Soha Farboud

Waarom doen we wat we doen, zelfs als het eigenlijk niet slim is?

Een e-mail die bedoeld is voor je baas over dat uitgelopen project staat al een week in je conceptenmap – nog steeds niet verstuurd. Eigenlijk helemaal niet ingewikkeld, maar toch schuif je het elke dag weer voor je uit. Of je staat op een verjaardag en voordat je het doorhebt, pak je voor de derde keer een handje chips, terwijl je dat echt niet meer van plan was.

Dit soort momenten voelen bijna automatisch aan. Dat is ook precies wat ze zijn. Ons brein is geen perfecte rationele machine die elke beslissing zorgvuldig afweegt. Het heeft snelkoppelingen ingebouwd die ons helpen snel te handelen, zonder dat we er bewust over na hoeven te denken. Meestal zijn die snelkoppelingen handig, maar soms werken ze ons tegen.

Zodra die snelkoppelingen echt uit de hand lopen, herkennen we ze in aandoeningen zoals verslaving, dwangmatig gedrag of angststoornissen. Mensen met een verslaving weten heel goed dat het middel slecht voor hen is, maar de automatische drang om toch te gebruiken overheerst. Hetzelfde geldt voor mensen met een angststoornis: zij weten dat hun angst overdreven is, maar vermijden toch nieuwe situaties. In al deze gevallen doet het brein iets wat de persoon eigenlijk niet wil.

Om dat beter te begrijpen, is het belangrijk om te weten welke hersengebieden betrokken zijn bij dit soort keuzegedrag en wat die gebieden concreet doen. Dat is waar dit proefschrift over gaat.

Wat hersenscans ons wél en niet kunnen vertellen

Neurowetenschappers maken al tientallen jaren gebruik van hersenscans zoals MRI: een techniek waarmee je zowel gedetailleerde foto’s als filmpjes van de hersenen kunt maken. Met die filmpjes – die in real time laten zien welke hersengebieden actief zijn – kunnen we zien welke gebieden oplichten op het moment dat iemand een beslissing neemt. Maar er zit een fundamenteel probleem aan die aanpak: het laat alleen een verband zien. Je kunt zien dat een bepaald gebied oplicht als iemand iets doet, maar dat betekent niet dat datzelfde gebied daadwerkelijk een rol speelt in dat gedrag. Dit is het concept van correlatie versus causaliteit (Figuur 1).

Om te bewijzen dat een hersengebied daadwerkelijk betrokken is bij een bepaald gedrag, moet je de activiteit in dat gebied tijdelijk verstoren om te zien wat er dan verandert. Dat wil je doen op een veilige en omkeerbare manier, zonder operatie. Maar dat bleek tot voor kort onmogelijk voor de hersengebieden die het meest interessant zijn voor keuzegedrag en motivatie zoals de nucleus accumbens en de amygdala (Figuur 2). Deze gebieden liggen diep in de hersenen en ver buiten het bereik van bestaande niet-invasieve technieken zoals magnetische of elektrische stimulatie. De niet-invasieve technieken kunnen namelijk alleen de oppervlakkige hersenschors bereiken. Medicijnen kunnen die diepe gebieden wel bereiken, maar verspreiden zich door het hele brein, waardoor je niet kunt bepalen welk specifiek gebied het effect veroorzaakt.

We hadden dus een methode nodig die diep, precies en veilig kon stimuleren. Die methode bestaat nu, namelijk: transcraniële ultrageluidsstimulatie, afgekort TUS.

Ultrageluid: van echo naar hersenstimulatie

Ultrageluid is gefocust geluid dat door weefsel heen gaat zonder het te beschadigen en is misschien wel het meest bekend van de echo waarmee je een baby in de buik kunt bekijken. Dezelfde technologie kan ook op de hersenen worden gericht. Door een klein apparaatje op het hoofd te plaatsen en gerichte ultrageluidstrillingen te sturen, kunnen we hersenactiviteit veilig van buitenaf beïnvloeden, tot diep in de hersenen, met een precisie van slechts een paar millimeter (Figuur 3).

Dieronderzoek liet al mooie resultaten zien, maar aan het begin van mijn promotieonderzoek was er nog maar weinig bewijs of het ook bij mensen werkte. Dat was een probleem, want zonder dat bewijs kon TUS niet worden ingezet om grote wetenschappelijke vragen over het menselijk brein te beantwoorden.

Daarom had dit proefschrift twee doelen. Eerst: laat zien dat TUS in mensen gedrag kan beïnvloeden. Dan pas: gebruik TUS om te onderzoeken welke hersengebieden betrokken zijn bij hoe wij keuzes maken.

Een duwtje in de juiste richting

Om te testen of TUS werkelijk gedrag kan veranderen bij mensen, is het slim om een situatie te kiezen waarvan we al precies weten hoe het werkt in de hersenen. Want als je twee onbekenden tegelijk test, weet je nooit zeker wat je vindt. Stel dat je een nieuw medicijn test bij een ziekte die je nog niet begrijpt: als je dan iets ziet, weet je niet of dat door het medicijn komt of gewoon de gewone gang van zaken is bij die ziekte. Je hebt dus een goed bekend systeem nodig als uitgangspunt.

Voor mijn onderzoek in hoofdstuk 2 was dat de aansturing van oogbewegingen. We weten namelijk heel goed welke hersengebieden betrokken zijn bij de keuze om je ogen naar links of rechts te bewegen: de oogvelden in de frontale hersenschors (Figuur 4, boven). Eerder dieronderzoek met mensapen had bovendien al aangetoond dat TUS van de oogvelden de keuze welke kant de aap opkijkt daadwerkelijk kon beïnvloeden. De vraag was nu: werkt dit ook bij mensen?

Vijfendertig deelnemers speelden een computerspel waarmee we de invloeden van TUS op hun keuzegedrag konden bestuderen (Figuur 4, onder). De resultaten lieten zien dat – ook in mensen – TUS instaat is om het keuzegedrag te beïnvloeden. Stimulatie van de linker oogvelden zorgde voor meer oogbewegingen naar rechts en stimulatie van de rechter oogvelden zorgde voor meer oogbewegingen naar links. Het effect was specifiek en niet gedreven door placebo: als we dezelfde techniek toepasten op de handmotorschors als controlemeting, veranderde er niets aan de oogbewegingen. Bovendien trad het effect al op binnen een fractie van een seconde na het begin van de stimulatie.

Elk mens is anders en dat bleek ook hier duidelijk: zowel de hersenchemie als het gedrag verschilden sterk tussen deelnemers. We maten bij elk van hen de concentratie van GABA, een remmende neurotransmitter, een stof waarmee hersencellen met elkaar communiceren, in de oogvelden. Mensen met hogere GABA-concentraties hadden van nature een sterkere voorkeur om naar rechts te kijken. Na TUS verdween dit verschil: iedereen bewoog naar hetzelfde niveau. TUS bracht de hersenen als het ware terug in balans, ongeacht hoe je hersenen er van nature voor stonden.

Deze bevindingen waren een van de eerste overtuigende aanwijzingen dat TUS direct en specifiek gedrag bij mensen kan sturen. Daarmee was de weg vrij voor de hoofdvraag van dit proefschrift: welke hersengebieden spelen een rol bij keuzegedrag en motivatie?

Twee systemen die keuzebeslissingen sturen

Voordat ik de resultaten bespreek, is het goed om te begrijpen welke twee mechanismen centraal staan in dit proefschrift. Het eerste mechanisme is leren van ervaringen: we leren door te doen en te ontdekken wat werkt. Als je iets probeert en het heeft een goede uitkomst, onthoud je dat en doe je het de volgende keer weer. Dit is het rationele, flexibele systeem dat zich aanpast op basis van ervaring. Het tweede mechanisme is de autopiloot van ons brein: als iets goeds wordt verwacht, worden we automatisch geneigd om in actie te komen. Als we iets slechts verwachten, zijn we juist geneigd om stil te blijven. Dit is snel, automatisch en evolutionair oud. Je ziet het ook bij andere dieren: een prooidier dat een roofdier ruikt, bevriest spontaan.

Meestal werken deze twee systemen samen en versterken ze elkaar. Denk aan iemand die voor het eerst een mango ziet op de markt: de frisse geur en het felle geel roepen meteen een positief gevoel op, en dat zet aan tot kopen. Thuis blijkt de mango heerlijk, en de volgende keer op de markt is de beweging naar de fruitkraam bijna vanzelfsprekend. De autopiloot zette de eerste stap, en het leren van ervaring verankerde het gedrag.

Maar soms werken ze elkaar tegen. Denk terug aan die chips op de verjaardag. Je hebt geleerd dat je er niet te veel van moet eten, maar de aanblik van de schaal roept automatisch een pakbeweging op. Of iemand in herstel van een verslaving die langs een kroeg loopt: rationeel weet hij dat hij niet naar binnen moet, maar de automatische drang is er toch. Juist in die momenten, wanneer de twee systemen niet hetzelfde willen, wordt duidelijk hoe sterk de autopiloot kan zijn (Figuur 5, links). Om dit te meten ontwikkelde ik een computergebaseerde gedragstaak, waarmee ik zowel de invloed van de autopiloot als het leren van de gevolgen van keuzes kon meten (Figuur 5, rechts).

De hersenen in actie: wat gebeurt er tijdens keuzes?

In hoofdstuk 3 richtte ik me eerst op de vraag welke hersengebieden oplichten tijdens dit soort keuzes. In de MRI scanner speelden 29 deelnemers het ruimteavontuur, terwijl ik ondertussen hun hersenactiviteit mat. Wat we zagen dat de nucleus accumbens, een kleine kern diep in de hersenen die al lange tijd wordt geassocieerd met beloning en motivatie, reageerde sterker op blauwe planeten dan op rode planeten. Dit past bij een rol in onze autopiloot: het gebied lijkt beloningssignalen op te pikken en ons alvast in de actiestand te zetten. De amygdala, een ander diepgelegen hersengebied dat klassiek bekendstaat als het ‘angstcentrum’ maar in werkelijkheid veel breder betrokken is bij het verwerken van emotioneel relevante informatie, liet een ander patroon zien. Bij het zien van planeten reageerde ze bijzonder sterk op planeten die deelnemers voor de allereerste keer zagen. Het lijkt erop dat de amygdala fungeert als een soort alarmsysteem voor het onbekende. Beide gebieden reageerden bovendien sterk op het moment dat de uitkomst verscheen.

Oorzaak of gevolg? De nucleus accumbens en amygdala onder de loep

In hoofdstuk 4 speelden dezelfde deelnemers het ruimtespelletje opnieuw, maar nu kregen ze van tevoren TUS op een van drie condities: stimulatie van de nucleus accumbens, de amygdala, of schijnstimulatie. Na stimulatie van de nucleus accumbens zagen we een tweeledig effect: zowel de invloed van de autopiloot als de snelheid van leren nam toe. Deelnemers begonnen met een sterkere neiging om te handelen bij beloningssignalen en om niets te doen bij strafsignalen, maar leerden vervolgens ook sneller. Voor de amygdala zagen we een andere specifieke bijdrage: na amygdalastimulatie leerden deelnemers sneller van planeten die ze voor het eerst zagen. Samen vormen deze twee gebieden een belangrijk circuit. De amygdala detecteert nieuwe prikkels en geeft als het ware het startsein, de nucleus accumbens bepaalt wat je ermee doet en fungeert als de eigenlijke hub waar motivatie wordt omgezet in concrete actie.

Wat betekent dit voor de praktijk?

Deze bevindingen helpen ons begrijpen waarom keuzegedrag bij bepaalde aandoeningen ontspoort, en misschien hoe we dat kunnen herstellen. Denk bijvoorbeeld aan verslaving, waar de autopiloot zo sterk kan worden dat wat je hebt geleerd onvoldoende tegenwicht biedt. Mijn bevindingen ondersteunen dat beeld en laten zien dat TUS van de nucleus accumbens dat patroon kan beïnvloeden. Angststoornissen worden in verband gebracht met een overactieve amygdala; amygdalastimulatie hielp het leren van nieuwe prikkels te versnellen, wat suggereert dat gerichte beïnvloeding mensen kan helpen om het onbekende sneller een plek te geven. TUS biedt de precisie om individuele verschillen te kunnen adresseren en kan functioneren als hulpmiddel om de hersenen te helpen bij het opnieuw leren en het doorbreken van oude patronen.

Tot slot

Dit proefschrift laat zien dat ultrageluid een effectieve technologie is om menselijk gedrag te beïnvloeden, dat de nucleus accumbens en amygdala ieder op hun eigen manier bijdragen aan hoe wij keuzes maken en leren, en dat die bijdragen werkelijk een oorzakelijk verband hebben. Samen brengen deze inzichten ons een stap dichter bij een beter begrip van de menselijke hersenen en nieuwe behandelingsmogelijkheden.