Op zoek naar de klepel

bij dezen en genen

Categorie Archieven: Neurowetenschappen

Het denken dat zichzelf (niet) kent

Gastbijdrage van Leonardo da Gioiella

 

Leonardo musiceert

Leonardo musiceert

 

Wij hebben geest zoals wij honden houden,
een hond om de gedachten te bepalen,
een net van wegen dat wij voor de wereld houden,
dorps wegennet om ze te laten dwalen.
Chr. J. van Geel

Het denken dat zichzelf (niet) kent

Het lopen deelt ons niets mee over het lopen, niet als onze benen lopen, ook niet als onze benen over de rand van de stoel hangen, en niets anders te doen hebben. Het lopen heeft zichzelf ook niet in allerlei subfuncties opgedeeld, noch hoor ik het vragen of het uit zichzelf loopt of dat het wordt opgewonden.

Hoe heel anders is dat met het denken. Ons brein zorgt voor het denken, maar vertelt ons ook dat het daarover nadenkt.
Vermenging van functies … of misschien zelfs belangenverstrengeling?
Bovendien, bij dat nadenken vraagt het brein zich af of het wel kan nadenken, al wordt dat iets anders verpakt: heb jij wel een vrije wil zegt het brein dan tegen dat wat het aanstuurt – en dat wat aangestuurd wordt wordt daar behoorlijk onzeker van.

 

brain_7

Ceci n’est pas un cerveau …
… en het is zeker niet mijn brein

 

Ik heb hier drie boeken voor me liggen.

Allereerst is daar THE FUTURE OF THE MIND van Michio Kaku. Kaku is een bekend fysicus, heeft onder andere bijgedragen aan de snarentheorie, en heeft zich door veel gesprekken met neurologen verdiept in de vraag naar de toekomst rondom ons brein.

Dan is daar Het brein te kijk waarin een aantal neurologen NL, van naam en faam, hun licht doen schijnen op diverse zaken die het brein betreffen.

En ten slotte, waar het allemaal mee begonnen is, een  boekje – a VERY SHORT TOUR of the MIND – van de Nieuw Zeelandse neuroloog Michael Corballis, 21 short walks around the human brain, gebaseerd op informatieve columns in The New Zealand Geographic over zijn bezig zijn.

Tegen het laatst genoemde boekje ben ik aangelopen – met plezier! Het bezit van de andere twee is de vrucht van een zorgvuldig selectieproces, want er wordt door (bezitters van?) het brein heel veel over het brein te berde gebracht, boekenkasten vol.

Hoe ziet dat brein er uit?
Wel het is opgebouwd uit dezelfde stoffen die je overal in het lichaam aantreft: haarvaatjes, het plasma en de celletjes, er stroomt bloed door heen – die soms ook zo genoemd worden, maar ook, omdat het het brein is denk ik, wel suggestieve namen krijgen.
Zo is er het neuron, eigenlijk het bepalende element voor onze denkcapaciteit, dat wel als een “datatransmitter” wordt gezien: het heeft een ontvang-zend-lichaam (soma) dat voorzien is van een ontvanger – dendriet – en een zender – axon.
Verder heeft de massa een zekere structuur, een gelaagdheid, waar ook wel evolutionair technische kwesties aan verbonden worden – de toename van laagjes gaat daarin samen met de toename van intelligentie.

Wat doet het brein?
Dat wordt door het brein onderverdeeld in functies, alsof het een bedrijf is (met een zeer platte organisatiestructuur).
Het gaat dan om
– ons visuele systeem
– de aandacht
– de geheugenfunctie
– het emotionele systeem
– onze motoriek
– de taalfunctie
Hierbij vallen onmiddellijk een paar dingen op.
De denkfunctie zelf heeft geen plekje in dit organigram.
De focus van het hedendaagse onderzoek richt zich op de dynamiek en de connectiviteit binnen het brein, waarmee de neurologen de (moderne) frenologie achter zich hopen te laten. Maar het denken wordt voorlopig – noodgedwongen? –  nog gedomineerd door systemen en functies.
Daarnaast,  de overmatige aandacht voor het zien en onze faculty of speech. We hebben meer zintuigen dan het gezicht, maar aan gehoor – goed kunnen horen is toch wel heel belangrijk – reuk, smaak en tastzin wordt geen specifieke aandacht besteed.
Terwijl de taal zoveel aandacht krijgt – beter te zeggen: we zijn helemaal kapot van de mogelijkheid dat we kunnen praten (en van ons zien, én ons denken) – wordt er helemaal niets over onze faculty of music gezegd. Daar is toch ook sprake van grammatica, zinsbouw, recursiviteit. Akkoord, niet iedereen heeft die faculty.

Meten is weten. Kunnen we objectieve waarnemingen aan het brein doen, en levert dat eenduidige interpretaties op?
Heel wat mensen zullen die vraag zonder verder nadenken positief beantwoorden. In het algemeen hebben de neurologen, m.n. zij die aan de weg timmeren, voor een positief beeld gezorgd. En eerst in het ziekenhuis moeten ze aan verwachtingsmanagement gaan doen. Als ik hier zou opschrijven wat er niet kan, dan zouden nogal wat mensen teleurgesteld raken.
Ik daarentegen, scepticus van geboorte, ben eigenlijk heel optimistisch gestemd. Ik denk dat, technisch gesproken, de oppervlakte goed in kaart is gebracht, en dat er in de diepte heel veel vragen beantwoord zijn.
De hersenen geven elektrische en magnetische signalen af, afhankelijk van een specifieke activiteit. Daarnaast is de doorbloedingsfunctie zo ingericht dat die ook zichtbaar maakt welk gedeelte van het brein meer en minder actief is. Op basis daarvan is in nauwe samenwerking met fysici een gereedschapskist ontwikkeld die technologisch van een hoog niveau mag worden genoemd.
Dus, terwijl er vroeger EEG (en ECG) waren (event-related potentialen), is daar nu bij gekomen MEG = het meten van event-related magneetvelden, PET en fMRI = twee verschillende manieren om te meten waar het bloed kruipt.
Maar, er mag best nuchter over worden gedaan.
Alle technieken hebben zo hun beperkingen en nadelen, inclusief mogelijke beschadiging van de hersens.
En verder, wat betreft de precisie, ons brein telt zo’n honderd miljard neurons (wie die allemaal geteld heeft weet ik niet) maar die kunnen we niet stuk voor stuk waarnemen. Ik zal zelf geen conclusie trekken, maar de meest optimistische van de schrijvers citeren: MRI scans can see only dots or voxels within a fraction of a millimeter. But each dot may contain hundreds of thousands of neurons. […] The holy grail of this approach would be to create an MRI-like machine that should identify individual neurons and their connections.

De beeldvorming rond het brein gaat twee kanten op.
Eén, die van de dierenwereld. Eigenlijk hebben dieren geen brein, maar ze hebben wel hersens en een – soms imposante – hersenpan. Maak dan als mens maar eens waar dat je superieur bent. Wel, daar is een maat voor gevonden: na lang zoeken is log breingrootte tegenover log lichaamsgrootte gezet, hetgeen leidde tot het encephalization quotient. Welnu, dat is voor de mens 7.44 terwijl het voor die grote dikke logge olifant maar 1.87 is.
Hè, gelukkig!
Maar, we moeten oppassen voor de dolfijnen en, zegt Corballis, there may be other creatures busily working on formulae to prove that they are the top dogs.
Omdat het dier volgens velen onder ons geen brein heeft, en in ieder geval niet die functionaliteit – de schepper aller dingen zij geloofd en geprezen – en omdat de mens voor dat wat hij in zich heeft graag metaforen zoekt in de buitenwereld die dat allemaal niet in zich heeft, heeft lange tijd de klok, en met name het horloge als metafoor gediend, totdat de computer zijn intrede deed, en dan m.n. de PC in zijn huidige vorm en met zijn huidige geheugenomvang en rekenkracht.
Ook dat gaat twee kanten op. Enerzijds worden er onmiddellijk argumenten gevonden, om duidelijk te maken dat de vergelijking niet helemaal opgaat – de PC is achterlijker – anderzijds willen we graag de tovenaarsleerling zijn die het beter kan dan de meester, en zo zijn velen van ons er heilig van overtuigd dat er straks robots rondlopen die qua denkkracht niet van de mens te onderscheiden zijn.
Ik vind wat dat betreft één wetenschappelijk artikel nog altijd normbepalend. Het is een product van de breinen van Hauser, Chomsky en Fitch over de (our!) Faculty of language: what is it, who has it (the three of us, of course) and how did it evolve. De taalfunctie wordt hier volledig beschreven als een systeem met subsystemen. Het is alsof ze willen zeggen dat de evolutie bezig is gegaan volgens het incremental build model.

Wat kunnen we met ons weten over het brein.
Brein en psychologie zijn nauw met elkaar verweven. Sommige problemen, die thuishoren in dit gebied, kunnen bevestigd worden met de meetinstrumenten. Maar daar is alles mee gezegd.
We kennen allemaal Stephen Hawking. Die  heeft een neuroprosthetic device op zijn bril, dat bepaalde signalen van zijn brein kan interpreteren en kan doorgeven aan een computer, zodat hij “some contact” kan onderhouden met de buitenwereld. Kaku, de meest optimistische van het stel, beoordeelt het als zeer primitief.
Recent zijn we geïnformeerd over de behandeling van een man met een locked-in-syndroom. Hij “praat” nu met behulp van een computer. Dat wil zeggen: na een jaar oefenen kreeg hij – mind you, binnen het uur! – één zin op het scherm.
Dit wordt gedaan m.b.v. een sample techniek: de man kreeg een opdracht, zijn hersenactiviteit werd gemeten, en vanaf dat moment weet de computer wat de man met dat specifieke event-related potentiaal of magneetveld wil.
Overbodig te zeggen dat deze functionaliteit alleen voor die ene patiënt beschikbaar is.
Je kunt het knap noemen. Je kan ook zeggen: wel, de samplers die de grondslag vormen voor de elektronische muziek liggen meer dan een straatlengte voor op deze vorm van sampling. Het resultaat van deze sampling is vergelijkbaar met het informeren van een piloot die een Boeing aan de grond moet zetten op een landingsbaan zonder landingslichten, waarvan hem is verteld dat die achter de duinen, ergens tussen IJmuiden en Haarlem begint.

Ik ga niet in op de inhoud van de boeken, dat is meer de stiel van Marleen. Ik volsta met een korte karakteristiek.
THE FUTURE OF THE MIND vind ik relatief het slechtste boek. Niet dat Kaku niet kan schrijven, hij brengt zijn boodschap enthousiasmerend over. Maar het is zo Amerikaans, zo optimistisch. Niet dat Kaku denkt dat we vandaag alles al weten  en morgen alles kunnen. Maar hij is er van overtuigd dat we binnen een overzienbare periode zo ver zijn: dat we alles van het brein weten, en dat we mensen met problemen aan het brein kunnen helpen.
Het brein te kijk vind ik het beste boek. Het is nuchter geschreven door wetenschappers die hun sporen op dit gebied verdiend hebben. Onderzoekers die weten waar ze heen willen, maar er niet zeker van zijn of ze dat ooit zullen bereiken.
Met a VERY SHORT TOUR of the MIND is dit allemaal begonnen. Het is het liefste boekje dat ik sinds tijden in mijn handen heb gehad – het vorige zijnde VANDAAG STAAT NIET ALLEEN  van de hand van Jan Pen, econoom in Groningen (een bundeling van een aantal van zijn artikelen voor Hollands Maandblad). In karakter doet deze wetenschapper mij aan Pen denken, zoals hij tevreden maar bescheiden vertelt over wat hem in de jaren dat hij zijn vak uitoefende is overkomen dan wel opgevallen. Zijn overgrootvader heeft, nu meer dan honderd jaar geleden, een boek geschreven Fourty-five Years of Sport en hij zegt zelf I don’t suppose I have learned or conveyed anything as useful as my great-grandfather.

Zoals gezegd: geen inhoud. Ik volsta met een aantal zaken die mij na lezing (zijn blijven) intrigeren. Daarbij moet U weten: ooit heb ik het boek De tranen van de krokodil, over de evolutie van het brein, van Piet Vroon in mijn handen gehad, een schrijver in wiens gezelschap ik mij zeer thuis voelde. Van hem is de uitspraak Ik vind dat een mens onder ogen moet zien, hoe oud hij ook is en hoeveel hij ook gestudeerd heeft, dat hij eigenlijk van de hele bliksemse bende niets begrijpt.
Een uitspraak die ik weer heel goed kan vatten.

Eerst iets over de publieke receptie.
Het boek Wij zijn ons brein van Dick Swaab, een wetenschapper niet zo bescheiden als Corballis, kreeg een recensie in The Guardian, n.a.v. de Engelse vertaling daarvan. Alhoewel de recensie kritisch mocht worden genoemd, kreeg het zeer beslist geen negatieve beoordeling. Toch heeft het Joris Luyendijk verleid tot een SOS-tweet: onze eigen Dick Swaab afgebrand in The Guardian.
Ik denk dat deze reactie iets zegt over onze verhouding met ons brein, en daarom ook iets over onze verhouding met (onze!) breinkijkers

Is er iets dat ons brein uit eigen kracht te voorschijn brengt?
Het brein werkt op prikkels, wordt geactiveerd door prikkels. Het brein kan bijgestuurd worden door opdrachten van onderzoekers, maar dat is ook weer een prikkel.
Waarbij zich een interessant fenomeen laat zien: de hallucinatie – is dat nu een waarneming zonder prikkels, of zijn het prikkels zonder waarneming?

In computertermen is ons brein een multiprocessor. Ik heb dat zelf aan den lijve ondervonden. Ik probeerde de wekelijkse woordgolf puzzel (VARA radio) op te lossen: van brood naar koren. (De spelregel is dat je per keer één letter mag vervangen in een woord zodat er een ander – bestaand! – woord wordt gevormd. Dus koren wordt bijv. koken of brood wordt broed.) Van koren naar brood is een moeilijke omdat je van twee lettergrepen naar één lettergreep moet gaan. Ik had wel een oplossing, maar die bestond naar mijn smaak uit teveel schakels. Ik sprak er op de werkplek met een collega over, die ook verzot was op dit soort puzzels. Ook hij had een oplossing gevonden, en ook hij was niet tevreden over de lengte van zijn woordgolf.
Ik stapte ’s avonds in de auto, op weg naar huis, aandacht gefocust op het verkeer, op wat er morgen weer te wachten stond, op wat mij thuis te wachten stond, en ik hield mij absoluut niet bezig met dit spelletje.
Ik rij het dorp waar ik woonde binnen, en ineens dreun ik zomaar een andere woordgolf van koren naar brood op, eentje waar ik qua lengte tevreden over kon zijn.
Sindsdien vraag ik mij af: is schizofrenie eigenlijk een soort van uit de hand gelopen multiprocessing?

Kunnen we robots voorzien van een brein zoals het onze? Ik geloof er niet in, en ik heb er meerdere argumenten voor. Maar één argument vind ik toch altijd voldoende: als we een robot willen bouwen met een menselijke geest, moet die robot onvoorspelbaar worden. En helaas, er bestaan geen onvoorstelbare programma’s. Dat is inherent aan het woord programma: het loopt een programma af.
Terzijde: deep blue, de schaakrobot die de regerende wereldkampioen Kasparov heeft verslagen deed iets wat Kasparov wel kon, maar eigenlijk niet kon omdat het niet mag: een zet terugnemen. Deep blue deed niets anders – en kon ook niet anders. Hij deed een zet – raakte vervolgens nota bene een stuk van Kasparov aan om dat te verplaatsen! – enz. en òf hij was tevreden en bracht de stelling terug tot de oorspronkelijke stelling met uitvoering van zijn eerst geplande zet, òf hij was niet tevreden, en bracht de stelling terug tot de oorspronkelijke om vervolgens een andere zet te proberen.

Hoe langer hoe meer figureren neurologen in de rechtspraak. Er wordt wel gesproken van neurolaw. De functie van de neuroloog is dan die van getuige à decharge: de verdediging onderneemt een poging om wetenschappelijk vast te stellen dat de dader dat wat hij misdaan heeft niet aangerekend kan worden – en derhalve niet veroordeeld mag worden. Deze praktijk is al zover voortgeschreden dat het in de Verenigde Staten de zorgelijke aandacht van het Witte Huis heeft gekregen.

Kun je je hoofd leegmaken?
Het is een bekend advies van goeroes.
Het is ook een bekend advies aan musici die een soloconcert geven. Maar in dat hoofd zit o.a. de muziek die gespeeld moet worden.
Daar is nog iets raars mee. Als je een stuk lang niet hebt gespeeld, zit het vaak nog steeds in je hoofd. Maar de meeste musici moeten flink studeren om het weer in de vingers te krijgen.
Terwijl er toch twee dingen zijn. Allereerst is het hoofd duidelijk in het geven van de opdrachten, maar de vingers doen niet wat het brein wil. Daarnaast is er ook zoiets als muscle memory. Studie na studie bevestigt dat, niet alleen bij musici, maar ook bij sporters etc.
Waar zit dat muscle memory, en waarom kan dat niet samenwerken met het overige geheugen.

Er zijn (nog) geen aanwijzingen dat God een speciaal plekje heeft in de hersenpan. Persoonlijk zou ik graag prioriteit zien voor verdergaand onderzoek. Ik denk dat er iets vergelijkbaars is als de blinde darm, maar dan ergens in de hersenpan. Een soort aanhangsel waar de persoonlijke god huist. En zoals je blindedarmontsteking kunt krijgen, kun je ook aan dit aanhangseltje appendicitis krijgen. Alleen, met ernstiger gevolgen. Je krijgt dan een geloofsfanaat die ten strijde trekt tegen ongelovigen en anderszins gelovigen.
Er is ook wel weer iets dat tegen deze theorie pleit, of althans de onvolkomenheid ervan aangeeft: er zijn ook niet-gelovige evolutiebiologen die ten strijde trekken tegen ID’ers en Creationisten – en ook daar is de brandstapel niet ver weg.

Het beste boek eindigt met een vreemde eend in de bijt: de vraag naar het bewustzijn, de aard van het bewustzijn (geest?) en de vrije wil; in het neurologenwereldje is zelfs sprake van cryptocartesiaanse theorieën, waarbij de pijnappelklier als verbinding tussen het fysieke brein en het geestelijke … ja, wat is dat eigenlijk, dat geestelijke?
Wat mij betreft, het denken over dat soort dingen is bij voorbaat van iedere inhoud geledigd. Maar het wordt gedacht, en het hoofd is op dat moment niet leeg.

Dat geldt zeker voor de vraag naar de vrije wil. Volgens sommige neurologen bestaat die niet, en is dat wetenschappelijk beredeneerbaar. Wat het eerste betreft ben ik geheel akkoord, of het wetenschappelijk vast te stellen is betwijfel ik.
Neurologen zouden eigenlijk juist tot de conclusie moeten komen dat er vrije wil is. Ze moeten hun proefpersonen, die toch altijd bewust aan een onderzoek meedoen, bij tijd en wijle aansporen tot focusing. Ik kan dat niet anders uitleggen dan dat de proefpersoon zelf bepaalt wanneer hij waar zijn aandacht legt.
Persoonlijk kan ik de vrije wil wel leonardiaans beredeneren. Mensen doen vaak onvoorspelbare dingen, zelfs zij die vastgeroest zitten in het patroon van de dagelijkse sfeer.
Mensen zijn eigenlijk zo onvoorspelbaar dat je ze met een gerust hart een vrije wil toe kunt dichten.

In slaap zinken

dagelijkse verticale migratie

dagelijkse verticale migratie

Ons slapen en waken en de verticale migratie van zoöplankton in de oceanen hebben eenzelfde mechanisme en oorsprong gemeen. Het gedrag van zoöplankton wordt gekenmerkt door dagelijkse verticale migratie. Hierbij migreert het plankton ’s nachts naar het oppervlak of ondiep water om zich te voeden met fytoplankton of ander zoöplankton.

Men heeft lange tijd verondersteld dat deze migratie samenhing met licht en donker. Maar het blijkt dat ook zoöplankton dat op veel grotere diepten verblijft, waar geen licht doordringt, met hetzelfde ritme op en neer migreert. Men vraagt zich al geruime tijd af hoe dit plankton kan ‘weten’ dat het moet migreren als er geen licht genoeg is om de overgang van dag en nacht te kunnen onderscheiden. Er bestaat de hypothese dat dit op grote diepte levend plankton het migreren van het zoöplankton aan het oppervlak ‘voelt’ of ‘hoort’.

Nu verscheen er recent een artikel in Cell, waarin men aantoonde dat larven van een zeeworm Platynereis dumerilii, een soort zoöplankton, migreren als gevolg van een variatie in melatonine. Het verzwakken van het licht aan het eind van de dag veroorzaakt een toename van melatonine in de zenuwcellen van het brein. Deze toename is een gevolg van een cascade van fototransductie waar net als bij de gewervelden gebruik gemaakt wordt van opsines. De larven bewegen zich voort door kleine haartjes heen en weer te bewegen. Ze bewegen gedurende de dag langzaam omhoog, maar met het toenemen van melatonine gedurende de nacht, wordt dit bewegen langzaam gestaakt en de diertjes zinken weer naar de beneden. De toename van melatonine heeft tot gevolg dat er een gestaag ritme van elektrische ontladingen ontstaat. Dit ritme overstemt de slag van de neuronen die de beweging van de haartjes controleren waardoor de beestjes zinken.

Het blijkt dat deze dieren, net als mensen, onderhevig kunnen zijn aan een jet lag. De cyclus blijft doorgaan zelfs als de diertjes tijdens hun dagritme in het donker geplaatst worden. Zoals uiteengezet in de tweede alinea, zou dit fenomeen heel goed de verklaring kunnen zijn voor het feit dat plankton op grote diepte, waar licht afwezig is, toch dagelijks verticaal migreert. Het plankton op grote diepte betreft waarschijnlijk volwassen exemplaren waarbij op jongere leeftijd de klok is afgesteld.

artemia copy

pekelkreeftje

Tot nu toe werd de rol van melatonine voornamelijk bestudeerd in gewervelden. Dit is een van de eerste onderzoeken die ongewervelden bestuderen voor wat betreft de rol van melatonine in hun gedrag. Er zijn nog meer studies nodig in andere ongwervelden. Het zal vervolgens misschien mogelijk zijn conclusies te trekken. Men stelt al wel hypothesen op over de mogelijkheid dat dit mechanisme van migratie de evolutionaire basis vormt voor ons slaapritme. Ook wij ‘verzinken’ elke nacht in een diepe slaap. Er doet zich dan een analoog fenomeen voor: de thalamus, een soort doorgang van de zintuigen naar het brein, produceert dan een gestaag ritme waardoor haar neuronen bezet zijn. Deze kunnen dan geen signalen doorgeven naar de rest van het brein.

Een ander recent onderzoek bekijkt een mogelijk effect van deze dagelijkse verticale migratie. Studies in grote tanks toonden aan dat het op en neer zwemmen van artemia salina, een pekelkreeftje, behoorlijke stromingen kunnen veroorzaken. Deze studie pleit er voor dat een dergelijk fenomeen als parameter meegenomen zou moeten worden in modellen over het klimaat dat immers bepaald wordt door oceaanstromingen.

Al deze ideeën en gegevens samen doen de gedachten toch weer teruggaan naar het beroemde boekje Gaia van James Lovelock; het klimaat van onze planeet hangt wellicht af van het slaap- en waakritme van haar organismen.

Bekijk ook deze prachtige video over plankton:

Uit:

Cell: Melatonin Signaling Controls Circadian Swimming Behavior in Marine Zooplankton (free access)

New York Times (Carl Zimmer)

Scitable by Nature Education: What Makes Plankton Migrate?

Science News: Can sea monkeys stir the sea?

Verhalen over de pijnappelklier

 

Niet lang geleden kwam er een blogartikel voorbij dat niet echt recent was, maar voor mij wel veel nieuws bevatte. Dat er veel mysterie bestaat rond de pijnappelklier is al langer bekend, en veel verhalen erover dateren van duizenden jaren terug. De pijnappelklier bevindt zich (bij de mens) behoorlijk centraal in het brein, tussen de twee hersenhelften waar het deel uitmaakt van de epithalamus. De pijnappelklier is een intrigerend orgaan: het afscheiden van melatonine door deze klier bepaalt het dag-, nachtritme. Deze afscheiding is een gevolg van het verminderde blootstaan van het netvlies aan licht. Met het ontvangen van licht door het netvlies, wordt de productie van melatonine geïnhibeerd. Oorspronkelijk was deze klier geassocieerd met een derde oog, of parietaaloog. In sommige fossielen vindt men nog een holte terug. Veel hagedissen en kikkers bezitten dit laatste orgaan nog steeds. Dit oog is altijd door huid bedekt in de nu levende soorten, maar is nog steeds gevoelig voor licht dat ook hier de productie van melatonine inhibeert. De melatonine is bij amfibieën bepalend voor de snelheid van metamorfose.

Surrealist Angel Dali

zonder titel – Salvador Dalì

DMT (N, N – Dimethyltriptamine)  is een verboden drug dat veel voorkomt in bepaalde planten en waarvan in Zuid-Amerika een drankje wordt gebrouwen. Het wordt evenwel ook aangemaakt door zoogdieren waaronder de mens en lijkt op neurotransmitters als serotonine. Waar het precies aangemaakt wordt, in welke weefsels, is niet duidelijk aangetoond. Medisch onderzoeker en psychiater Richard Strassman deed er veel onderzoek naar en schreef er een boek over. Hij beweert dat de pijnappelklier er de belangrijkste producent van is. Hij onderzocht de effecten van toediening van DMT aan 11 vrijwilligers. Deze proefpersonen experimenteerden voornamelijk hetzelfde soort hallucinaties. Ze zagen kleurrijke en prachtige beelden, voelden geen onderscheid meer tussen zichzelf en de kosmos en beschreven hun ervaringen als een van de belangrijkste in hun leven. Ze spraken allemaal van de aanwezigheid van elven en buitenaardse wezens, waarvan zij vaak meer de aanwezigheid voelden dan ‘zagen’. Strassman veronderstelt dat onze pijnappelklier DMT afscheidt en daarmee het dromen stimuleert. Zijn boek ‘DMT: The Spirit Molecule: A Doctor’s Revolutionary Research into the Biology of Near-Death and Mystical Experiences’ heb ik niet gelezen, en ik weet dus niet wat hij beweert over de bijna-dood ervaringen. Maar het blogartikel naar aanleiding waarvan dit blogbericht tot stand kwam, schetst de hypothese dat de pijnappelklier niet alleen de producent van DMT is. De klier zou tijdens de laatste minuten tot seconden van de dood het brein overspoelen met DMT en de stervende zou op dat moment dezelfde mooie ervaringen hebben. Als toegift en fantasierijke hypothese staat er in het blogartikel dat gedurende de laatste seconden waarin het brein nog actief is, de drug een dilatatie van tijd doet ervaren, waardoor de stervende het idee krijgt in een eeuwigheid te verkeren.

Dit is het nieuwste verhaal dat er te horen is over bijna-dood ervaringen. Wat mij betreft één van de zovele verhalen. Vooralsnog is er niet aangetoond dat de pijnappelklier in het bijzonder DMT produceert. Recent onderzoek van Strassman zou hebben aangetoond dat in de rat de pijnappelklier relatief hoge concentraties van DMT aanwezig zijn. Het zijn voorlopig allemaal junkverhalen.

 

Uit:

Archives of General Psychiatry (experimenten toediening DMT aan vrijwilligers)

Biomedical Chromatography (DMT in de pijnappelklier van de rat)

Blog by Jesse Davis (Het blogartikel)

Science (DMT is endogeen en heeft een eigen receptor)

Wikipedia

Derde en laatste deel van een verkenning van Biofysica

Een overzicht van de laatste groep van zes hoofdstukken uit het boek ‘Physics in Mind; a quantum view of the brain’ van Werner R. Loewenstein (2013)

Werner R. Loewenstein

Werner R. Loewenstein

Het kan al meteen verklapt worden: behalve in de zintuigen als visie is er in het brein zelf geen direct bewijs van kwantummechanica aangetroffen. Loewenstein licht dit uiteraard uitgebreid toe en laat zien hoe het brein wel gebruikt maakt van parallelle computatie. Dit zou een indirecte bewijs zijn van kwantum computing en betekent volgens hem dat het brein er dus wel gebruik van maakt. Het probleem lijkt te zijn dat de metingen door ruis overstemd worden.

Hij schildert in dit deel van het boek de anatomie van het brein af. Daarbij geeft hij veel belang aan de weergave van de ons omringende werkelijkheid. Hij benadrukt nog eens dat wat ons brein uit de ons omringende wereld haalt wellicht niet een totaal en compleet beeld is van de werkelijkheid, maar dat dit beeld er op gericht is en optimaal is om ons te doen overleven in ‘the struggle for life’.

Hij behandelt nog eens het zicht en hoe zich daarin stereovisie ontwikkelde. In het algemeen geldt voor de zintuigen dat wat rechts waargenomen of gevoeld wordt verwerkt wordt in de linkerhelft van ons brein. Dit is bekend, maar minder bekend is dat het een evolutionair overblijfsel is van de tijd waarin de zintuigen slechts dienden om obstakels te vermijden en te ontwijken, die werden aangestuurd door spieren in de tegenoverliggende lichaamshelft. (Wellicht zoiets als roeien met de rechter peddels wanneer je naar links wilt varen). Vervolgens wordt aangekaart hoe als gevolg van een veelzijdige en overvloedige input, de informatie in parallel verwerkt wordt. Zo worden er veel computaties tegelijk uitgevoerd, een totaal andere wijze dan die waarmee onze computers werken, waarin informatie in sequentie verwerkt wordt. Parallelle computatie is snel en is voordelig voor wat betreft de kosten aan informatie. Het is waarschijnlijk dat evolutie hiervoor koos precies vanwege de snelheid en zuinigheid en het is daarom te verwachten dat het al vroeg zijn intrede deed zoals bij wormen die slechts zo’n honderd neuronen bezitten. Sequentiële computatie zou veel te langzaam zijn en zou een wereld van luiaards opleveren. De snelheid is bijzonder hoog in het zintuig zicht en kan zeker niet van sequentiële computatie afhangen.

Het is belangrijk te beseffen dat het brein geen ‘plaatje’ heeft van de zichtbare wereld vergelijkbaar met fotografie. Er is absoluut geen sprake van een compositie van pixels. Er worden contrasten aangescherpt, bewegingen geaccentueerd. Bovendien bestaan er cellen in de visuele cortex die bijzonder gevoelig zijn voor de oriëntatie van de dingen in de buitenwereld. Daarin wordt onderscheid gemaakt tussen wat verticaal, horizontaal en dwars geplaatst is. Ook lijkt het of er slechts één cel is (neuron) die in staat is een bepaalde ‘gestalt’ of gelaat te herkennen (zie “Grandmother Cell”). In werkelijkheid gaat het om meerdere samenwerkende cellen. Een groepje van 25 neuronen was in staat te reageren op één gezicht van de 3.000 die getoond werden. Deze codering is een gevolg van het leren herkennen van gezichten ofwel ‘imprinting’. In de stroming van informatie naar deze cellen wordt betekenisloze informatie onderweg verloren, terwijl betekenisvolle informatie wordt bewaard. Maar wat is betekenisvol of wat bedoelt men met betekenis? Betekenis wordt gegenereerd door de neuronen. Filosofen zijn eeuwenlang bezig geweest de vraag over wat ‘betekenis’ is te beantwoorden. Richard Feynman (met een knipoog naar de vraag of filosofie nuttig is) merkte op dat wetenschapsfilosofie net zo nuttig is voor wetenschappers als ornithologie voor vogels.

Over het bewustzijn weten we niets. Ook Loewenstein kan er niets over zeggen. Er bestaat niet eens een duidelijke definitie van. Het is meer een gevoel van besef van het bestaan van een wereld buiten ons en binnenin ons, een gevoel met een eindeloze hoeveelheid nuances. Het is een gevoel van herinnering aan dingen – een geliefd gezicht, de aanraking van een verdwenen hand, het geluid van een stem die er niet is. Het is een besef van de tijd die verstrijkt, van geluk en verdriet, van verwondering en verlangen – het hele ik. Het bewustzijn is het hoogtepunt van informatieverwerking en computing. Het zou niet in je opkomen een computer te vragen of hij gelukkig is of spijt heeft bijvoorbeeld. Er blijft een diep gat tussen digitale informatieverwerking en bewustzijn.

Voor wat betreft het bewustzijn en kwantuminformatie zijn er verschillende theorieën. Is de decoherentie ofwel het instorten van kwantumgolven verweven met de observatie door een bewust wezen? Of wordt decoherentie veroorzaakt door andere binnenvallende deeltjes (fotonen van de zon of afkomstig uit diepere gebieden van de ruimte, of moleculen in de lucht of in het water? Decoherentie was een belangrijk onderwerp in de filosofie en wel de kennistheorie. Loewenstein vertelt dat decoherentie spontaan plaatsvindt, er is geen menselijke waarnemer voor nodig. Decoherentie heeft dan ook niets met bewustzijn te maken. De hypothese over kwantummechanica in de microtubulen van het brein komt ook te vervallen. Deze eiwitstructuren gaan niet verder dan het membraan, er is dus geen intercellulaire continuïteit. Ook theorieën betreffende de gap-junctions zijn onhoudbaar, ze zitten vol water en ionen die direct decoherentie zouden induceren.

De conclusie is dat aangetoonde kwantummechanische fenomenen niet verder gaan dan de fotosynthese en het zintuig zicht. De keus van evolutie werd bepaald door hetgeen beschikbaar was in de Aardse ruimte. Dat waren twee energievelden – een veld van elektronkwanta en een veld van fotonkwanta – en daar waar de velden overlapten was informatie gratis beschikbaar. Evolutie kon deze aanbieding niet weerstaan. Het neuronale netwerk van ons brein kan met twee computatie manieren werken: een kwantummanier waarin kwantumgolven het substraat vormen en de macroscopische manier waarbij grote pakketten ionen het substraat vormen. De eerste manier dient voor parallelle computatie en de tweede voor de integratie van de lagere orde van polynomiale computatie. Daarbij is de kwantum manier economischer voor wat betreft de informatie en was waarschijnlijk eerder op het bioevolutionaire toneel, lang voordat de twee manieren gingen samenwerken.

Het gaat er vanaf nu dus om de kwantumgolven in de hersencentra aan te tonen en op een of andere manier het probleem van de ruis te overkomen. Er wordt momenteel veel onderzoek gedaan met moelculen die kwantumboolians kunnen genereren. Daar wordt zeker en snel vooruitgang in geboekt.

Loewenstein besluit met:

“So, all things considered, there are reasons to be optimistic, though I am reminded of what chairman Mao said in the 1960s when asked what he thought of the French Revolution: “It’s too soon to tell”.”

 

h/t to Gert Korthof die onder mijn blog over Kwantumbiologie wees op dit boek.

 

Deel twee van een verkenning van de biofysica

Een overzicht naar aanleiding van de tweede groep van zes hoofdstukken uit het boek ‘Physics in Mind; a quantum view of the brain’  (2013) van Werner R. Loewenstein

Dit deel beschouwt de drijfveer van evolutie ofwel mutatie. Vervolgens de ionenkanalen of digital demons die de neuronale ontwikkeling mogelijk maakte en daarmee de opkomst van het bewustzijn. Computing door computers en door neuronen. En uiteindelijk het specifiek menselijke, de ontdekking van de diepe werkelijkheid ofwel de rede.

Een getrouw beeld van de werkelijkheid (Paul Cezanne: Mont Saint Victoire)

Een getrouw beeld van de werkelijkheid? (Paul Cézanne: Le Mont Sainte-Victoire)

Loewenstein beschouwt de eiwitten als de driedimensionale extensie van het eendimensionale genoom. Het DNA is slechts een opslag van informatie en heeft eigenlijk geen enkele rol in cognitie. De eiwitten die erdoor gecodeerd worden vormen de driedimensionale cognitieve demons die de spil vormen van de vector van het leven: het opvangen van kwantums en het doorgeven van hun energie via de eiwitdemons in de reële driedimensionale wereld.

Het is desalniettemin het DNA dat aan de basis staat van de mutaties die de drijvende kracht achter de evolutie van complexiteit vormt. Mutaties zijn random. Ze worden veroorzaakt door random fotonen met hoge energie of door reactieve moleculen uit de omgeving waarin het DNA ligt. De Uv-straling, X- en γ-fotonen zijn de kwantum generatoren van mutaties. Deze fotonen kunnen de basen in het DNA beschadigen of indirect reactieve moleculen creëren die daarop met het DNA reageren. Ze zijn vrij zeldzaam omdat het DNA redelijk goed beschermd is tegen Uv-straling door het water in de cellen en omdat X- en γ-fotonen zeldzaam zijn. Bovendien wordt de schade zo goed mogelijk gerepareerd door reparatie-enzymen. De mutaties die hieraan ontsnappen, komen mogelijk via het RNA in de eiwitten terecht. Na een aantal berekeningen komt Loewenstein uit op een probabiliteit van 0.91 error-free transmission voor een proteïne van 1000 aminozuren. Hij beschouwt dit als hoog omdat het veel hoger ligt dan men zou verwachten uit statistische mechanica en dit is te danken aan de reparatiemechanismen. De cognitieve proteïnen en katalytische enzymen staan onder selectieve druk. Daarom is op basis van het niet coderende DNA of DNA dat codeert voor proteïnen met mechanische functie, uitgerekend dat het ‘mutatieritme’ per gen elke 200.000 jaar een nieuwe proteïnevariant voortbrengt. Als mensen zien wij hier dus weinig van, we zijn er ook nog maar kort, de meeste van onze genen bestonden al toen wij op het toneel verschenen. Deze genen waren reeds geoptimaliseerd door natuurlijke selectie. Deze fine-tuning is de ultieme functie van de random kwantum generator en zal nooit stoppen. Alles dat deze generator voortbrengt wordt in de driedimensionale wereld getest in competitie met andere mutanten.

Behalve de kwantum generator van mutaties is er een tweede generator van mutaties die alles te maken heeft met duplicaties en exon shuffling. Deze opereert naast de kwantum generator maar bezit daarentegen geen vast ritme. Hij gaat met sprongen te werk. Deze mutaties versnellen de moleculaire complexiteit enorm. De gedupliceerde DNA-fragmenten of genen kunnen door de kwantumgenerator verder af- of bijgesteld worden (fine-tuning) waardoor gedupliceerde genen kleine verschillen bezitten. Een voorbeeld daarvan zijn de vier verschillende rodopsinen van het zicht die elk een verschillende golflengte optimum bezitten. Ook belangrijk zijn composities van lange genen door het achter elkaar schakelen van duplicaten. Deze worden gekenmerkt door introns en zijn van groot belang voor de evolutie van hogere cel organisatie. Ze zouden wel eens aan de wieg van de meercellige organismen hebben kunnen staan.

Tot slot werken deze generators gratis. De kwantumgenerator betrekt informatie uit de kosmos (fotonen) en de tweede generator combineert al deze stukken DNA. Ze halen alles uit het DNA dat er in zit. Bovendien, zodra de driedimensionale spelers (de eiwitten) aan de beurt komen is er geen extra informatie nodig. Het vouwen van de proteïnen is helemaal afhankelijk van hun sequentie in aminozuren, ze vallen als vanzelf in hun basisconfiguratie.

Een ander kwantumaspect van de biologie betreft de metalloproteïnen zoals het cytochroom c. In het centrum van dit eiwit bevindt zich een atoom ijzer dat elektronen doorgeeft en waarbij de elektronen door een deel van het eiwit tunnelen. Men heeft lang gedacht dat het een puur chemisch proces was, maar John Hopfield toonde in 1977 aan dat het om electron tunneling gaat. Dit is een heus kwantumfenomeen en brengt een extreem hoge snelheid en efficiëntie voort. Deze door evolutie gegenereerde ‘uitvinding’ vormde ooit een hoogtepunt in elektrische transmissie. De metalloproteinen zijn zeer overvloedig aanwezig en ook sterk geconserveerd. Maar met het ontstaan van meercelligheid kon dit principe niet werken omdat de afstanden waarover getunneled zou moeten worden te groot zijn. Voor de transmissie van elektrische impulsen in neuronen kon dit systeem dus niet volstaan. Met de groei van de eerste neuronen heeft evolutie digital demons uitgevonden. Het zijn de ionenkanalen die dubbele cognitieve eenheden zijn: ze kunnen zowel onderscheid maken tussen de verschillende ionen als tussen de lokale voltages in het membraan. Ook hier zijn er geen informatiekosten aan verbonden. De passage van de ionen hangt af van het gradiënt dat door het metabolisme van de cel in stand wordt gehouden. De gevoeligheid voor het voltage is ingebouwd in het kanaal door middel van een sensor in de structuur van het eiwit. Het kanaal opent wanneer het membraanvoltage een bepaalde drempel bereikt. Het kanaal staat open of dicht, laat ionen door of niet en is daarmee een digital demon. Deze demons zijn nieuwkomers op het evolutionaire toneel, maar hadden groot succes. Dat is te zien aan hoe massaal ze voorkomen in de neuronen. Ze staan aan de basis van de snelle en efficiënte propagatie van het digitale elektrische signaal langs de neuronen. Daar zijn grote afstanden mee gemoeid en snelle computatie kan zo plaatsvinden.

Digital demons langs pijn-registrerende periferische neurons Uit Nature

Digital demons langs pijn-registrerende periferische neurons Uit Nature

De ontwikkeling van deze laatste demons liet de schijnbaar onbedwingbare ontwikkeling toe van het zenuwstelsel, en daarmee van het bewustzijn. Ook bewustzijn, waarvan wij denken daar het primaat van te bezitten, ontwikkelde zich langzaam. Het is zeker uitsluitend voorbehouden aan organismen met neuronen, maar wanneer en in welke dieren het precies verscheen is onduidelijk. De eerste neuronen zullen er twee of drie geweest zijn die samen informatie loops vormden en verantwoordelijk waren voor snelle reflexen. Enkele nazaten daarvan vinden we nog in de wervelreflex. Het aantal neuronen nam toe en vormde al gauw een neuronaal netwerk dat een geheugen en computercapaciteit had. Dit moet gezien worden in de tijdvector waarbij informatie uit het verleden het mogelijk maakt de toekomstige situatie in te schatten. Kortom het neuronale netwerk wordt een anticipeermachine. Om verwarring te voorkomen gaat dit niet over foresight in evolutie of foreseeing (voorspellen van) de toekomst, maar over forecognition. Deze kwaliteit is van groot belang in ‘the struggle for life’ en laat het toe een speer te lanceren naar een prooi, de aankomende seizoenen te herkennen aan de sterren of te zien dat er slecht weer op komst is. Loewenstein brengt na een uitgebreide beschrijving van de Universal Turing Machine, de conclusie naar voren dat ons brein geen exacte weergave van de realiteit geeft. Ons brein is een natuurlijke computer die gevormd is door natuurlijke selectie en die dient te overleven in ‘the struggle for life’. Het brein ontwikkelde zich om toekomstige gebeurtenissen te berekenen, en er op te anticiperen. Het brein dient niet zozeer een getrouw beeld van de wereld te geven, maar een bruikbaar beeld, bruikbaar voor het overleven en het welzijn van het organisme.

De enorme hoeveelheid aan informatie in ons geheugen zorgt ervoor dat er een immens groot aantal combinatorische mogelijkheden zijn die een nimmer ophoudende bron van inventiviteit vormen. Die capaciteit ontwikkelde zich zeer recent in de evolutie, wellicht niet eerder dan 40.000 jaar geleden met de verschijning van de Cro Magnon en zijn instrumenten. Dit vormt het laatste stadium van het neuronale netwerk. De mens kon zich eindelijk verheffen boven de zintuigelijke horizon en dingen zien die daarvoor aan hem verborgen waren. Het gaat dan niet om visueel zien, maar het zich bewust worden van een diepere realiteit, pure rede, the mind’s eye. Het is mogelijk uitsluitend met de rede wetenschappelijke ontdekkingen te doen.

h/t to Gert Korthof die onder mijn blog over Kwantumbiologie wees op dit boek.

Een voorzichtig begin in biofysica

Een overzicht gebaseerd op de eerste zeven hoofdstukken uit het boek ‘Physics in Mind; a quantum view of the brain’ (2013) van Werner R. Loewenstein

De vector van leven, zoals deze door Loewenstein genoemd wordt, is gebaseerd op het licht dat ons bereikt vanaf de zon. We weten al langer dat het zonlicht fotosynthese mogelijk maakt en dat dit de basis voor het leven vormt op Aarde. Maar de beschrijving van de mechanismen die daar aan ten grondslag liggen, uitgespeld tot op het kwantum, is een geheel nieuwe benadering van dit fenomeen.

Een artistieke weergave van het Light-harvesting complex van de purple bacteria

Figuur 1: Een artistieke weergave van het Light-harvesting complex van de purple bacteria

In de ontvangers van het licht, chlorofyl en β-caroteen, ofwel moleculaire ‘vallen’ liggen de elektronen als het ware klaar om geëxciteerd te worden door fotonen, ofwel de lichtkwantums. Dit brengt vervolgens een cascade aan moleculaire verschuivingen voort die de excitatie van de elektronen omzet in energie die vervolgens bruikbaar is voor het in gang zetten van het metabolisme dat de groei van de fotosynthetische organismen bevordert en het leven op Aarde draaiende houdt. De informatievector vanuit de kosmos vormt, eenmaal gearriveerd op Aarde, een circulaire vector zodra de informatie deel gaat uitmaken van het leven. Deze informatiecirkels liggen ingebed in het macromoleculaire domein. Er zijn mooie voorbeelden van macromoleculen die verantwoordelijk zijn voor de circulaire informatiestroom.

Deze macromoleculen worden door Loewenstein ‘demons’ genoemd naar de bekende Maxwell’s demons. Het vergt teveel ruimte om de Maxwell demon hier te beschrijven, maar een kort schema van een dergelijke demon is het volgende. Het gaat om een eiwit en een substraat die als een handschoen om een hand past en wel met zo’n hoge specificiteit (hij selecteert het substraat uit een myriade aan andere moleculen) waardoor men kan spreken van ‘cognitie’, dat wil zeggen een selectie uit verschillende keuzes en een winst aan informatie, een netto voordeel. Zoals te zien is in figuur 2 verandert de demon van gestalt als gevolg van de interactie met het substraat dat daardoor weer loslaat. Om opnieuw terug naar af te gaan en gestalt 1 te hervinden wordt een ATP geconsumeerd. Dit adenosine trifosfaat is het universele biologische betaalmiddel dat via fotosynthese gegenereerd wordt door de zon. Kortom de informatie van de zon wordt via ATP overgedragen aan de demon, reden waarom het een cognitieve entiteit genoemd kan worden.

Figuur 2: De cognitieve cirkel van een eiwitdemon. De demon (D) en zijn moleculaire gezel (M) gaan door een cirkel (a>b>c>d>a) waarin elektromagentische interactie met de gezel een switch veroozaakt van gestalt 1 naar gestalt 2; informatie onttrokken aan het organisch fosfaat (Ip) laat de terugkeer naar de oorspronkelijke gestalt 1 toe.

Hier ziet Loewenstein de evolutionaire continuïteit tussen het kosmische en het biologische. Het is moeilijk aan te wijzen waar het een eindigt en het ander begint, maar Loewenstein stelt voor de biologische start te leggen bij de driedimensionale macromoleculaire demons (RNA; ribozymen?). Deze levensvector zal doorgaan totdat de zon over vier miljard jaar opgebrand is.

Tot zover de proteindemon in het algemeen. Van deze demons bestaan veel soorten. Zo zijn er sensory demons die van belang zijn voor het zicht, de reuk, het gehoor enz., of kanaaldemons zoals de ionenkanalen. De eerste halen informatie op uit de omgeving, daarbij worden boodschapper moleculen gestuurd naar de tweede die deze informatie digitaliseren om hem door te geven aan het brein. Het mooiste voorbeeld is het oog. Het kan daarbij gaan om een klein aantal lichtgevoelige cellen in een schelpdier, maar we kunnen net zo goed uitgaan van het menselijk oog. De kwantums die door het oog opgevangen worden zijn fotonen. Fotonen kunnen al naar gelang hun golflengte lopen van de extreem korte γ-stralen (0.01 nanometer) tot de kilometers lange radiogolven. Maar onze ogen zijn ‘natuurlijk’ uitsluitend gevoelig voor het zichtbare deel dat loopt van 400 nanometer in het paars via alle tussenkleuren als geel en oranje rond de 600 nm tot 720 in het paars-rood. Onze ogen zijn gebouwd voor de waarneming, niet zozeer van het zonnelicht zelf, als van het licht dat weerkaatst uit onze omgeving. Een foton dat van de zon richting Aarde komt, wordt door een atoom geabsorbeerd zodra een elektron met een overeenkomende hoeveelheid energie naar een hoger orbitaal verhuist. Het foton verdwijnt daarmee, wordt virtueel en verschijnt weer zodra het elektron terugvalt naar het lagere orbitaal. Nu zijn ogen heuse kwantumsensoren. Wij ‘zien’ uitsluitend die fotonen die niet geabsorbeerd worden, dus gras absorbeert rood licht en wij zien het resterende groen.

Hoe onttrekken de demons van het zicht informatie uit de kwantumwereld en hoe maken ze elektriciteit van fotonen. Het werkt in elk geval niet zoals een fotocel die elektrisch stroom levert zodra er licht op valt. Daar vindt namelijk eenvoudige transductie plaats: één foton valt op de cesium plaat en een elektron komt eruit. Dit heeft weinig met cognitie te maken. Ieder foton is daarvoor geschikt. Een zichtdemon kiest zijn foton al naar gelang de golflengte, een blauwe of juist een rode. De demon maakt daarvoor gebruik van het pigment retinal, met alternerende dubbele en enkele verbindingen. Dit lijkt erg op caroteen, het primordiale fotopigment. Inderdaad, ons lichaam maakt retinaal aan van een caroteen, vitamine A. En net als in de antieke foton-‘vallen’, chlorofyl en β-caroteen, bezit het retinal elektronen die kritiek geplaatst zijn zodat ze fotonen kunnen vangen van een bepaalde golflengte. Het eiwit van de demon waarin het retinal gecentreerd ligt is rodopsine, dat afgesteld is op zichtbare golflengten. Het retinal ligt gedraaid rond een van haar dubbele bindingen en zodra het een foton vangt gaat deze draaiing eruit. Dit is een foto-mechanische transductie; het foton zorgt ervoor dat het retinal beweegt. Omdat het retinal ingebed ligt in het rodopsine en er aan gelinkt is wordt deze beweging doorgegeven aan deze demon. Deze stuurt daarop de messengers die op hun beurt andere demons activeren; het signaal wordt geamplificeerd. Dit hele proces van activatie van retinal tot die van rodopsine is uiterst efficiënt en duurt 200 femtoseconden met een efficiëntie van 0.7. Deze waarden zijn ongehoord in de gewone chemische reacties en behoren daarmee exclusief tot het kwantumrijk.

Verandering van conformatie van retinal onder invloed van licht. "RetinalCisandTrans" by RicHard-59 - Own work. Licensed under Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 via Wikimedia Commons –

Verandering van conformatie van retinal onder invloed van licht. “RetinalCisandTrans” by RicHard-59 – Own work. Licensed under Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 via Wikimedia Commons

Het is voor de evolutie van ons oog en dan in het bijzonder van rodopsine interessant te onderstrepen dat de gevoeligheid voor de golflengtes precies daar ligt waar de zonnestralen het meest van leveren, namelijk het zichtbare deel tussen de 720 en 400 nm. De hoogste sensibiliteit van retinal ligt rond geel ofwel 590 nm, daar ligt ook de sterkste zonnestraling. Wij zien dan ook geen fac-simile van de werkelijke wereld maar een discriminerend plaatje dat ons helpt in ‘the struggle for life’. De overeemkomst in quanta van het elektromagnetische veld (de fotonen van de zon) en de quanta van de atomen (de elektronen orbitalen) geeft gratis informatie over de omgeving, die wij daardoor kunnen zien.

Omdat dit boek boordevol informatie staat tot dusver een samenvatting van de eerste zeven hoofdstukken van ‘Physics in Mind’. Wordt vervolgd.

h/t to Gert Korthof die onder mijn voorgaande blog over Kwantumbiologie wees op dit boek.

 

De rol van epigenetica en stress

Experiment #2 toont aan dat stressgevoeligheid niet genetisch maar epigenetisch is. (Jay Smith DISCOVER)

Epigenetica bestudeert de moleculaire veranderingen op (=-epi) het DNA. Het is een onderwerp waar veel discussie over bestaat aangezien deze veranderingen door velen als erfelijk worden beschouwd. Dit zou betekenen dat deze alteraties van het DNA ook doorgegeven worden aan de volgende generatie. In een voorgaand blog werd dit al behandeld naar aanleiding van een artikel in Cell dat aantoonde dat methylatie van het DNA, de belangrijkste factor, zo goed als gewist wordt in de eerste stadia van het embryo. Hoe is het dan mogelijk dat sommige eigenschappen die geen genetische basis hebben toch doorgegeven lijken te worden?

Er verscheen recent een interessant overzicht over epigenetica en stress. Dit artikel in Discover Magazine geeft niet precies aan of het doorgeven van de kenmerken aan de volgende generatie werkelijk plaatsvindt. Er worden veel voorbeelden aangehaald van eigenschappen die lijken samen te hangen met blootstelling van de moeder en zelfs grootmoeder aan honger of alcoholmisbruik. Maar het is daarin niet duidelijk of het de zwangere moeder is die blootgesteld werd aan chemicaliën of traumatische gebeurtenissen of dat ze reeds voor de bevruchting in aanraking kwam met deze factoren.

Het interessantste gedeelte uit dit overzichtsartikel betreft experimenten met muizen, uitgevoerd door Meaney en Szyf. Het bleek al in de jaren 50 dat door mensen geaaide muizen veel meer zorg hadden voor hun jongen. Meaney en Szyf onderzochten dit en het bleek dat hoe meer de muizenmoeder zich bezig hield met verzorging en likken van de kroost, hoe minder stress hormonen er vervolgens aanwezig zijn in de volwassenen van deze eerste generatie.

Er bleken verschillen te zijn op niveau van het DNA, maar niet op de sequentie zelf als wel bovenop het DNA. Deze epigenetische veranderingen kunnen bestaan uit methylatie van Cytosine (één van de 4 nucleotiden van het DNA) maar ook uit methylatie en acetylatie van de histonen. Daarbij onderdukt methylatie de expressie van de genen. Dus hoe sterker een gen gemethyleerd is hoe minder het tot uitdrukking komt.

Werden verzorgende moeders vergeleken met ‘slechte’ moeders dan bleken de genen voor de glucocorticoïd receptor sterker gemethyleerd te zijn in de ‘slechte’ moeders. De receptoren worden in de ‘slechte’ moeders minder afgeschreven en de volgende generatie is nerveuzer. Om aan te tonen dat deze resultaten niet toe te schrijven waren aan de genen zelf, werden de babymuizen verwisseld. De babymuizen van verzorgende moeders kwamen terecht bij de onverschillige moeders en groeiden op als nerveuse volwassen en de babymuizen van de onverschillige moeders groeiden op als rustige muizen bij hun verzorgende adoptieve moeders. Nu kwam het erop op aan te onderzoeken of de methylatie inderdaad verantwoordelijk was voor dit gedrag. Er werd daartoe Trichostatin A geïnjecteerd in de breinen van de muizen. Dit goedje verwijdert methylgroepen en alle dieren gedroegen zich rustig.

Het artikel “Epigenetic programming by maternal behavior,” werd door Meaney and Szyf in Juni 2004 gepubliceerd in het wetenschapsblad Nature Neuroscience.

Let wel, het gaat hier om postnatale erfelijkheid, dus niet om werkelijke erfelijkheid via de geslachtscellen. Het is het gedrag van de moeder dat in de babymuizen epigenetische veranderingen veroorzaakt.

Een aantal studies toonde aan dat zelfmoordplegers een hoge methylatie van bepaalde genen in de hippocampus hebben, een breingebied verantwoordelijk voor geheugen en reactie op stress. Waren de zelfmoordslachtoffers als kinderen misbruikt dan vond men in de hersenen een overmaat aan methylatie.

Afgelopen jaar publiceerde Szyf weer een studie over 14 kinderen in een weeshuis en 14 kinderen van biologische ouders. Er werd (in het bloed) duidelijk meer methylatie gevonden voornamelijk in genen die belangrijk zijn voor communicatie en de ontwikkeling van de hersenen.

Nestler toonde aan dat mannetjesmuizen die blootstonden aan stress als gevolg van gevechten en ‘pesten’ babymuizen verwekten die daarna ook stressgevoelig waren. De vaders kwamen nooit in contact met de kleine muizen. Vooralsnog is voor dit resultaat geen verklaring. Tot nu toe is namelijk aangetoond dat de methylatie in de geslachtscellen uitgewist wordt, ook al zou dit wissen niet perfect zijn en zou een gen eraan kunnen ontsnappen.

Het lijkt erop dat stress bij de moeder een belangrijke factor is in het gedrag van de kroost. Het is al langer bekend dat goede zorg belangrijk is in de opvoeding ook bij de mens. Ziekten als depressie, angst en post-traumatische stress zouden genezen kunnen worden met medicijnen die de graad van methylatie in het brein beïnvloeden. Het zal wel uiterst lastig zijn om niet ook de ‘normale’ methylatie van andere genen aan te tasten.

Uit: DiscoverMagazine.com

Altruisme in de mens

Afgelopen donderdag hield Telmo Pievani, filosoof van de biologie, een korte lezing over altruïsme. Hierin bekeek hij in vogelvlucht de evolutie van het altruïsme in de mens. Er waren ook twee andere sprekers waarover later meer. Het publiek bestond voornamelijk uit wat oudere mensen waarvan veel vrouw.

wederkerig-altruisme-klantgedrag

Altruisme ?

Hij ging terug tot de oorsprong, en stelde nog maar eens duidelijk dat alle nu levende organismen een gemeenschappelijke voorouder hebben. Dit houdt ook in dat de mens, die een gemeenschappelijk voorouder met de chimpansee heeft, dus niet afstamt van deze laatste die net zo lang de tijd heeft gehad te evolueren als wij. Het is altijd goed om dat nog eens duidelijk te maken want velen denken nog steeds dat we van de aap afstammen.

Hij vertelt daarna dat natuurlijke selectie werkt op het individu en het voordeel voor het individu selecteert. Er bestaat ook selectie op niveau van de groep. De individuen die profiteren van de voordelen van de groep maar niet meewerken worden ook wel ‘free riders’ genoemd. Pievani noemde met veel nadruk het voorbeeld van de belastingontduikers. Zij benutten alle voordelen van de maatschappij zonder er aan bij te dragen. Het is waarschijnlijk dat zijn opmerking hard aankwam omdat hij er duidelijk bij vertelde dat dit gedrag niet rendabel is. De ‘cheaters’ worden in een groep hard aangepakt en/of buitengesloten. Het moet dan wel om uitzonderlijk gedrag gaan. In Italië zou dat dus niet werken want een bijzonder groot percentage van de Italianen is belastingontduiker.
Hij merkte verder op dat we coöperatief zijn maar dat we individuen blijven. De tijd begon te dringen en er volgden nog korte opmerkingen over wat voor mij de belangrijkste punten waren. ‘Kin selection’ wordt na decennia lange discussies nu door de meesten gezien als altruïsme dat geldt voor sociale insecten en niet zozeer voor andere dieren ook wanneer deze in groepen leven. Hij vervolgde met het idee van exaptatie en stelt dat we vanuit de evolutie alle instrumenten meekregen om om altruïsme te ontwikkelen. Ondanks alle cultuur die we inmiddels bezitten, ziet hij de mens als een ambivalent wezen dat als een moordlustige of als een empathische aap moet worden gezien.

Daarna kwam Alberto Voci, professor in Sociale Psychologie aan het woord. Hij vertelde dat altruïsme een voordeel kan betekenen voor een andere persoon en tegelijkertijd egoïstisch van aard kan zijn. Dat heeft veel te maken met onze empathie waardoor we met iemand medelijden hebben en hem of haar helpen om ons eigen (mede)lijden te verlichten. Er bestaan vele vormen van altruïsme die een egoïstische basis hebben. Puur altruïsme bestaat niet. Daarna sprak Francesco Violante, neuroloog. Hij liet zien hoe de neuronale netwerken van genot en welzijn gestimuleerd worden door sociale wisselwerking en altruïsme wanneer we voor anderen zorgen. Er komt oxytocine en vasopressine bij vrij en er ontstaat een neurochemisch welzijn.

Al deze mechanismen baseren zich op empathie en altruïsme. Een ander facet van empathie is dat het mogelijk is de ander pijnlijk te treffen juist omdat door empathie de zwakke plekken van de ander bekend zijn. Uiteindelijk werd ook de Dalai Lama geciteerd: “Als je een intelligente egoïst wilt zijn, maak dan de anderen gelukkig”.

Aantekeningen uit de lezing over Altruisme

Een kijkje in het brein

Een groep onderzoekers uit Stanford heeft een nieuwe methode ontwikkeld om een kijkje te nemen in de hersenen. Deze techniek, die CLARITY heet, kan toegepast worden op hele hersenen van kleine dieren zoals muizen of op stukken van de hersenen van grotere organismen als mens of dier. De verschillende weefsels en cellen kunnen onderscheiden worden met kleurstoffen door middel van immunofluorescentie of immunohistochemie.

Rat Hippocampus Ab

De hippocampus van de rat gekleurd door immunofluorescentie met behulp van 3 verschillende antilichamen

Het probleem met de bestudering van weefsels is dat de lipiden (vetten), waar de celwand uit bestaat, het monster ondoorzichtig maken. Men is daardoor genoodzaakt ultradunne plakjes van een weefsel te maken, deze te kleuren en daarna de verschillende microscopische foto’s die ervan gemaakt worden weer te reconstrueren tot een driedimensionaal geheel via de computer. Dit vergt een hoop werk dat bovendien artefacten voortbrengt.

Acrylamide is een stof die in laboratoria gebruikt wordt om electroforeses mee uit te voeren. De stof vormt een gel of netwerk waarin de mazen het mogelijk maken moleculen van verschillende grootte te scheiden. Nu is het de groep uit Stanford gelukt met behulp van acrylamide en formaldehyde een netwerk te maken waarin de structuur van de verschillende macromoleculen van de cel, zoals proteïnen, DNA en RNA, bewaard blijven. Het netwerk van de gel bindt zich dankzij de formaldehyde aan deze moleculen en na het harden van de gel kunnen de lipiden met SDS (Sodium (natrium) Dodecyl Sulfaat) weggewassen worden. Daarmee is het weefsel doorzichtig geworden. Het weefsel kan vervolgens gekleurd worden met verschillende kleuren voor de verschillende eiwitten en het DNA. Zo kan er een enorme lijst aan intracellulaire moleculen zichtbaar gemaakt worden zoals proteinecomplexen, DNA en neurotransmitters. Bovendien kunnen extracellulaire verhoudingen tussen de cellen zichtbaar gemaakt worden zoals lange projecties van de neuronen, hun interacties en ‘wiring’.

Het resultaat is verbluffend, zoals in het onderstaande filmpje te zien is. Deze methode is van zeer groot belang voor de bestudering van hersenaandoeningen, waarbij er soms afwijkingen in de weefselstructuren zichtbaar zijn, zoals bijvoorbeeld in het filmpje aangetoond wordt aan de hand van hersenen van een 7-jarig autistisch jongetje. Het is ook mogelijk oudere bewaard gebleven weefsels te onderzoeken.
Maar er bestaat ook nog een enorm groot belang voor het onderzoek betreffende het connectoom: het geheel aan connecties van onze hersenen. Het onderzoek hiernaar wordt zodoende enorm versneld en vereenvoudigd. Het filmpje hieronder is dus van harte aanbevolen niet alleen vanwege de prachtige beelden maar ook om beter te begrijpen waar het om gaat en wat voor een mijlpaal dit is voor het hersenonderzoek in het algemeen.

Uit Nature artikel, NatureNews

Een vis in ‘the Matrix’

800px-zebrafish95-300

De larve van de zebravis

Er bestaat sinds een jaar ongeveer, een bijzonder mooie methode om de hersencellen van de zebravis te bestuderen. Het is een experiment waarin de larve van een zebravis in een aquarium geplaatst wordt en waaronder een beeld geprojecteerd wordt. Het is een beeld van zwarte en witte strepen. Worden deze voorwaarts geschoven, dan krijgt de larve de indruk achteruit te gaan of meegevoerd te worden door de stroom. Het beestje gaat dan zwemmen om op zijn plaats te blijven. Worden de strepen achterwaarts geschoven, dan houdt het zich stil.

De larve van de zebravis is helemaal doorzichtig en alle organen zijn makkelijk te zien. Het diertje is daarom bij uitstek geschikt voor dit onderzoek dat zich richt op de werking van de hersencellen. Het is mogelijk een fluorescerende kleurstof te gebruiken die in de neuronen oplicht zodra de deze geactiveerd worden. De hersenen van de larve bevat ongeveer 300.000 hersencellen. Dat lijkt misschien veel, maar is redelijk te overzien. Alleen de rondworm (C. elegans) zou ook in aanmerking kunnen komen omdat hij doorzichtig is, maar het aantal neuronen (302) ligt zo laag dat het niet meer interessant is voor onderzoek.

De onderzoekers hebben het experiment zo opgesteld dat ze de vis op hun plaats kunnen houden. Het is dan mogelijk de intenties van het diertje te registreren door het lezen van de activiteit van de neuronen in de staart. Dit wordt via de computer zodanig gesynchroniseerd met de bewegende strepen dat de vis denkt normaal vooruit te zwemmen. Ondertussen wordt de activiteit van de vurende neuronen in het brein geregistreerd.

Het doel van de onderzoekers is de activiteit van het brein in kaart te brengen. Maar toekomstige verfijning van dit onderzoek zou het wel eens mogelijk kunnen maken het hele connectoom te beschrijven. Dat wil zeggen dat alle connecties en bijbehorende functies vastgelegd zouden kunnen worden. Dat zou een grote stap zijn in de neurowetenschappen. Het is uiterst lastig alle connecties tussen neuronen vast te stellen aangezien elke zenuwcel wel honderden verbindingen kan maken met andere neuronen.

Bekijk ook het duidelijk 2 minuten durende filmpje over dit experiment.

Uit: Nature News

Zwervende gedachten

Een filosoof over argumentatie, biologie, handelingstheorie en wat hem verder invalt

Jonas Bruyneel

Literatuur/Journalistiek/Muziek

mjusicamanti.wordpress.com/

per amanti della vera musica

SangueVivo

Ancora solo un battito in più

Microplastics

INTERREG MICRO PROJECT

Scientia Salon

An archived blog about science & philosophy, by Massimo Pigliucci

Infinite forme bellissime e meravigliose

si sono evolute e continuano a evolversi

Vita da simbionte

perché collaborare è talvolta meglio che combattere

Meneer Opinie

Altijd een mening, maar niet altijd gehinderd door kennis van zaken

The Cambrian Mammal

An evo-devo geek's scientific meanderings

Evolutie blog

bij dezen en genen

The Finch and Pea

The Public House for Science...

voelsprieten

* wonder van het alledaagse *

the aphid room

All about aphids... not simply bugs|

kuifjesimon

Just another WordPress.com site

The Amazing Comics Men

Comics by Dutch cartoonists Jan the Stripman & Wim the Mysterious Helpman

Barbara Jansma

Prenten, spotprenten en schilderijen

%d bloggers liken dit: