pdf hosted at the radboud repository of the radboud ... · bij de ogen zien we hoe fotonen,...

PDF hosted at the Radboud Repository of the Radboud University

Nijmegen

The following full text is a publisher's version.

For additional information about this publication click this link.

http://hdl.handle.net/2066/93627

Please be advised that this information was generated on 2021-03-04 and may be subject to

change.

http://hdl.handle.net/2066/93627

Sensomotorische integratie, een venster op cognitieinaugurele rede door prof. dr. w.p. medendorp

inaugurele redeprof. dr. w.p. medendorp

Cognitie is de verzamelterm voor de functies die ons in staat stellen tot intelligent gedrag. Hieronder valt ook de koppeling tussen sensoriek en motoriek, het samenspel tussen waarnemen en bewegen. Pieter Medendorp laat in zijn oratie zien dat de basisprincipes van dergelijk betekenisvol gedrag het mak

kelijkst te ontrafelen zijn in overzichtelijke sensomotorische subsystemen van het menselijk brein. Volgens Medendorp kunnen we het brein begrijpen door te veronderstellen dat het gedrag dat deze systemen produceert mogelijk optimaal is voor de doelen die het nastreeft. Met deze werkhypothese illustreert hij hoe het brein als een actieve waarschijnlijkheidsmachine beschouwd kan worden. Met een multidisciplinaire onderzoeksbenadering, bestaande uit computersimulaties, gedragsstudies en beeldvormende experimenten kan onderzocht worden hoe het brein overtuigingen opbouwt over de toestand waarin het verkeert, voorspellingen maakt over toekomstige toestanden, en deze aanpast als de omgeving verandert.

Pieter Medendorp is sinds 1 september 2011 hoogleraar Sensomotorische Integratie en sinds oktober 2011 directeur van Donders Centre for Cognition aan de Radboud Universiteit Nijmegen. Hij ontving verschillende subsidies voor zijn onderzoek, waaronder een Vidi en Vicibeurs van de Nederlandse organisatie voor Wetenschappelijk onderzoek (nwo), een Career Development Award van het Human Frontier Science Programma en een Starting Grant van de European Research Council. Zijn onderzoeksgroep richt zich op de relatie tussen hersenen en gedrag, in het bijzonder de neurale koppeling tussen waarnemen en handelen, die bestudeerd wordt met behulp van psychofysische experimenten, beeldvormende technieken en computersimulaties.

sensomotorische integr atie, een venster op cognitie

Sensomotorische integratie, een venster op cognitie

Rede uitgesproken bij de aanvaarding van het ambt van hoogleraar: Sensomotorische integratie aan de Faculteit der Sociale Wetenschappen van de Radboud Universiteit Nijmegen op vrijdag 15 juni 2012

door prof. dr. W.P. Medendorp

4

Vormgeving en opmaak: Nies en Partners bno, Nijmegen

Fotografie omslag: Bert Beelen

Drukwerk: Van Eck & Oosterink

© Prof. dr. W.P. Medendorp, Nijmegen, 2012

Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar worden gemaakt middels druk,

fotokopie, microfilm, geluidsband of op welke andere wijze dan ook, zonder voorafgaande schrifte-

lijke toestemming van de copyrighthouder.

5sensomotorische integr atie, een venster op cognitie

Mijnheer de rector magnificus, zeer gewaardeerde toehoorders,

De titel van deze openbare lezing is: Sensomotorische integratie, een venster op cognitie. Als we het hebben over cognitie, gaat het eigenlijk over onszelf, de menselijke conditie. Cognitie is de verzamelterm voor de functies die ons in staat stellen tot betekenisvol of intelligent gedrag, zoals waarneming, motoriek, denken, taal, geheugen en bewustzijn. In de cognitieve neurowetenschappen, waaronder mijn onderzoek valt, onderzoeken we de relatie tussen hersenactiviteit en deze cognitieve functies. Het gaat net als het onderzoek in de genetica over de biologische basis van wie we zijn.

De reden dat we spreken over verschillende cognitieve functies komt waarschijn-lijk voort uit de gedachte dat cognitie niet begrepen kan worden op microniveau, dat van de moleculen en neuronen in onze hersenen. Net zoals de natuurkunde het gedrag van een bepaald gas niet beschrijft aan de hand van de snelheid en positie van ieder gas-deeltje, maar met macroscopische grootheden als volume, druk en temperatuur, werkt de psychologie met cognitieve functies als denken, aandacht, emotie en motivatie om de relatie tussen hersenen en menselijk gedrag te bevatten. Deze constructies voorzien in de beschrijving van processen gebaseerd op informatie of impressies ontstaan uit ervaringen. Taal helpt om de informatie te categoriseren.

Maar wat is het doel van onze gedachten, aandacht en emoties? Een algemeen ant-woord is dat ze een rol spelen in het sturen en activeren van menselijk gedrag. Cognitie dient geen passieve beleving of statische ervaring, maar is een drijfveer voor actie. Acties brengen we tot stand door het activeren van ons motorisch systeem: we kijken, reiken of draaien ons hoofd. Bij angst willen we vluchten, een voetballer wil scoren. Er zijn wetenschappers die overtuigd zijn dat onze zintuigen, gedachten en emoties enkel be-staan om onze acties te ordenen1,2. Ik schaar mezelf bij deze groep.

Om het heel simpel te stellen zijn onze hersenen er dus enkel en alleen om zintuig-lijke input en motorische output te koppelen. Dit pro-ces noemen we sensomotorische integratie. Dus door het bestuderen van sensomotorische processen ope-nen we het venster op cognitie.

In de zeventiende eeuw beschreef de Franse filo-soof en wiskundige René Descartes3 al de connectie tussen input, de sensatie, en output, de motoriek (zie figuur 1). Hij had natuurlijk niet de technieken be-schikbaar om de complexe neurocognitieve koppeling tussen die twee te ontrafelen. Daarvoor had de geschie-denis nog een lange weg te bewandelen, die ons bracht via de negentiende-eeuwse frenologie4, de knobbel-leer, voorloper van de neuropsychologie, om uiteinde-lijk uit te komen bij het neuron doctrine.

Figuur 1: De relatie tussen zien en

bewegen, volgens Descartes

6 prof. dr. w.p. medendorp

Laten we, om meer te weten te komen, als kleine mensjes, homunculi, opklauteren over versleten ruggenwervels naar de cortex van het huis, om Anna Enquist te parafraseren5. We komen langs een aantal belangrijke zintuigen. De receptoren in de huid, deel van het zogenoemde somatosensorische systeem, voelen de stappen van onze kleine voeten. Bij de ogen zien we hoe fotonen, lichtdeeltjes, het netvlies bombarderen om beelden van de wereld achter te laten, wat scherper op het midden van het netvlies, de fovea, en wat vager eromheen. Bij de gehoorgang lopen we naar binnen, en zien hoe geluidsgolven in het slakkenhuis omgezet worden in elektrische signalen. We verbazen ons over de uitgeholde ruimte ernaast, het vestibulum, waar we een verzameling van zakjes en buisjes tegenkomen, waarmee draaien rechtlijnige hoofdwegingen gevoeld worden. Dit diep verborgen zintuig wordt ook wel het vestibulaire systeem genoemd, maar we kennen het beter als het evenwichtsorgaan.

Onder het schedeldak aangekomen liggen onze hersenen, met de twee hemisferen. Groeven en windingen wisselen elkaar af en creëren een enorm oppervlak van een dunne laag zenuwcellen, beter zichtbaar door virtueel de hersenen als een ballon op te blazen (zie figuur 2). Deze zenuwcellen, neuronen genoemd, miljarden in getal, communiceren door elektrische prikkels aan elkaar door te geven. De zintuigen hebben een relatie met specifieke gebieden. Bijvoorbeeld: de ogen sturen de visuele informatie door naar het achterste gedeelte van de hersenschors; de oren sturen de auditieve informatie door naar de meer zijwaarts gelegen gebieden, en het gevoel van ons lichaam, de tast, begint centraal bovenin. Daartussen liggen de zogenoemde associatiegebieden, waar geen directe kop-peling met noch een van de zintuigen noch de motoriek bestaat.

In de netwerken van neuronen ontstaat ons bewustzijn, de mind, met daarin de perceptie en kennis over de externe wereld en ons lichaam en onze gedachten over erva-

Figuur 2: Zijaanzicht op de hersenen. Door de hersenen als een ballon op te blazen kan op

zowel in de groeven als op de windingen gekeken worden.


ringen en intenties en plannen voor de toekomst. Deze intenties lijken subjectief, en privé-eigendom, en alleen als ze daadwerkelijk geactiveerd worden, leiden ze tot gedrag en worden deel van de fysieke werkelijkheid (zie figuur 3). Simpele intenties zijn onze plannen voor beweging. Gebaseerd op onze intenties worden signalen naar spieren gestuurd – de motorische commando’s – die direct of indirect een verandering in de wereld tot stand brengen. In de neurale koppeling tussen ‘sensoriek’ en motoriek ver-dwijnt het onderscheid tussen de twee. Sensorische en motorische signalen worden geassocieerd met context, ervaring, herinneringen, en kennis om te plannen, anticipe-ren, en beslissen over de juiste actie. Dit is het domein van mijn leerstoel en vakgebied: Sensomotorische integratie.

In ons dagelijks leven zijn we ons niet bewust van de complexiteit onder ons schedel-dak. Zonder moeite nemen we onze omgeving waar, en met schijnbaar gemak komen onze interacties met de omgeving tot stand. De vraag is, hoe kunnen we dit proces door-gronden?

Net als in elk ander onderzoeksveld, begint onderzoek naar de werking van het brein ook met het stellen van de juiste vraag. Naar mijn mening moeten we vragen stel-len die niet direct het hele brein betreffen, maar in eerste instantie beperkt blijven tot overzichtelijke neurale subsystemen. De basisprincipes van intelligent, betekenisvol gedrag zullen het makkelijkst te ontrafelen zijn in overzichtelijke sensomotorische subsystemen van het menselijk brein. Systemen van gemiddelde complexiteit, dus niet onze simpelste reflexen, zoals de kniepees of pupilreflex, maar systemen die net complex genoeg zijn om ook kenmerken van het cognitieve brein te tonen, kenmerken als representeren, infereren, voorspellen en leren6. Deze kenmerken, representeren, infereren, voorspellen en leren staan centraal in mijn onderzoek en deze zal ik nu stap voor stap gaan uitwerken.

Figuur 3: In de netwerken van neuronen ontstaat ons

bewustzijn, de mind, met daarin de perceptie en kennis

over de externe wereld en ons lichaam en onze

gedachten over ervaringen en intenties en plannen

voor de toekomst.


Echter voordat ik dit ga doen, wil ik iets zeggen over mijn onderzoeksbenadering (zie figuur 4).

Allereerst is het mijn overtuiging dat we de complexiteit van het brein alleen kunnen begrijpen door gebruik te maken van theoretische modellen en computersimu-laties. Simulaties hebben we nodig om onze theorieën over het brein te toetsen. Dat wil trouwens niet zeggen dat het brein zelf een computer is, maar eerder een soort waar-schijnlijkheidsmachine zoals ik verderop in mijn oratie zal betogen. Ten tweede zullen we heel precies de output van het brein – het motorische gedrag – moeten opmeten, om wetmatigheden in dit gedrag te ontdekken. Deze wetmatigheden dienen als basis van computersimulaties, net zoals de natuurwetten ten grondslag liggen aan simulaties in de fysica2. Ten derde moeten we toetsen of onze theorieën een redelijke weerslag zijn van de werking van de hersenen. Hiervoor kunnen we gebruik maken van allerlei neu-rofysiologische en neuroimaging-methoden. In mijn onderzoek maak ik vooral gebruik van functionele magnetische resonantie imaging, fmri, een techniek die de activiteit van hersengebieden meet op basis van hun doorbloeding, en van magnetoen elektro-encefalografie (meg en eeg) die magnetische en elektrische signalen van het brein kunnen oppikken. Als vierde en laatste, zullen we moeten aantonen dat er een causale relatie bestaat tussen geactiveerde gebieden en het gedrag. Dit kan door tijdelijk de hersenen te

Figuur 4: Een multidisciplinaire onderzoeksbenadering is nodig om tot grensverleggende resultaten

op het terrein van de sensomotorische integratie te komen.


verstoren, bijvoorbeeld door transcraniële magnetische stimulatie (tms), of door patiën-ten te bestuderen met een neurologische aandoening. In het laatste geval snijdt het mes aan twee kanten: we testen onze modellen en krijgen inzicht in de pathologie. Ik zie dus de meeste heil een multidisciplinaire onderzoeksbenadering om sensomotorische inte-gratie te bestuderen en tot nieuwe, grensverleggende resultaten te komen. Dit zal ik met verschillende voorbeelden laten zien.

In de beschrijving van sensomotorische integratie, kan de taal van de wiskunde ons helpen. In veel sensomotorisch onderzoek wordt gebruikt gemaakt van wiskundige concepten als referentiekaders en coördinatenstelsels. Hun toepassing zien we ook op anderen terreinen. Bijvoorbeeld als ik zeg ‘Anna zit naast haar zus Eva hier op de voorste rij’ dan definieer ik Eva als referentiekader om de positie van Anna uit te drukken. Op dezelfde manier kunnen de locatie van Nijmegen uitdrukken als 20 kilometer ten zuiden van Arnhem, of 80 kilometer ten zuidoosten van Utrecht. De coördinaten zijn hier de afstand en de richting, maar andere coördinaten zijn ook mogelijk. Dus een positie kan op meerdere manieren gedefinieerd worden, afhankelijk van de referentie en de coördi-naten die gekozen worden.

Een belangrijke vraag in mijn onderzoek is welke coördinaten en referentiekaders de verschillende hersengebieden gebruiken in het representeren en transformeren van informatie. Onder een representatie versta ik een signaal dat gebruikt wordt in de trans-formatie van informatie. Zo’n signaal bevat informatie over de input van de transfor-matie, en bepaalt mede de output van de transformatie7. Neem als voorbeeld de repre-sentaties van objecten in de omgeving zoals die opgebouwd worden in de hersenen. Geluid komt binnen via de oren. De oren zitten vast aan het hoofd, dus is het hoofd de referentie. Visuele informatie komt binnen via ons netvlies en heeft dus het oog als referentie. Het wordt ingewikkelder als we een waargenomen voorwerp willen pakken. Zoals in figuur 5: het kopje koffie valt in je rechterblikveld, maar om het te pakken moe-ten we de arm en hand naar links bewegen, met spieren die vastzitten aan de schouder, die dus de schouder als referentie hebben. Met deze concepten kunnen we dus een senso-motorische omzetting bestuderen, door te beschrijven hoe de hersenen de positie van

Figuur 5: Een sensomotorische transformatie - hoe de

hersenen de positie van het kopje, waargenomen met het

oog als referentie, omzetten naar een representatie met de

schouder als referentie om de armspieren aan te sturen.


het kopje waargenomen met het oog als referentie omzetten naar representatie met de schouder als referentie om de armspieren aan te sturen. Een groot deel van mijn onder-zoek is gericht op het bestuderen van de neurale architectuur die betrokken is bij deze omzettingen8.

Een mooi recent voorbeeld komen we tegen in het onderzoek van mijn promo-venda Verena Buchholz9. Volgens bepaalde theorieën in de literatuur wordt een repre-sentatie in de hersenen in stand gehouden doordat de neuronen binnen een populatie gelijktijdig actief worden. Deze gelijktijdige activiteit, of synchronisatie, kan aan de bui-tenkant van de schedel gemeten worden als een golfje, bijvoorbeeld met magnetoen-cephalographie, afgekort meg, een techniek die magnetische velden rond de hersenen meet. Onze proefpersonen werden geïnstrueerd een oogbeweging te maken naar een kortdurende taststimulus die aangeboden werd aan een van de vingers van de rechter hand. Proefpersonen konden de stimulus en hand niet zien. Dus de richting van de oog-beweging werd bepaald door de positie van de hand. Het activatiepatroon in de hersenen, gemeten met meg, wordt in figuur 6 getoond, op virtueel opgeblazen hersenhelften. De stimulus, in beide gevallen aangeboden aan de rechterhand, werd als eerste gepresen-teerd in de linkerhersenhelft, in de postcentrale winding, waar je een complete kaart van het oppervlak van de rechterkant van het lichaam vindt. We zien daar een netwerk van neuronen, elk cirkeltje stelt een neuron voor. Zoals te zien is er een aantal neuronen steeds op hetzelfde moment actief. Met meg meten we deze gelijktijdige activiteit als een golfje. Interessant was dat deze somatische representatie meteen werd omgezet naar een representatie in oogcoördinaten om de oogbeweging te sturen, ook als een golfje te

Figuur 6: De hersenen houden een representatie in stand doordat de neuronen binnen een populatie

gelijktijdig actief worden. Deze synchronisatie lijkt een rol te spelen bij sensomotorische transformaties.


meten, met gesynchroniseerde activiteit in de linker pariëtale schors als de ogen naar rechts moesten, en in de rechter pariëtale schors als ze naar links moesten. Met andere woorden, het brein bouwt representaties in meerdere referentiekaders, hier handen ooggerefereerde coördinaten, om perceptie en actie te coördineren. Mijn toekomstig onderzoek is gericht op het verder ontrafelen van de neurale representaties, hun refe-rentiekaders en transformaties.

Naast de taal van de wiskunde, is een goede gids ook onontbeerlijk in sensomoto-risch onderzoek1,2,10. Vergelijk het met reizen in een onbekend gebied: een goede gids weet de kortste, snelste, makkelijkste en mooiste routes. Afhankelijk van onze wensen, conditie en beschikbare tijd maakt zo’n gids een optimaal programma. Op een vergelijk-bare manier kan het begrip ‘optimaliteit’ ons gidsen in ons onderzoek naar sensomoto-rische integratie. Optimaal betekent niet foutloos of perfect. We kunnen een complex biologisch systeem als het brein analyseren door te veronderstellen dat het gedrag produceert dat optimaal is voor de doelen die het nastreeft. Met optimaliteit als werkhypothese voor een sensomotorische functie, kunnen we afwijkingen hierop beter duiden, en inzicht krijgen in de werking van de hersenen.

Optimaliteit heeft te maken met de manier waarop het brein met informatie om-gaat. Om het begrip informatie te doorgronden is zijn tegenhanger eigenlijk handiger: het concept van onzekerheid2. Je hebt meer informatie nodig om je onzekerheid te ver-minderen. Onzekerheid ontstaat wanneer gebeurtenissen bepaald worden door kans. Als je een euro opgooit is er 50 procent kans op kop en 50 procent kans op munt. Dus de kansverdeling bestaat uit twee kansen. Als je een dobbelsteen gooit ben je zelf meer onzeker omdat er zes mogelijke uitkomsten zijn. De kansverdeling bestaat dan uit zes kansen. Op dezelfde manier zit er ook onzekerheid in onze neurale signalen. We spreken dan van ruis op het signaal, te vergelijken met een radiozender die niet goed afgestemd is. De breedte van de kansverdeling wordt aangegeven met sigma. Door de aanwezigheid van ruis leveren onze zintuigen verschillende responsies op dezelfde stimulus. Deze ruis kan variëren in de loop van het leven, bijvoorbeeld ten gevolge van ziektes, of doordat we neuronen verliezen als we ouder worden. Ook de signalen naar onze spieren zijn ruizig. Kijkt u maar eens naar een aantal opslagen van een beginnend tennisser. De variaties in de armzwaai tonen aan hoe ruizig de signalen zijn die naar de spieren ge-stuurd worden. Een meer ervaren speler heeft de ruis beter onder controle.

Ruis heeft een negatief effect heeft op de stroom van informatie in de hersenen. Optimaliteit stelt dat het brein op de best mogelijke manier conclusies uit ruizige infor-matie trekt. Maar wat is dan de optimale manier?

Neem bijvoorbeeld perceptie, de waarneming. Gegeven de stroom van signalen uit verschillende zintuigen, alle ruizig, moet het brein de toestand van de wereld proberen te reconstrueren. Bijvoorbeeld, als iemand spreekt, horen we geluid via onze oren en zien we de gelaatsuitdrukking en beweging van de lippen via onze ogen. Perceptie heeft dus te maken met de integratie van informatie uit meerdere zintuigen, en is een pro-


bleem van sensorische inferentie: dat wil zeggen een gevolgtrekking op basis van meer-dere gegevensstromen. Hermann Von Helmholtz11, een Duits natuurkundige, en een van de grote geleerden van de negentiende eeuw, suggereerde dat perceptie een vorm van onbewust redeneren is. Wat bedoelde hij hiermee?

Velen van u in de zaal kennen het buiksprekereffect. Het brein beredeneert op grond van visuele informatie dat de pop praat terwijl het natuurlijk de buikspreker is. Hetzelfde geldt voor televisiekijken: ons brein koppelt het geluid uit de boxen aan de zijkant van de tv aan acteurs die we op het scherm zien praten. Hoewel de integratie van horen en zien hier fout lijkt te gaan, kan het verklaard worden door statistisch optimale verwerking, voor het eerst beschreven door de Hongaar Rudolf Kalman12 in de jaren zestig van de vorige eeuw. Dat wil zeggen de waarneming wordt bepaald door de gewogen optelling van de auditieve en visuele inputs, waarbij het gewicht afhangt van de ruizig-heid van de input. Hoe ruiziger het signaal, hoe minder invloed het heeft.

Zintuiglijke informatie is echter niet de enige bron van informatie waaruit je ge-volgtrekkingen kunt maken. Er is ook een andere vorm van informatie, namelijk eerder opgedane kennis. Dit is informatie die je verzamelt tijdens je leven en opslaat in het geheugen. De moderne theorie van optimale inferentie wordt Bayesiaanse beslissings-theorie genoemd, naar Thomas Bayes13, een Schotse predikant die leefde in de achttiende eeuw (zie figuur 7). Deze theorie zal ik nu kort proberen uit te leggen, maar ik excuseer

Figuur 7: In Bayesiaanse beslissingstheorie wordt de a posteriori-kans (de overtuiging) bepaald de

a priori-waarschijnlijkheid, de ‘voorafkans’, maal de aannemelijkheid van de zintuiglijke informatie.


me direct, mocht het in deze korte tijd niet helemaal helder worden. In Bayesiaanse theorie, een statistische theorie, wordt kans gezien als een maat voor overtuiging. Deze zekerheid kunnen we uitdrukken in een getal tussen 0 en 1, dat wil zeggen 0 betekent ik geloof het niet en 1 betekent ik ben absoluut zeker. Alle getallen ertussen geven grijs-waarden van onzekerheid. Voor wat betreft de buikspreker zijn we redelijk overtuigd dat gesproken taal hoort bij monden die bewegen.

Een voorbeeld is de interpretatie van de signalen van het evenwichtsorgaan14, het halfcirkelvormig orgaan in ons binnenoor dat hoofdbewegingen detecteert. De meest voorkomende toestand in onze dagelijks leven is dat ons hoofd niet beweegt – we zitten stil. Dit is de voorkennis, en geeft de a priori waarschijnlijkheidverdeling, de ‘voorafkans’. Dus de voorafkans is de kans dat we stil zitten, zonder dat we zintuiglijke informatie in rekening brengen. Daarnaast ontvangt het brein ruizige signalen uit het evenwichts-orgaan. Dit wordt beschreven als een waarschijnlijkheidsverdeling van de zintuiglijke informatie, dus de kans dat de huidige zintuiglijke informatie van deze bewegingstand afkomstig is. Deze waarschijnlijkheidsverdeling wordt ook wel de aannemelijkheid, of likelihood, genoemd. Bayes had al begrepen dat de a posteriori waarschijnlijkheid, de ‘achterafkans’, dat wil zeggen de overtuiging, evenredig is met de a priori waarschijnlijk-heid, de voorafkans, maal de aannemelijkheid. Ofwel, in een formule,

P(toestand|input) ~ P(toestand) * P(input|toestand)

De linkerkant van de vergelijking geeft de zekerheid van verschillende overtuigingen over de bewegingstoestand van het hoofd. Natuurlijk zult u niet bewust alle opties gaan uitrekenen. De neurale netwerken in het brein doen de wiskunde in uw onderbewust-zijn, en leveren u op basis van de piek van de a posteriori waarschijnlijkheidsverdeling uw overtuiging van de meest waarschijnlijke toestand. Tot op heden hebben we echter nog geen idee hoe het brein dit doet en waar dit plaatsvindt in de hersenen. Dit is een van de doelen van mijn toekomstig onderzoek.

Recentelijk hebben Ivar Clemens en Maaike de Vrijer, een huidig en voormalig promovendus in de groep, de Bayesiaanse ideeën op een originele manier getoetst in het kader van ruimtelijke oriëntatie15. Het nut van dit vermogen zal duidelijk zijn bij het zien van dit acrobatische hoogstandje door promovendus Adjmal in onze groep (zie figuur 8). Wat is nu de informatie die Adjmals brein moet verwerken? Natuurlijk de zintuiglijke signalen, zoals van het evenwichtsorgaan, visuele informatie, informatie uit de drukzintuigen in de handen en de nekzintuigen die de stand van het hoofd ten opzichte van de romp voelen. Daarnaast is er de eerdere opgedane kennis. In het labo-ratorium onderzoeken we dit neurale proces iets minder spectaculair, maar veiliger, door gebruik te maken van een kantelstoel (zie figuur 9). Door het precies meten van de waarneming bij verschillende oriëntaties, opgelegd door deze kantelstoel, konden we op een Bayesiaanse manier terugredeneren wat de ruizigheid van de verschillende be-


Figuur 8: Ruimtelijke oriëntatie

is een multisensorisch proces.

Figuur 9: Met een kantelstoel kan ruimtelijk oriëntatie gemeten worden. Met een Bayesiaanse benadering

kunnen uit de metingen de betrokken signalen gereconstrueerd worden.


trokken zintuigen was, maar ook wat de voorkennis is die het brein heeft opgeslagen. In een vervolgstap konden we dan berekenen wat de output van het systeem zou zijn met een volledig defect zintuig, en zo bepaalde patiëntpopulaties nabootsen. Dus met het idee dat het brein opereert als een actieve waarschijnlijkheidsmachine kunnen we be-langrijke inzichten opdoen voor cognitie en kliniek.

Voor het interpreteren van zintuiglijke informatie is er naast de aanwezigheid van ruis, nog een ander probleem, en dat is ambiguïteit. De zintuigen zelf zijn vaak agnos-tisch aangaande de oorzaak van de veranderingen die ze meten. Neem de situatie op het netvlies. Visuele waarneming wordt gedreven door verandering van beelden op het net-vlies. Maar de veranderende input op het netvlies kan ontstaan doordat de buitenwereld verandert, zoals in het geval van een wegrijdende vrachtauto, of doordat het oog wordt verdraaid. Met andere woorden veranderingen in zintuiglijke informatie kunnen een externe of een interne oorzaak hebben, maar de zintuigen zelf kunnen niet vertellen. Hoe kunnen de hersenen dan op correcte wijze de zintuiglijke informatie interpreteren? Het antwoord is door voorspellingen te maken. De hersenen maken voorspellingen van de zintuiglijke informatie die ze nog moeten ontvangen. De hersenen maken deze voor-spellingen op basis van motorische signalen. Op het moment dat er een signaal wordt gestuurd naar de spieren, bijvoorbeeld de spieren van het oog, maakt het brein op het-zelfde moment een kopietje van dit signaal en stuurt het naar een soort voorspeller, om de zintuiglijke consequentie van de actie, de oogbeweging, te anticiperen16. Met andere woorden, het brein stuurt een e-mail naar de oogspieren (zie figuur 10), maar gelijktijdig een cc-tje naar de perceptuele verwerkingsgebieden om ze te vertellen dat de verande-ringen die binnenkomen door het brein zelf veroorzaakt zijn, en niet door de buiten-wereld. Op deze manier kunnen de hersenen dus onderscheid maken tussen extern en intern veroorzaakte gebeurtenissen. Een bekend voorbeeld is kietelen. We weten allemaal

Figuur 10: In analogie met de cc in het

e-mailverkeer, maakt het brein een kopie van

een motorisch signaal om de sensorische

consequenties van de beweging te anticiperen.


dat we onszelf niet kunnen kietelen, maar wel gekieteld kunnen worden door anderen. Het brein maakt een voorspelling van de zintuiglijke informatie op basis van de zelfge-genereerde motorische signalen en trekt die af van de daadwerkelijk zintuiglijke infor-matie, en wat overblijft is extern veroorzaakt17.

Hoe het brein deze voorspellingen maakt is een van de centrale vragen in mijn onderzoek. Recentelijk hebben we aangetoond dat de pariëtale schors hierbij een belang-rijke rol speelt. In een gepopulariseerde versie ging het experiment als volgt. Proefperso-nen lagen in een fmri-scanner en keken naar een aantal objecten op een tafel. Door het maken van een oogbeweging tussen het bloemvaasje en de krant schoof het koffiekopje van het ene blikveld naar het andere (zie figuur 11). Deze verandering van het beeld op het netvlies werd geanticipeerd door neurale activiteit in de pariëtale schors, die steeds voorspelde waar het kopje gezien zou worden na de oogbeweging18. Dus hoewel de representatie van het kopje door het brein verschuift, is het resultaat een stabiele per-ceptie van de buitenwereld. Dus het brein opereert als een actieve waarschijnlijkheidsmachine die constant voorspellingen maakt over de te verwachten situatie.

Optimaliteit wijst ons ook de weg in hoe het brein tot de keuze en uitvoer van acties komt. Er wordt van uitgegaan dat het brein een kosten-batenanalyse maakt, net zoals u op uw vakantie afwegingen maakt aangaande de activiteiten die u onderneemt. De ene activiteit levert meer voldoening op dan de andere. In sensomotorische taal: de senso-rische consequenties van de ene actie geven meer voldoening dan van de andere. Zo zijn oogbewegingen naar interessante doelen sneller dan die naar saaie objecten19. Naast

Figuur 11: Anticipatie van sensorische consequenties in de pariëtale schors, gemeten met fMRI.


beloning is het natuurlijk ook zo dat de kosten voor de ene activiteit hoger zijn dan voor de andere. De ene actie is ruiziger en kost meer energie dan een andere. De besluitvor-ming in het brein wordt verondersteld met deze factoren rekening te houden. Hoe dit in meer detail werkt is een van de vragen van mijn toekomstig onderzoek.

Tenslotte: om ons te handhaven in een onzekere, veranderende omgeving moet het brein in staat zijn zich bij te stellen. Ook hier speelt optimaliteit weer een rol. Het heeft geen zin om bij elke willekeurige verstoring de neurale sturing aan te passen. Alleen als verstoringen consistent lijken, moeten we rekening met ze houden. Niet elke hobbel in de weg moet tot ander stuurgedrag leiden, maar met winterbanden moeten we wel anders rijden dan met zomerbanden. Deze bijstelling, of adaptatie, refereert aan de plasticiteit van het brein. Sensomotorische systemen voldoen alleen aan hun opdrachten als ze correct ‘afgeregeld’ zijn, dat wil zeggen als de verbindingen tussen de neuronen de juiste waarden hebben. De juiste waarde voor een verbinding hangt af van de waarden van de andere verbindingen en van de toestand van de zintuigen en spieren2. Lichaams-eigenschappen kunnen veranderen, we groeien, we worden zwaarder. Als een spier ver-zwakt is moeten de signalen die de spier aansturen versterkt worden om dezelfde bewe-ging te genereren. Op dezelfde manier moeten de voorspellers in het brein aangepast worden om de zintuiglijke voorspellingen accuraat te houden.

Tot nu toe is veel van het onderzoek naar de adaptatie of leerprocessen gedaan in simpele laboratoriumsituaties. Bijvoorbeeld een proefpersoon leert zijn reikbewegingen aan te passen om een bepaalde weerstand of tegenkracht, te compenseren20. Luc Selen, Adjmal Sarwary en ik zijn recentelijk begonnen met het bestuderen van deze adaptatie of leerprocessen in het geval van krachten die ontstaan als het hele lichaam versneld wordt. Een soortelijke ervaring heeft u in de bus die plotseling afremt en u probeert de veiligheidsrail te grijpen om staande te blijven. Om deze experimenten op te zetten heb-ben we recentelijk een vestibulaire slee gebouwd, waarmee proefpersonen op verschil-lende manieren versneld kunnen worden terwijl zij een motorische taak uitvoeren en hun hersenactiviteit afgeleid kan worden. We vonden dat proefpersonen leren te com-penseren voor de opgelegde krachten, zoals te zien in de leercurve in figuur 12. In het begin zijn er grote afwijkingen in de reikbeweging, maar deze worden minder naarmate dezelfde verstoring vaker ondervonden wordt. Onze nieuwste resultaten tonen dat het evenwichtsorgaan niet alleen cruciaal is voor het leerproces maar ook voor het selecte-ren van de geleerde bewegingspatronen op een later moment. Dus het brein werkt als een actieve en lerende machine, die zich continu bijstelt in een veranderende omgeving.

Laat ik nu proberen alles samen te vatten in een schema21 (zie figuur 13). In dit model zijn perceptie en actie nauw gekoppelde modules. De actiemodule bepaalt de motorische commando’s naar de spieren: deze veranderen de relatie tussen het lichaam en de omgeving. Deze veranderingen worden gedetecteerd door de zintuigen die ruizige informatie naar de perceptiemodule sturen. De veranderingen worden ook voorspeld op basis van een kopie van het motorisch signaal (als de cc in een e-mail). Voorspel-


Figuur 12: Motorisch leren tijdens lichaamsbewegingen, opgelegd door een lineaire slee.


lingen worden aangepast als de relatie tussen lichaam en omgeving blijvend anders wordt. De perceptiemodule maakte op basis van de voorspellingen, de werkelijk zintuiglijke informatie en eerder opgedane kennis een optimale inferentie over de toestand van de wereld en voorziet hiermee de actiemodule van input, waarvan de keuzes uiteindelijk ge-baseerd worden op een kosten-batenanalyse. Neurale structuren waarvan wordt gedacht dat die betrokken zijn bij deze processen heb ik aangeven, en sommige reeds besproken, maar over de meeste is nog volop debat.

Het zojuist behandelde schema, of model, vormt de leidraad in mijn toekomstig onderzoek. Het biedt een venster op cognitie, stelt optimaliteit als werkhypothese, en dringt door tot essentiële kenmerken van menselijk gedrag, zoals representeren, infere-ren, voorspellen, en leren, zoals ik vandaag heb laten zien.

Een belangrijke uitdaging voor ons toekomstig onderzoek is dit model te testen in complexe, dynamische omgevingen, bijvoorbeeld als we zelf met ons hele lichaam in beweging komen en moeten waarnemen en handelen onder tijdsdruk. Met recent ver-worven subsidies hopen we met onze groep belangrijke impulsen aan dit onderzoek te geven. Een aantal belangrijke vragen waarop we antwoorden willen gaan vinden heb ik reeds geschetst. Ook willen we met ons onderzoek een brug slaan naar de kliniek. Het proces van sensomotorische integratie verandert als we geblesseerd raken op een sport-veld, of als we ouder worden en met ziekte te maken krijgen. Bijvoorbeeld: in het jaar 2050 is Europese bevolking boven de 65 jaar toegenomen met 58 miljoen mensen, een verhoging van 77 procent ten opzichte van vandaag22. De veroudering gaat gepaard met een toename in leeftijdsgerelateerde stoornissen in perceptie, zoals gezichtsverlies, of evenwichtsstoornissen, verminderde motoriek, en een toename van neurodegeneratieve ziekten. We moeten deze problemen zien te begrijpen. Het is mijn overtuiging dat onder-

Figuur 13: Het bestuderen van sensomotorische integratie biedt een venster op cognitie, zoals representeren,

infereren, voorspellen, en leren.


zoek naar sensomotorische integratie daarvoor onontbeerlijk is. Hier wil ik mij graag voor inzetten.

Tenslotte nog een enkel woord over het primaire proces. Op de universiteit wordt daaronder onderwijs en onderzoek verstaan. Net zoals perceptie en actie, zijn ook deze twee niet los van elkaar te zien. Zelf ben ik met veel plezier betrokken bij de opleiding Psychologie, volgens studenten zelfs de beste in Nederland, en bij de researchmaster Cognitieve neurowetenschappen, die ook jaar in, jaar uit op de eerste plaats belandt in de onderwijsevaluaties. Deze eerste plaats is geen vanzelfsprekendheid: continu worden verbeteringen doorgevoerd op basis van actuele ontwikkelingen in het veld. Een van de ontwikkelingen die ik zie is dat deze vakgebieden steeds wiskundiger, analytischer worden. Dit betekent dat we het onderwijs hiervoor meer moeten ‘bèta-iseren’ en ik zou willen pleiten voor meer training van computationele vaardigheden aan onze studenten. Naast onderwijs en onderzoek is valorisatie, het vermarkten van kennis, ook steeds meer een kerntaak binnen de universiteit. Opvallend genoeg zie ik in de verbinding van deze drie – onderwijs, onderzoek en valorisatie – een zekere analogie terug met het schema dat ik net besproken heb. Dat wil zeggen: de uitkomsten van onderzoek leiden tot nieuwe onderwijscurricula, en kunnen vermarkt worden naar de maatschappij (zie figuur 14). Maar volgt dit schema dan ook de regels van optimaliteit? Volgens een recent rapport zou je bijna zeggen van wel. Met opvallend weinig onderzoekers per hoofd van de bevol-king staat Nederland qua totale kennisproductie in de top tien van de wereld. Maar laat ik toch twee zorgen delen: Ten eerste, Nederland blijft bezuinigen op wetenschappelijk onderzoek, de komende jaren zelfs 10 procent, wat neerkomt op 0,7 procent van het bruto binnenlands product23, en waarmee ons land onderaan komt bungelen in Europa. Bovendien wordt van dit kleine percentage steeds meer ingezet op marktgestuurd onder-

Figuur 14: Naast onderwijs en onderzoek wordt valorisatie, het vermarkten van kennis, ook steeds meer een

kerntaak binnen de universiteit. Maar voldoet de relatie tussen deze drie aan de regels der optimaliteit?


zoek in plaats van kennisvermeerdering. Ten tweede, de opleiding van de beroepsbevol-king blijft achter vergeleken met andere ‘echte kennislanden’ terwijl het doorstuderen steeds moeilijker wordt gemaakt. Hoe kan dit, terwijl velen met mij denken dat voor economisch herstel een rijke, kennisintensieve productiestructuur en dienstverlening nodig zal zijn? Mijns inziens vereisen de optimaliteitregels dat we investeren in talent én fundament. Valorisatie begint met excellent onderzoek, het fundament. Het vergaren van wetenschappelijke kennis en die kennis delen en de maatschappij daarmee iets terug-geven is zeer belangrijk. Maar wie bepaalt het onderzoek dat we doen? Als de wetenschap zich volledig overgeeft aan de grillen van de markt, zal de stroom van nieuwe ontdek-kingen snel zijn opgedroogd. Onvoorspelde uitkomsten, ontstaan uit nieuwsgierigheid, leiden uiteindelijk tot de grootste innovaties, dat heeft de geschiedenis bewezen. Valorisatie begint al met excellent onderwijs, investeren in talent. Dat lukt niet als studenten door de onderwijsmangel geperst moeten worden om recht op vergoeding te houden. Dat lukt niet als we masteropleidingen te veel onder druk zetten. Dat lukt niet als we talent buiten laten staan. Talentontwikkeling is uiteindelijk iets van de lange adem, niet alleen voor het talent zelf, maar ook voor de maatschappij. Soms gaat daarbij de kost voor de baat uit, dat zullen we moeten accepteren, voor optimaal gewin in de toekomst.

dankwoordAan het eind gekomen van mijn oratie wil ik graag nog enkele woorden van dank uit-spreken. Allereerst dank ik het college van bestuur van de Radboud Universiteit Nijmegen, prof. Hetty Dekkers, decaan van de faculteit, prof. Harold Bekkering, directievoorzitter van het Donders Instituut, en prof. Daniel Wigboldus, directeur van het onderwijsinsti-tuut voor het instellen van deze leerstoel en het in mij gestelde vertrouwen.

Mijn promotor, prof. Stan Gielen, noem ik uit dank voor al zijn adviezen en betrok-kenheid door alle jaren heen. Jouw combinatie van wetenschappelijk inzicht en bestuur-lijk vermogen zijn een groot voorbeeld voor mij. Ook dank ik graag mijn andere leer-meester en medepromotor dr. Jan Van Gisbergen. Jan, jouw scherpzinnigheid, diepgang en gewoon aardig doen, zijn voor mij een inspiratie tot op de dag van vandaag.

Na mijn promotie vetrok in naar Canada, en ging werken met professoren Crawford, Vilis en Tweed. Being at the right place at the right time. Werken in bloeiende onder-zoeksgroepen gaf mij de kans nieuwe expertise en ideeën te ontwikkelen en een mooi Canadees netwerk op te bouwen waarmee de samenwerking nog steeds voortduurt. Als vertegenwoordiger van dit netwerk noem ik graag dr. Brian Corneil, die dit jaar een sab-batical doorbrengt in onze groep. Brian, our careers runs in parallel since we were PhD students. I want to thank you for your friendship and collaboration.

Het was prof. Harold Bekkering die me terughaalde naar Nijmegen, naar het Nijmeegs Instituut voor Cognitie en Informatie, nici, voorloper van het huidige Donders Centre for Cognition, hierbij gesteund door toenmalig directeur prof. Herbert Schriefers.


Harold, veel dank hiervoor. Jouw ideeën, inzet en streven naar excellentie, jouw direc-teurschap, hebben niet alleen de Actie, Intentie en Motor control-sectie maar ook het hele Donders Centre for Cognition tot grote zeer hoogte gestuwd, waarvan ik dankbaar geprofiteerd heb.

Ook met mijn andere collega’s binnen de sectie en het onderzoekscentrum hoop ik de goede samenwerking te kunnen voortzetten. Prof. Ruud Meulenbroek noem ik speciaal voor zijn kritische feedback op al mijn stukken en de loyale rol die hij speelt bij het invullen van mijn onderwijs.

Met de toetreding tot de directie van het Donders Centre for Cognition stond er ineens ook een ander team om mij heen. Zonder de fantastische support van Maaike Rengers, Saskia Schepers en Jolanda Rozenboom zou ik deze rol niet kunnen invullen.

Met de totstandkoming van het grote Donders Institute for Brain, Cognition and Behavior ging het laatste restje van de Nijmeegse frenologie in het brein- en cognitie-onderzoek gelukkig ter ziele. Samen met de andere Dondersdirecteuren en alle andere Donderianen hoop ik samen te bouwen aan een sterk onderzoeksinstituut en de goede relaties met de andere instituten op onze campus in stand te houden. Speciaal wil ik de langdurende en prettige onderzoekssamenwerking met prof. Ivan Toni en dr. Ole Jensen binnen het Donders Instituut noemen. Eveneens noem ik de samenwerking met de prof. John Van Opstal en zijn afdeling, en de goede relaties met collega’s in Nederland en daarbuiten, van wie enkelen hier vandaag aanwezig zijn.

Ik richt mij ook graag tot de promovendi van het eerste uur: Stan van Pelt, Rens Vingerhoets, Sabine Beurze, Maaike de Vrijer, en Jurrian van der Werf. Jullie waren ‘superaio’s’, schreven prachtige proefschriften, en mede dankzij jullie sta ik vandaag hier. Jullie stonden aan de wieg van het sensorimotorlab, dat nu mooi voor de wind zeilt. Momenteel werk ik met veel plezier samen met collega-onderzoekers Luc Selen, Femke Maij, Mathieu Koppen, Tineke t’Grent, Tjerk Gutteling, en promovendi Frank Leone, Verena Buchholz, Anouk de Brouwer, Jeroen Atsma, Adjmal Sarwary en Ivar Clemens en de vele studenten die ons lab jaarlijks aandoen. We’re on a mission, de Blues Brothers hadden het er al over. Dat het soms flink kan knetteren in onze labmeetings geeft maar aan hoe warm de club is. Mede door de excellente support van de technische support groep (tsg) ben ik ervan overtuigd dat we ook in de toekomst onze nieuwe plannen kunnen waarmaken en nieuwe onderzoekspaden zullen bewandelen.

Tenslotte dank ik mijn familie, schoonfamilie en vrienden. Mijn moeder dank ik voor haar niet aflatend vertrouwen. Als laatste gaat mijn dank naar mijn gezin, naar Linda, mijn lieve vrouw, en naar onze drie prachtige kinderen Eva, Wiebe en Anna, bij wie het elke dag weer heerlijk thuiskomen is.

Ik heb gezegd.


noten

1 Wolpert DM, Ghahramani Z and Flanagan JR. Perspectives and problems in motor learning.

Trends in Cognitive Science 5(11):487-494, 2001.

2 Tweed, DB. Microcosms of the brain. 2003. Oxford University Press.

3 Descartes, R. 1644 Principia philosophiae (Principles of Philosophy).

4 Simpson, D. (2005) Phrenology and the neurosciences: contributions of F. J. Gall and J. G. Spurzheim

anz Journal of Surgery. Oxford. Vol.75.6;

5 Enquist, A. De zolder, echtelijke neurologie. In Soldatenliederen. De Arbeiderspers Amsterdam 1991 pag. 44

6 In zijn boek Microscosms of the brain2, beschrijft Douglas Tweed, een van mijn vroegere leermeesters, een

tiental begrippen die van waarde zijn voor de computationele neurowetenschappen van de toekomst, te

weten: optimizatie, complexiteit, computatie, leren, dynamica, interfaces, terugkoppeling, vrijheidsgraden,

informatie en inferentie. Ik voeg er hier representeren en voorspellen aan toe.

7 DeCharms RC and Zador, A. Neural representation and the cortical code. Annual Reviews in Neuroscience.

23:613–647, 2000.

8 Crawford JD, Henriques D, Medendorp WP. Spatial transformations for goal-directed action. Annual

Review of Neuroscience 34:309-31, 2011.

9 Buchholz VN, Jensen O, Medendorp WP. Multiple reference frames in cortical oscillatory activity during

tactile remapping for saccades. J Neuroscience, 31:16864-71, 2011.

10 Wolpert DM and Ghahramani Z Computational principles of movement neuroscience. Nature

Neuroscience 3:1212-1217, 2000.

11 Von Helmholtz H. 1867 Handbuch der Physiologischen Optik. Leipzig: Voss.

12 Kalman, R.E.A new approach to linear filtering and prediction problems. Journal of Basic Engineering 82 (1):

35–45, 1960.

13 Thomas Bayes, An Essay towards solving a Problem in the Doctrine of Chances. Herdruk in Philosophical

Transactions 53:370-418, 1973.

14 Goldberg et al. The Vestibular system. Oxford University Press, USA; 1st editie (23 januari 2012).

Dit unieke boek biedt een prachtig overzicht over de inzichten in de werking van het verborgen zintuig,

het evenwichtsorgaan.

15 Clemens I, De Vrijer M, Selen LPJ, Van Gisbergen JAM, Medendorp W.P. Multisensory processing in

spatial orientation: an inverse probabilistic approach. Journal of Neuroscience, 31: 5365-5377, 2011.

16 Wurtz, RH. Neuronal mechanisms of visual stability. Vision Research 48: 2070-2089, 2008.

17 Blakemore SJ, Wolpert D, Frith C. Why can’t you tickle yourself? Neuroreport 11: R11-6, 2000.

18 Medendorp WP, Goltz HC, Vilis T, Crawford JD. Gaze-centered updating of visual space in human

parietal cortex. Journal of Neuroscience, 23: 6209-6214, 2003.

19 Xu-Wilson M, Zee DS, Shadmehr R. The intrinsic value of visual information affects saccade velocities.

Exp Brain Research 196:475-81, 2009.

20 Shadmehr R, Mussa-Ivaldi FA. Adaptive representation of dynamics during learning of a motor task.

Journal of Neuroscience 14: 3208-24, 1994.

21 Shadmehr R, Wise SP (2005). The computational neurobiology of reaching and pointing: A foundation for

motor learning. Cambridge (Massachusetts): mit Press.


22 The impact of aging on public expenditure: projections for the EU25 Member States on pensions, health

care, long-term care, education and unemployment transfers (2004–2050), European Economy, Special

Report No. 1 (Brussels: European Commission); http://ec.europa.eu/economy_finance/publications/

european_economy/2006/eesp106en.pdf

23 Feiten en cijfers: Overzicht Totale Onderzoek Financiering (TOF) 2010-2016. Rathenau Instituut,

April 2012. http://www.rathenau.nl/publicaties/feiten-en-cijfers-overzicht-totale-onderzoek-

financiering-tof-2010-2016.html

pdf hosted at the radboud repository of the radboud ... · bij de ogen zien we hoe fotonen,...

Documents