De breinformule: de werking van het brein in een formule


Complexe problemen inzichtelijk maken met een rekenmodel: wetenschappers doen niet anders. Maar de werking van de menselijke hersenen vatten in één formule, dat werd unaniem beschouwd als gekkenwerk. Toch lijkt een Engelse wetenschapper, Karl Friston, daar nu in te slagen.
Bron: tijdschrift KIJK, 10, 2010; Tekst: Bennie Mols

De menselijke hersenen kunnen de prachtigste muziekstukken componeren en de ingewikkeldste wiskunde bedenken. Onze hersenen maken ons ook nog eens bewust van wie we zijn. Voor een groot deel zijn we onze hersenen. Lang was die grijze massa een groot raadsel, dat je pas goed kon bestuderen als iemand al dood was. De hersenscanrevolutie van de afgelopen decennia zorgde voor licht in de duisternis. We weten nu hoe ons geheugen werkt, hoe we leren, waarnemen, onze aandacht richten en taal en emoties verwerken. Gaat het bijvoorbeeld om waarnemen, dan weten we dat de informatie die je ziet met je ogen, via je netvlies naar hersengebiedje A gaat, dan naar B en van daaruit naar C. Alleen is het haast ondoenlijk om op basis hiervan precieze, meetbare voorspellingen te doen. Daarvoor heb je een rekenmodel nodig, zoals dat in andere takken van wetenschap ook gebruikelijk is.
Maar het menselijke brein vangen in een formule? Daar geloofden hersenonderzoekers tot voor kort niet in. De vooraanstaande Franse cognitiewetenschapper Stanislas Dehaene verwoordde het zo: "De hersenen zijn het resultaat van 500 miljoen jaar evolutie. De eigenschappen van het brein als geheel zijn het gevolg van een combinatie van duizenden typen zenuwuiteinden, ad hoc moleculaire mechanismen, een groot aantal verschillende typen hersencellen en vooral miljoenen miljarden verbindingen tussen al die hersencellen. Hoe kan zo'n warboel door een wiskundige formule worden beschreven?"
Het menselijke brein bevat ongeveer net zoveel hersencellen als het aantal sterren in de Melkweg: zo'n 100 miljard. Het aantal verbindingen tussen die hersencellen is nog eens duizend maal zo groot, veel meer dan het aantal sterrenstelsels in het hele waarneembare universum. Dat levert een duizelingwekkend aantal uit te rekenen interacties op: een miljoen maal een miljard. En die interacties veranderen ook nog in de tijd, omdat we nieuwe ervaringen opdoen en nieuwe dingen leren. Veel te veel om het allemaal door te rekenen. Dat betekent dat wetenschappers hoogstens kleine hersenstukjes op een computer kunnen simuleren, bijvoorbeeld een onderdeel van het geheugen. Meestal komen ze niet verder dan de simulatie van duizend hersencellen.

Natuurkundige benadering
Maar nu gooit de Engelse neurowetenschapper Karl Friston het over een heel andere boeg: hij is de eerste die meent dat hij een raamwerk heeft ontwikkeld van een Grote Overkoepelende Theorie van het brein. Veel collega's zijn diep onder de indruk van zijn rekenmodel, dat zijn wortels heeft in de natuurkunde. Net zoals natuurkundigen niet het precieze gedrag van elk gasmolecuul in een gas hoeven te kennen om het gas als geheel te beschrijven, zo betoogt Friston, hoef je niet te weten wat elke hersencel doet om toch het gedrag van de hersenen als geheel te kunnen beschrijven.
Fristons breinmodel koppelt een eenvoudige biologische observatie aan een fundamentele wet uit de natuurkunde. Om te overleven moet de mens zijn lichamelijke toestand (gekarakteriseerd door grootheden als temperatuur, druk en zuurgraad) zo constant mogelijk houden. Dit streven gaat in tegen de neiging van de natuur om alles juist tot wanorde te laten vervallen. IJzer gaat vanzelf roesten. Gesteente verweert. Dode lichamen gaan rotten. Achter deze neiging schuilt de tweede wet van de thermodynamica. Die zegt dat bij spontane veranderingen in een afgesloten systeem de hoeveelheid wanorde (entropie) alleen maar kan toenemen. Er zijn immers veel meer manieren waarop de dingen een ongeordend zooitje kunnen zijn, dan een geordend geheel. Het menselijk lichaam verzet zich dus tegen deze natuurwet, daarbij 'aangevoerd' door het brein.
"Het brein is geen passief systeem dat alleen maar reageert", legt Friston uit. "Het is juist een actief systeem dat voortdurend meerdere voorspellingen tegelijk doet over zijn omgeving, elk met een eigen waarschijnlijkheid. Vervolgens vergelijkt het brein de binnengekomen waarnemingen met zijn voorspellingen. Het centrale idee van mijn formule is dat het brein ernaar streeft om zo min mogelijk te worden verrast, zodat ook het lichaam zo min mogelijk uit evenwicht wordt gebracht. Dat doet het brein door het verschil tussen wat het van de wereld waarneemt en wat het over de wereld voorspelt - het voorspellingsverschil - te minimaliseren." Dit principe heeft Friston geformuleerd in één korte wiskundige formule, die, zo stelt hij, de rudimentaire werking van het complete brein beschrijft (zie de afbeelding). Belangrijk om te weten is dat hij het voorspellingsverschil daarbij 'vrije energie' noemt, in analogie met hetzelfde begrip uit de natuurkunde.

Van waarnemen tot handelen
De breinformule beschrijft dus het minimaliseren van de vrije energie, oftewel het voorspellingsverschil. Hoe doet het brein dit? Dat kan op twee manieren. Allereerst door een nauwkeuriger model van de buitenwereld te maken. Stel dat je in de verte iemand ziet lopen van wie je denkt dat het een vriendin van je is. Meteen daarna realiseer je je dat je zeker weet dat zij in het buitenland op vakantie is. Razendsnel past je brein zijn voorspelling aan: nee, dit is niet je vriendin, maar een onbekende. De tweede manier is door zelf handelend op te treden. Stel dat je uit je ooghoek iets op je af ziet komen. Vliegensvlug draai je je hoofd om te zien wat voor voorwerp het is en of je echt gevaar loopt. Friston stelde zijn rekenmodel in eerste instantie op om dit soort reacties - dus hoe het brein van waarnemingen tot handelingen komt - te verklaren. Dit verwerken van waarnemingen speelt zich af op tijdschalen van tientallen tot honderden microseconden.
Maar het brein is veel meer dan een machine die direct reageert op prikkels uit de omgeving. Het kan ook nieuwe dingen leren: lezen of fietsen bijvoorbeeld. Tijdens het leren worden verbindingen tussen hersencellen versterkt, op tijdschalen van seconden tot dagen of zelfs maanden. Verder ontwikkelt het brein zich ook door de jaren heen. Bij de geboorte bestaat het uit zo'n 100 miljard hersencellen, maar de verbindingen tussen al die cellen moeten zich onder invloed van de omgeving voor een belangrijk deel nog vormen. Voor elke tijdschaal bedacht Friston een aparte formule, maar het grondbeginsel is volgens hem steeds hetzelfde: het brein wil de vrije energie minimaliseren. Zijn formules voor de langere tijdschalen zijn voorlopig niet meer dan interessante speelgoedmodellen, maar op het niveau van waarnemen en handelen - dus op de tijdschaal van microseconden wordt zijn rekenmodel ook al concreet toegepast.

Experimentele ondersteuning
Want een model is leuk en aardig, maar klopt het ook met de werkelijkheid? En nu komt het mooie: dat blijkt voor Fristons breinformule inderdaad zo te zijn; hij doet meerdere voorspellingen die door experimenten worden ondersteund. Zo voorspelt de formule correct dat hersencellen op voorspelbare stimuli minder hard zullen 'vuren' dan op onvoorspelbare stimuli. Ook bevestigen experimenten de voorspelling van de breinformule dat informatie in de hersenen wordt verwerkt in hiërarchische lagen, en dat die lagen door terugkoppelingen invloed hebben op elkaar.
Neem bijvoorbeeld het visuele systeem. Wanneer je iets ziet, stroomt er informatie van lagere naar hogere hersendelen. Voor de verwerking van visuele stimuli zijn dat achtereenvolgens de lagen VI, V2, V3, V4 en V5, enzovoort. Hoe hoger het hersendeel, hoe abstracter zijn functie. Bij VI komt de visuele informatie van het netvlies binnen. VI maakt een ruwe schets van de buitenwereld. V2 is een creatiever gebied; hier ontstaan bijvoorbeeld visuele illusies. V3, V4 en V5 doen gespecialiseerdere taken, zoals het verwerken van kleuren of bewegingen van grotere vlakken. Maar de gegevensverwerking in het brein is geen eenrichtingsverkeer: er stroomt ook informatie terug van hoog naar laag. Die terugkoppelingen zijn belangrijk voor de finetuning van hersencellen, zo ontdekten wetenschappers onlangs. Terwijl de voorwaartse informatiestroom de juiste hersencellen activeert, zorgt de terugwaartse informatiestroom ervoor dat de respons van die cellen iets omhoog of omlaag wordt geschroefd. Dit past precies bij Fristons model. In diverse simulaties heeft hij aangetoond dat juist die terugkoppelingen ervoor zorgen dat de verschillen tussen de waarnemingen van het brein en zijn voorspellingen over de buitenwereld (de vrije energie), laag voor laag worden geminimaliseerd.
En de bruikbaarheid van Fristons formule reikt nog verder. Traditioneel werden de hersenen door psychologen en hersenwetenschappers opgevat als een verzameling van losse modules, elk verantwoordelijk voor een bepaalde functie, zoals: waarnemen, leren, geheugen, redeneren, emotie, taal, handelen. Maar dit idee van gestapelde modules is de laatste jaren steeds meer onder vuur komen te liggen. Dezelfde hersencellen blijken op hetzelfde moment betrokken te kunnen zijn bij verschillende functies. Daarom zien wetenschappers het brein tegenwoordig als een verzameling van netwerken, waarbij elk netwerk weer bestaat uit samenwerkende groepen hersencellen. Fristons breinformule sluit perfect bij dit nieuwe inzicht aan. Het principe van het minimaliseren van de verrassing kun je niet toepassen op losse, elk voor zich functionerende modules, maar wél op samenwerkende netwerken van hersencellen.

Veelbelovende theorie
"Ik ben ervan overtuigd dat het denken in afzonderlijke breinmodules meer en meer zal worden vervangen door wiskundige modellen over breinnetwerken", zegt de Engelsman. "En ik geloof echt dat een rekenmodel van het brein uiteindelijk neerkomt op één formule die de verrassing voor het brein minimaliseert." Om de breinformule te perfectioneren, zal nog veel experimentele informatie en ingewikkeld rekenwerk nodig zijn. Maar als overkoepelende theorie van het brein was er niet eerder zo'n veelbelovende kandidaat. Stanislas Dehaene, de Franse scepticus uit het begin van dit verhaal, is inmiddels om: "Het is de eerste keer dat we in de cognitieve neurowetenschappen een theorie hebben met deze kracht, breedte en diepte."


De breinformule
Het rekenmodel van Karl Friston beschrijft de essentie van het menselijk brein. Kort gezegd: in de buitenwereld gebeurt iets (links), de zintuigen geven de waarneming daarvan door aan het brein (boven), het brein verandert op grond van die waarneming zijn interne toestand (rechts) en zet het lichaam - eventueel - aan tot handelen (onder). Waarnemen en handelen kunnen elkaar ook rechtstreeks beïnvloeden (omdat je een beweging waarneemt, draai je je hoofd en omdat je je hoofd draait, neem je de beweging anders waar). De kern van het model is de formule rechts: het brein verandert op grond van waarnemingen zijn interne toestand (mu), omdat het zijn voorspellingsverschil (de 'vrije energie': het verschil tussen wat je denkt waar te nemen en wat je daadwerkelijk waarneemt, hier weergegeven als de functie F) wil minimaliseren (arg min).


terug naar 'hersenen'






^