiskunde die zich primair bezig houdt met netwerken in allerlei soorten en maten. Het wordt echter steeds duidelijker dat netwerken niet alleen vanuit wiskundig oogpunt interessant zijn, maar juist overal om ons heen voorkomen: we hebben natuurlijk onze sociale netwerken, soms via internetsites als Facebook, maar ook onze genetische structuur is een complex netwerk. Het wordt steeds duidelijker dat al deze netwerken verrassend identiek zijn wat betreft hun architectuur, terwijl ze op het eerste oog juist heel verschillend zijn. De netwerktheorie als tak van wetenschap heeft de afgelopen jaren dan ook veel aan populariteit en toepasbaarheid gewonnen. Maar wat is nu precies die architectuur van een netwerk?

De basis van netwerktheorie
Eén van de eerste toepassingen van de netwerktheorie werd beschreven door de bekende psycholoog Stanley Milgram. Hij stuurde 160 brieven naar willekeurig gekozen personen in de Verenigde Staten, waarin slechts één opdracht stond: zorg ervoor dat deze brief terechtkomt bij persoon X in Boston door hem door te sturen naar iemand die je bij voornaam kent en wellicht dichterbij persoon X staat (Milgram, 1967). Het lijkt misschien onwaarschijnlijk dat de brieven X zouden bereiken, maar bijna een derde van de brieven vond zijn weg naar Boston! Nog interessanter: de brieven kwamen gemiddeld na slechts vijf ‘tussenstations’ aan. Milgram noemde dit verschijnsel het ‘small-world phenomenon’. Later is aangetoond dat er in vele verschillende soorten netwerken, net zoals in het briefexperiment van Milgram, slechts zes stappen nodig zijn om van het ene naar het andere netwerkpunt te komen; denk bijvoorbeeld aan het spoorwegennet van Nederland, pagina’s op het Internet, en allerlei sociale netwerken.

Wat heeft dit experiment van Milgram nu te maken met de hersenen? Veel! Het brievenexperiment vormt namelijk een netwerk, zoals we heel makkelijk kunnen laten zien met pen en papier. Eerst representeren we alle inwoners van de Verenigde staten met een eigen stip of ‘knoop’. Vervolgens trekken we verbindingslijnen tussen die personen die de brief hebben ontvangen en doorgestuurd. In het klein zou dit netwerk er zo uit kunnen zien als figuur 1. Als A de eerste was die de brief van Milgram ontving en F is persoon X, dan is het eenvoudig te zien dat er drie stappen nodig zijn om de brief op de juiste bestemming te krijgen.

Voor de hersenen werkt netwerktheorie eigenlijk precies hetzelfde. We kunnen bijvoorbeeld hersengebieden tekenen als knopen, terwijl de verbindende vezelbanen (witte stof) of juist de functionele communicatie als verbindingen worden ingetekend, om zo weer bij figuur 1 uit te komen. Door dit soort analyses toe te passen, blijkt het dat er in de hersenen ook maar een paar stapjes nodig zijn om van het ene hersengebied naar het andere te komen. Een andere belangrijke eigenschap van de hersenen en de andere genoemde netwerken is, dat er subgroepjes bestaan die onderling erg verbonden zijn. Kijk bijvoorbeeld naar A, B en C in figuur 1: deze drie punten zouden in een sociaal netwerk een vriendenclubje kunnen representeren.

Figuur 1. Schematische representatie van een netwerk.

Het feit dat het hersennetwerk in slechts een paar stappen te doorkruisen is, maar ook kliekjes bevat, betekent dat het een ‘small-world’ netwerk is, vernoemd naar het experiment van Stanley Milgram. Dit type netwerk lijkt een heel belangrijk en zelfs ‘optimaal’ type netwerk te zijn. Het is bijvoorbeeld aangetoond dat het netwerk van elektriciteitscentrales in de Verenigde Staten een small-world netwerk zijn, evenals de samenwerkingsverbanden tussen acteurs in Hollywood (Watts & Strogatz, 1998). Inmiddels weten we dat het er in ons hoofd inderdaad net als op Facebook aan toe gaat!

Netwerkziektes?
Wat kunnen we nu met deze nieuwe theorie? Het wordt steeds duidelijker dat de manier waarop ons hersenweb in elkaar zit van groot belang is voor ons dagelijks functioneren. Onlangs heeft bijvoorbeeld een groep Utrechtse onderzoekers met behulp van fMRI aangetoond dat IQ geassocieerd is met de architectuur van het hersennetwerk (Van den Heuvel et al., 2009). Het bleek dat slimmere mensen een meer ‘small-world-achtig’ en dus optimaler netwerk hadden. Maar, hersennetwerken zijn niet alleen interessant voor gezonde mensen.

De ziekte van Alzheimer komt zeer vaak voor bij oudere mensen en is ontzettend belastend, niet alleen voor de patiënt zelf, maar ook zeker voor de omgeving. Het is duidelijk dat er in de hersenen iets misgaat, wanneer we de symptomen (geheugenproblemen, moeite met spraak, stoornissen in de planning en andere uitvoerende functies) bekijken. Hoewel er op het niveau van de individuele hersencellen behoorlijk wat afwijkingen te vinden zijn bij Alzheimer, kunnen deze pas na het overlijden worden vastgesteld. Andere diagnostische criteria, zoals scans, bloedwaardes, (neuro)psychologische testen, geven aanwijzingen omtrent het aanwezig zijn van de ziekte, maar zijn geenszins definitief en kunnen ook de oorzaak van de aandoening niet verduidelijken.

Met behulp van netwerktheorie is aangetoond dat de ziekte van Alzheimer bij uitstek een aandoening is die gepaard gaat met veranderingen in het hersennetwerk. Het dementerende hersenweb is namelijk minder small-world-achtig dan dat van een gezond persoon. Bovendien zijn er in gezonde hersenen bepaalde gebieden aan te wijzen, die zeer belangrijk zijn voor de integriteit van het gehele netwerk. Zo’n gebied noemen we ‘hub’; in figuur 1 zou bijvoorbeeld punt D zo’n hub kunnen zijn, terwijl Google een belangrijke hub is in het netwerk van internetsites. U kunt zich voorstellen wat er gebeurt met het internet wanneer Google plotseling uit te lucht komt te raken: vele sites zullen niet meer bekeken worden en als het ware ‘geïsoleerd’ raken. Daarnaast gaat het algemene internetverkeer trager, omdat niemand meer even snel een bepaalde site kan opzoeken. Bij de ziekte van Alzheimer blijken nu juist de hubs in de hersenen aangedaan te zijn, waardoor als het ware de structuur van de hersenen in elkaar stort (Stam et al., 2009). Tot voor kort was niet duidelijk waarom nu specifiek die gebieden als eerste verloren gaan, maar de netwerktheorie heeft ons geleerd dat het om de hubs gaat. Zo kunnen we stapje voor stapje meer gaan begrijpen van de achtergrond van de ziekte van Alzheimer.

Inmiddels wordt de netwerktheorie ook toegepast op aandoeningen als depressie, epilepsie en autisme, en met indrukwekkende resultaten. Het antwoord op de vraag in de titel lijkt dan ook te zijn: Facebook!

Over de auteur
Linda Douw is klinisch neuropsycholoog op de afdeling neurologie aan het VU Medisch Centrum te Amsterdam. Sinds 2007 doet zij onderzoek naar de relatie tussen hersentumoren en hersennetwerken. Zij schreef samen met Kees Stam en Willem de Haan een populair wetenschappelijk boek over netwerktheorie en de hersenen: Hersenweb.

Literatuur
Milgram, S. (1967). The small world problem. Psychology Today, 2, 60-67.

Stam, C.J., de Haan, W., Daffertshofer, A., Jones, B.F., Manshanden, I., van Cappellen van Walsum, A.M., Montez, T., Verbunt, J.P.A., de Munck, J.C., van Dijk, B.W., Berendse, H.W., & Scheltens, P. (2009). Graph theoretical analysis of magnetoencephalographic functional connectivity in Alzheimer’s disease. Brain, 132, 213-224.

Van den Heuvel, M.P., Stam, C.J., Kahn, R.S., & Hulshoff Pol, H.E. (2009). Efficiency of functional brain networks and intellectual performance. Journal of Neuroscience, 29, 7619-7624.

Watts, D.J., & Strogatz, S.H. (1998). Collective dynamics of ‘small-world’ networks. Nature, 393, 440-442.