Friday, February 29, 2008
Seth Lloyd´s Cool Quantum Computer
Watch MIT-professor Seth Lloyd showing and explaining his cool quantum computer in this funny You Tube-film. I have interviewed Lloyd this February at MIT (Cambridge, USA). An article based on this interview will appear in May in the Dutch popular science magazine KIJK.
Monday, February 25, 2008
Kan een hersenscanner een leugenaar betrappen?
Dit artikel is gepubliceerd in Trouw, 25 februari 2008
De afgelopen jaren zijn zo’n vijftien wetenschappelijke studies uitgevoerd naar de mogelijkheid van een fMRI-hersenscanner als leugendetector. Het principe is erop gebaseerd dat het vertellen van de waarheid een soort voorgeprogrammeerde instelling van de hersenen blijkt te zijn. Om de waarheid te vertellen hoeven je hersenen geen extra moeite te doen. Ga je liegen, dan moeten de hersenen extra hun best doen om de waarheid te onderdrukken. Meer hersengebiedjes worden actief, waardoor ze oplichten op een hersenscan.
In zo’n studie moeten proefpersonen bijvoorbeeld een speelkaart uit stapeltje van vijf trekken en dan liegen over welke kaart ze hebben. “Bij dit soort eenvoudige tests scoort de hersenscanner als leugendetector tussen de 78 en 90%”, zegt Ewout Meijer, psycholoog van de Universiteit van Maastricht. Hij hoopt dit jaar te promoveren op onderzoek naar de vraag hoe je aan- of afwezigheid van daderkennis kunt aantonen. “Die studies hebben wel allemaal connecties met bedrijven die de hersenscanner als leugendetector willen gebruiken.”
Tussen de 78 en 90%? Dat levert in de rechtszaal geen enkele bewijskracht. De fundamentele problemen zijn legio en lijken onoverkomelijk. Meijer: “Er is niet één type leugen; er is niet één leugenreactie in de hersenen, en er is niet één leugencentrum. Bovendien zijn de individuele verschillen tussen mensen groot. Liegen is een complex cognitief proces. Je kunt alleen kijken naar processen die indirect met liegen te maken hebben.”
Als dat nog niet genoeg obstakels zijn, dan staat de fMRI-leugendetector nog voor een probleem met de logica: liegen gaat gepaard met onderdrukking in de hersenen, maar dat betekent niet dat onderdrukking liegen aantoont. “En daarmee zijn we bij hetzelfde fundamentele probleem dat de bijna een eeuw oude polygraaf heeft”, aldus Meijer. De polygraaf meet fysiologische reacties die samenhangen met zenuwen, zoals de huidgeleiding. Nu gaat liegen vaak gepaard met zenuwen, maar dat betekent niet automatisch dat iemand die zenuwachtig is liegt.
En hoe zit het met de basisinstelling van de hersenen? Kun je die niet zelf veranderen als je de leugen maar lang genoeg volhoudt? “Dat zou best kunnen”, denkt Meijer. “Uit experimenteel onderzoek buiten het terrein van de leugen weten we dat die basisinstelling makkelijk te veranderen is.”
Ondanks alle fundamentele problemen, is de hersenscanner als leugendetector toch al commerciële praktijk. Bij het Amerikaanse bedrijf No Lie MRI kun je voor tienduizend dollar nu al een hersenscan laten maken die zou moeten aantonen dat je niet liegt, stel dat je wordt beschuldigd van een misdrijf. Op zijn website beweert het bedrijf dat hun leugendetector een betrouwbaarheid van 90% haalt, ‘die waarschijnlijk stijgt tot 99% wanneer de No Lie MRI is uitontwikkeld’.
Meijer over die claim: “Ze gebruiken een cirkelredenering. Wanneer haalt het apparaat 99%? Als het uitontwikkeld is. Wanneer is het apparaat uitontwikkeld? Als het 99% haalt. Maar sowieso is hun claim absolute onzin. 99% is onhaalbaar. De fundamentele problemen van de leugendetectie los je niet op met een betere hersenscanner.”
De afgelopen jaren zijn zo’n vijftien wetenschappelijke studies uitgevoerd naar de mogelijkheid van een fMRI-hersenscanner als leugendetector. Het principe is erop gebaseerd dat het vertellen van de waarheid een soort voorgeprogrammeerde instelling van de hersenen blijkt te zijn. Om de waarheid te vertellen hoeven je hersenen geen extra moeite te doen. Ga je liegen, dan moeten de hersenen extra hun best doen om de waarheid te onderdrukken. Meer hersengebiedjes worden actief, waardoor ze oplichten op een hersenscan.
In zo’n studie moeten proefpersonen bijvoorbeeld een speelkaart uit stapeltje van vijf trekken en dan liegen over welke kaart ze hebben. “Bij dit soort eenvoudige tests scoort de hersenscanner als leugendetector tussen de 78 en 90%”, zegt Ewout Meijer, psycholoog van de Universiteit van Maastricht. Hij hoopt dit jaar te promoveren op onderzoek naar de vraag hoe je aan- of afwezigheid van daderkennis kunt aantonen. “Die studies hebben wel allemaal connecties met bedrijven die de hersenscanner als leugendetector willen gebruiken.”
Tussen de 78 en 90%? Dat levert in de rechtszaal geen enkele bewijskracht. De fundamentele problemen zijn legio en lijken onoverkomelijk. Meijer: “Er is niet één type leugen; er is niet één leugenreactie in de hersenen, en er is niet één leugencentrum. Bovendien zijn de individuele verschillen tussen mensen groot. Liegen is een complex cognitief proces. Je kunt alleen kijken naar processen die indirect met liegen te maken hebben.”
Als dat nog niet genoeg obstakels zijn, dan staat de fMRI-leugendetector nog voor een probleem met de logica: liegen gaat gepaard met onderdrukking in de hersenen, maar dat betekent niet dat onderdrukking liegen aantoont. “En daarmee zijn we bij hetzelfde fundamentele probleem dat de bijna een eeuw oude polygraaf heeft”, aldus Meijer. De polygraaf meet fysiologische reacties die samenhangen met zenuwen, zoals de huidgeleiding. Nu gaat liegen vaak gepaard met zenuwen, maar dat betekent niet automatisch dat iemand die zenuwachtig is liegt.
En hoe zit het met de basisinstelling van de hersenen? Kun je die niet zelf veranderen als je de leugen maar lang genoeg volhoudt? “Dat zou best kunnen”, denkt Meijer. “Uit experimenteel onderzoek buiten het terrein van de leugen weten we dat die basisinstelling makkelijk te veranderen is.”
Ondanks alle fundamentele problemen, is de hersenscanner als leugendetector toch al commerciële praktijk. Bij het Amerikaanse bedrijf No Lie MRI kun je voor tienduizend dollar nu al een hersenscan laten maken die zou moeten aantonen dat je niet liegt, stel dat je wordt beschuldigd van een misdrijf. Op zijn website beweert het bedrijf dat hun leugendetector een betrouwbaarheid van 90% haalt, ‘die waarschijnlijk stijgt tot 99% wanneer de No Lie MRI is uitontwikkeld’.
Meijer over die claim: “Ze gebruiken een cirkelredenering. Wanneer haalt het apparaat 99%? Als het uitontwikkeld is. Wanneer is het apparaat uitontwikkeld? Als het 99% haalt. Maar sowieso is hun claim absolute onzin. 99% is onhaalbaar. De fundamentele problemen van de leugendetectie los je niet op met een betere hersenscanner.”
Hersenen leren levenslang
Eeuwenlang was de werking van de hersenen een groot raadsel. De afgelopen honderd jaar hebben ons veel geleerd over de basisprincipes waarop de hersenen werken. Maar pas in het
afgelopen decennium begon het hersenonderzoek ook inzichten op te leveren over hoe de hersenen leren – inzichten met belangrijke gevolgen voor het klaslokaal.
Dit artikel is gepubliceerd in LRPLN 2007/1. (Stichting Leerplanontwikkeling).
Laura is acht weken zwanger. Bij het piepjonge embryo in haar buik beginnen de miniatuurhersenen nu razendsnel te groeien, veel sneller dan de rest van het lichaampje. In de snelste fase ontstaan er wel een kwart miljoen hersencellen per minuut. De zwangerschap vliegt voorbij en na negen maanden wordt een meisje geboren: Vera. De trotse ouders kijken bewonderend naar het hoofdje, dat op dat moment maar liefst honderd miljard hersencellen heeft, meer nog dan vader en moeder hebben. Vera’s hersencellen communiceren – net als bij volwassenen – via een combinatie van elektrische en chemische signalen met elkaar, maar er zijn in deze fase vooral nog veel verschillen tussen wat Vera’s hersenen kunnen en wat de hersenen van haar ouders kunnen.
Vera’s hersengebieden die te maken hebben met zien, horen en motoriek gaan rond de geboorte razendsnel rijpen. Hersendelen die zich pas veel later ontwikkelen, zijn weliswaar al aanwezig, maar nog niet actief. In sommige hersendelen, zoals de enkele millimeters dikke, sterk gevouwen, buitenste laag (de hersenschors), gaan de hersenprikkels nog alle kanten op. Waar het bewustzijn, het denk- en taalvermogen van vader en moeder al lang ontwikkeld zijn, beginnen de hersenen van de kleine Vera die hogere functies pas vanaf de peutertijdstukje bij beetje te ontwikkelen. Nu zijn ze alleen maar in staat om de meest basale, onbewuste lichaamsfuncties aan te sturen: haar ademhaling, haar gevoel van honger en dorst. De wereld van Vera is nauwelijks groter dan haar eigen lichaam.
Vera blijkt een gemiddeld kind in haar ontwikkeling. Na een jaar begint ze voor het eerst de woorden ‘papa’ en ‘mama’ te brabbelen, na achttien maanden kent ze al vijftig woorden, en na twee jaar zegt ze voor het eerst ‘ik’. Ze ervaart nu de grens tussen haarzelf en de buitenwereld.
Vera heeft een vier dagen jongere buurjongen: Bram. Net zoals dat geldt voor de gemiddelde jongen, is Bram iets later in de taalontwikkeling dan Vera. Rond het derde levensjaar is bij zowel Vera als Bram dat deel van het lange-termijngeheugen gevormd dat gebeurtenissen en kennis over de wereld kan opslaan. Van nu af aan kunnen herinneringen voor lange tijd beklijven in hun geheugen. Van voor hun derde verjaardag herinneren ze zich echter niets meer.
Ongeveer tot hun zesde jaar staan Vera en Bram volledig – en op een naïeve manier – open voor de wereld om hen heen. Op geen enkel moment meer later in hun leven zullen ze zo open staan voor het leren van nieuwe dingen als in deze periode. Eerst ontdekken ze hun omgeving met handen en voeten, en met al hun zintuigen. Zodra ze kunnen spreken, beginnen ze ook vragen te stellen. ‘Waar komt de regenboog vandaan?’ vraagt Vera. ‘Waarom vallen sterren niet uit de hemel?’ vraagt Bram.
Het zijn deze eerste zes levensjaren waarin de opvoeding en de rest van de omgeving van Vera en Bram een enorme invloed hebben op de uitgroei en rijping van de verbindingen tussen hersenencellen. Het bij de geboorte nog ongeordende netwerk van met elkaar pratende hersencellen in de hersenschors gaat zich meer en meer ordenen.
Tussen hun zesde en achtste breekt voor Vera en Bram een tweede belangrijke fase aan. Ze leren lezen en schrijven – typische vaardigheden die de moderne mens zich heeft aangeleerd en die de hersenen niet vanzelf ontwikkelen. Zowel hun ouders, als de juf op school, leren hen dat ze de wereld op papier kunnen zetten en dat ze de wereld tevens kunnen verkennen door erover te lezen. Hoewel ze als peuters al begonnen te tellen met hun vingers, leren Vera en Bram nu ook hoe ze met die getallen kunnen rekenen.
Tot nu toe was de wereld van de twee buurkinderen er eentje van concrete dingen: van hun huis, hun kamer, de school, hun vriendinnetjes en vriendjes. Tussen hun achtste en hun twaalfde breidt het denken in concrete dingen zich geleidelijk uit tot het tevens kunnen abstract kunnen denken. Ze beginnen onder andere te denken in termen van overeenkomsten: bijvoorbeeld dat een glas water en een glas melk allebei iets vloeibaars bevatten.
De drie grootste misverstanden
De hersenen van Vera en Bram hebben in hun eerste twaalf levensjaren ongelofelijk veel geleerd. Maar het is een groot misverstand dat er maar één soort leren zou zijn. We kunnen vijf belangrijke basissoorten onderscheiden. Allereerst het motorische leren: het leren lopen en fietsen bijvoorbeeld. Toen Vera en Bram begonnen te kruipen en langzamerhand op eigen benen gingen staan, leerden ze hoe ze delen van zichzelf konden verplaatsen, en leerden ze afstanden inschatten tussen hun eigen lichaam en de tafels, stoelen en andere dingen in de wereld om hen heen.
Een tweede belangrijke vorm is het leren van taal. Dat begint met het benoemen van de concrete dingen en ontwikkelt zich daarna tot een middel om ook op een abstracte manier grip te krijgen op de wereld. Ten derde is het leren rekenen belangrijk. Het begint met eenvoudig tellen en breidt zich daarna uit met het optellen, vermenigvuldigen en delen. In een nog latere fase kunnen we dit leren uitbreiden tot het leren van wiskunde, dat een belangrijk denkgereedschap levert om via getallen, ruimten, structuren, relaties en verzamelingen de wereld te begrijpen en te veranderen.
De vierde basisvorm van leren – en de vorm waaraan de meesten van ons het eerst denken als het om leren gaat – is het opdoen van feitelijke kennis: bijvoorbeeld dat de aarde rond is, dat Parijs de hoofdstad van Frankrijk is en dat Nederland zestien miljoen inwoners heeft. En ten slotte, moeten we het sociale leren niet vergeten: het leren omgaan met de mensen in onze omgeving.
Bij al deze vijf vormen van leren kunnen we de mens zien als een complex, informatieverwerkend systeem dat voortdurend in contact staat met zijn sociale omgeving, met ouders, vriendjes en onderwijzers. De hersenen filteren alle binnenkomende informatie en bepalen welke informatie wel of niet wordt opgeslagen.
De ontwikkeling van Vera en Bram is tot nu toe een typische, gemiddelde ontwikkeling geweest. Het is echter een tweede groot misverstand over hersenen en leren dat de hersenontwikkeling bij iedereen precies in hetzelfde tempo verloopt. Er bestaan juist grote verschillen. Het blijkt dat als je kinderen van twaalf jaar, en van hoogopgeleide ouders, vraagt of ‘vaders broer dezelfde is als de vader van de broer’, eenderde van deze kinderen nog steeds denkt dat die twee dezelfde zijn. Tweederde van de twaalfjarigen begrijpt wél dat vaders broer niet dezelfde is als de vader van de broer. Een volledig taalbegrip rijpt langzamer dan we lang hebben gedacht.
Ook bij het leren rekenen, zien we grote individuele verschillen. Het ene kind van acht jaar is al toe aan rekenen en het andere niet. De volgorde waarin hersendelen rijpen, is weliswaar bij iedereen hetzelfde, maar het tempo niet. Hersenonderzoek heeft de afgelopen jaren laten zien dat er grote verschillen bestaan in de momenten waarop kinderen leren lezen, schrijven, abstraheren, generaliseren en categoriseren. Maar een voorsprong of achterstand kan een paar jaar later alweer zijn verdwenen.
Het is nog maar kort geleden dat algemeen werd aangenomen dat de hersenen zo goed als klaar waren op vijfjarige leeftijd. Hooguit zouden ze in details nog wat verder doorgroeien tot aan het twaalfde jaar, maar dan zouden ze ook echt af zijn. Dit is het derde grote misverstand over hersenen en leren. Hersenonderzoek heeft in het afgelopen decennium aangetoond dat bij meisjes de hersenontwikkeling doorgaat tot na het 20e levensjaar en bij jongens zelfs nog een paar jaar langer. Dan gaat het vooral om bepaalde structuren in de voorste hersenen: de zogeheten prefrontale schors. De prefrontale schors zorgt ervoor dat we vooruit kunnen denken, onze emoties bewust kunnen voelen, onze opwellingen beheersen, kunnen plannen, keuzes kunnen maken, kunnen invoelen wat anderen bedoelen en een zin geven aan ons bestaan. Dit is het hoogst ontwikkelde deel van onze hersenen en is bij de mens verder ontwikkeld dan bij de hogere mensapen.
De recente ontdekking van de late rijping van de prefrontale schors betekent ook dat de hersenen van tieners eigenlijk nog niet rijp zijn voor de vorm van leren die het studiehuis verwacht. De tieners kunnen nog onvoldoende zelfstandig werken, organiseren en plannen. Ze hebben meer sturing door leraren en ouders nodig dan het studiehuis en het ‘nieuwe leren’ veronderstellen.
Puberleren
Vanaf haar tiende beginnen bij Vera de geslachtshormonen te werken, en een paar jaar later, zo rond zijn twaalfde, gebeurt hetzelfde bij Bram. Een nieuwe, spannende fase in hun ontwikkeling is aangebroken: de puberteit. Naast een hersenontwikkeling die onafhankelijk is van de hormonen, gaan nu ook de hormonen een deel van de hersenrijping beïnvloeden.
In de vroege adolescentie – vanaf een jaar of twaalf – zetten de hersenen Vera en Bram aan sociale contacten op te doen en het andere geslacht te ontdekken. Meer dan hiervoor, zoeken ze bewust nieuwe sensaties op en zijn meer gericht op behoeftebevrediging. Bij Bram is dit nog sterker dan bij Vera. Het cognitieve, verstandelijke leren gaat in deze fase minder vanzelf dan voorheen, terwijl het sociale leren nog belangrijker wordt dan in de eerdere levensfasen.
In de middel-adolescentie zijn Bram en Vera geneigd meer risico’s te nemen, zijn ze onderhevig aan sterkere stemmingswisselingen en hebben ze nog onvoldoende controle over hun eigen, vaak nog impulsieve gedrag. Juist de prefrontale schors, die tevens een rem kan zetten op impulsief gedrag, is nog volop in ontwikkeling. Pas tijdens de late adolescentie rijpt dit belangrijke hersendeel geheel uit. Bram en Vera leren nu in te schatten hoe hun omgeving over hun gedrag denkt: ‘wat zullen mijn ouders ervan zeggen als ik te laat thuiskom?’, ‘wat vindt mijn beste vriendin ervan als ik mijn afspraak met haar niet nakom om tegelijk naar huis te gaan van een feestje?’, ‘wat betekent het als de leraar boos wordt?’.
Een experiment bracht in 2005 een belangrijk verschil aan het licht over de rol van de sociale omgeving in de verschillende fasen van de adolescentie. Drie groepen proefpersonen – de eerste tussen 13 en 16; de tweede tussen 18 en 22; en de derde ouder dan 22 – moesten in een computerspel een auto door een virtuele stad sturen. In eerste instantie begaven alle drie de groepen zich even vaak in gevaarlijke situaties in het spel. Maar dat veranderde op het moment dat er een vriend of vriendin over de schouder van de speler meekeek. Nu stuurden de proefpersonen tussen 13 en 16 de virtuele auto dubbel zo vaak in gevaarlijke situaties. Bij de groep proefpersonen ouder dan 22 was er geen verandering, en de 18- tot 22-jarigen zaten er ergens tussenin. Bij het leren in deze fase van de adolescentie speelt de sociale omgeving dus een grote rol. De adolescent laat zijn gedrag mede bepalen door leeftijdsgenoten, en kan daarom nog onvoldoende onafhankelijk kiezen.
Twee soorten informatieverwerking
Juist in de middelbare schoolperiode zien we de laatste jaren dat de meisjes de jongens zijn voorbijgestreefd, zelfs als het gaat om de exacte vakken, waarin jongens het traditioneel beter deden. Natuurlijk is het verheugend dat meisjes het zo goed doen, maar er zit een adder onder het gras.
De belangrijkste twee typen van informatieverwerking die de hersenen kennen, zijn de verbaal-linguïstische en de visueel-ruimtelijke. Beide vormen zijn belangrijk. Uiteraard zijn er grote individuele verschillen, maar gemiddeld doen mannen het beter in ruimtelijke taken, wiskundig redeneren, routes vinden, bewegingen gericht op een bepaald ruimtelijk doel, kortom: op het visueel-ruimtelijke vlak. Vrouwen zijn gemiddeld beter op het verbaal-linguïstische vlak: in het zich herinneren van woorden, taalvaardigheden in het algemeen, maar ook in rekenen en in de fijne motoriek. Des te opmerkelijker is het dat op de huidige middelbare school jongens juist slechter dan meisjes blijken te scoren in de exacte vakken, die traditioneel juist een groot beroep doen op de visueel-ruimtelijke informatieverwerking.
Onderzoek lijkt erop te wijzen dat dat een gevolg is van het feit dat het onderwijs in de afgelopen vijftien jaar steeds meer op de talige toer is gegaan, ten koste van het visueel-ruimtelijke aspect. Veel meer praten, veel minder abstract redeneren. Ruimtelijke vaardigheden zoals die traditioneel ingebed zijn in de wiskunde zijn naar de achtergrond gedrongen. Veel meer dan voorheen wordt wiskunde concreet gemaakt en gebruikt in de context van een toepassing. Dat gaat waarschijnlijk ten koste van het abstractievermogen, dat ieder van ons juist hard nodig heeft om zich conceptueel te ontwikkelen.
Een leven lang leren
In de moderne maatschappij houdt leren niet meer op na de middelbare school, of zelfs na een vervolgopleiding. En eigenlijk sluit dit prima aan bij het natuurlijke vermogen van onze hersenen. Ze zijn immers genetisch geprogrammeerd om het lichaam zich te laten aanpassen aan zijn omgeving. En hoewel ze rond het 25e levensjaar volledig zijn volgroeid en gerijpt, blijft het ook daarna essentieel dat ze nieuwe prikkels krijgen. Dat houdt de hersenen actief. Als de omgeving niet verandert, leren de hersenen af om te leren: het is use it or loose it – gebruik het, of verlies het.
Natuurlijk zijn er wel degelijk verschillen tussen de hersenen van ouderen en jongeren. Ouderen hebben een groter deel van hun hersenen nodig om bepaalde taken uit te voeren dan jongeren, en de binnenkomende zintuiglijke prikkels worden langzamer doorgegeven en verwerkt. Terwijl jongeren bijvoorbeeld tegelijkertijd kunnen studeren en naar muziek kunnen luisteren, hebben ouderen meer moeite om taken tegelijk uit te voeren. Maar ondanks al deze verschillen, blijven de hersenen flexibel en kunnen ze zich tot op hoge leeftijd aanpassen en kunnen ze tot op hoge leeftijd nieuwe dingen leren. Onderzoek van de laatste jaren heeft aangetoond dat de hersenen veel plastischer zijn dan we ooit hebben gedacht. Vera begint op haar zeventigste nog met een taalcursus Arabisch, en Bram stort zich op een schildercursus.
Met dank aan prof. dr. Jelle Jolles, hoogleraar neuropsychologie en biologische psychologie aan de Universiteit Maatsricht, voor de inhoudelijke informatie over hersenen en leren. Hij is tevens voorzitter van de commissie Hersenen en Leren, die hersenwetenschappers, cognitiewetenschappers, onderwijskundigen en mensen uit de onderwijspraktijk dichter bij elkaar wil brengen.
Internet
www.hersenenenleren.nl (Met onder andere het rapport Leer het brein kennen)
www.jellejolles.nl Publieksartikelen over hersenen en leren
afgelopen decennium begon het hersenonderzoek ook inzichten op te leveren over hoe de hersenen leren – inzichten met belangrijke gevolgen voor het klaslokaal.
Dit artikel is gepubliceerd in LRPLN 2007/1. (Stichting Leerplanontwikkeling).
Laura is acht weken zwanger. Bij het piepjonge embryo in haar buik beginnen de miniatuurhersenen nu razendsnel te groeien, veel sneller dan de rest van het lichaampje. In de snelste fase ontstaan er wel een kwart miljoen hersencellen per minuut. De zwangerschap vliegt voorbij en na negen maanden wordt een meisje geboren: Vera. De trotse ouders kijken bewonderend naar het hoofdje, dat op dat moment maar liefst honderd miljard hersencellen heeft, meer nog dan vader en moeder hebben. Vera’s hersencellen communiceren – net als bij volwassenen – via een combinatie van elektrische en chemische signalen met elkaar, maar er zijn in deze fase vooral nog veel verschillen tussen wat Vera’s hersenen kunnen en wat de hersenen van haar ouders kunnen.
Vera’s hersengebieden die te maken hebben met zien, horen en motoriek gaan rond de geboorte razendsnel rijpen. Hersendelen die zich pas veel later ontwikkelen, zijn weliswaar al aanwezig, maar nog niet actief. In sommige hersendelen, zoals de enkele millimeters dikke, sterk gevouwen, buitenste laag (de hersenschors), gaan de hersenprikkels nog alle kanten op. Waar het bewustzijn, het denk- en taalvermogen van vader en moeder al lang ontwikkeld zijn, beginnen de hersenen van de kleine Vera die hogere functies pas vanaf de peutertijdstukje bij beetje te ontwikkelen. Nu zijn ze alleen maar in staat om de meest basale, onbewuste lichaamsfuncties aan te sturen: haar ademhaling, haar gevoel van honger en dorst. De wereld van Vera is nauwelijks groter dan haar eigen lichaam.
Vera blijkt een gemiddeld kind in haar ontwikkeling. Na een jaar begint ze voor het eerst de woorden ‘papa’ en ‘mama’ te brabbelen, na achttien maanden kent ze al vijftig woorden, en na twee jaar zegt ze voor het eerst ‘ik’. Ze ervaart nu de grens tussen haarzelf en de buitenwereld.
Vera heeft een vier dagen jongere buurjongen: Bram. Net zoals dat geldt voor de gemiddelde jongen, is Bram iets later in de taalontwikkeling dan Vera. Rond het derde levensjaar is bij zowel Vera als Bram dat deel van het lange-termijngeheugen gevormd dat gebeurtenissen en kennis over de wereld kan opslaan. Van nu af aan kunnen herinneringen voor lange tijd beklijven in hun geheugen. Van voor hun derde verjaardag herinneren ze zich echter niets meer.
Ongeveer tot hun zesde jaar staan Vera en Bram volledig – en op een naïeve manier – open voor de wereld om hen heen. Op geen enkel moment meer later in hun leven zullen ze zo open staan voor het leren van nieuwe dingen als in deze periode. Eerst ontdekken ze hun omgeving met handen en voeten, en met al hun zintuigen. Zodra ze kunnen spreken, beginnen ze ook vragen te stellen. ‘Waar komt de regenboog vandaan?’ vraagt Vera. ‘Waarom vallen sterren niet uit de hemel?’ vraagt Bram.
Het zijn deze eerste zes levensjaren waarin de opvoeding en de rest van de omgeving van Vera en Bram een enorme invloed hebben op de uitgroei en rijping van de verbindingen tussen hersenencellen. Het bij de geboorte nog ongeordende netwerk van met elkaar pratende hersencellen in de hersenschors gaat zich meer en meer ordenen.
Tussen hun zesde en achtste breekt voor Vera en Bram een tweede belangrijke fase aan. Ze leren lezen en schrijven – typische vaardigheden die de moderne mens zich heeft aangeleerd en die de hersenen niet vanzelf ontwikkelen. Zowel hun ouders, als de juf op school, leren hen dat ze de wereld op papier kunnen zetten en dat ze de wereld tevens kunnen verkennen door erover te lezen. Hoewel ze als peuters al begonnen te tellen met hun vingers, leren Vera en Bram nu ook hoe ze met die getallen kunnen rekenen.
Tot nu toe was de wereld van de twee buurkinderen er eentje van concrete dingen: van hun huis, hun kamer, de school, hun vriendinnetjes en vriendjes. Tussen hun achtste en hun twaalfde breidt het denken in concrete dingen zich geleidelijk uit tot het tevens kunnen abstract kunnen denken. Ze beginnen onder andere te denken in termen van overeenkomsten: bijvoorbeeld dat een glas water en een glas melk allebei iets vloeibaars bevatten.
De drie grootste misverstanden
De hersenen van Vera en Bram hebben in hun eerste twaalf levensjaren ongelofelijk veel geleerd. Maar het is een groot misverstand dat er maar één soort leren zou zijn. We kunnen vijf belangrijke basissoorten onderscheiden. Allereerst het motorische leren: het leren lopen en fietsen bijvoorbeeld. Toen Vera en Bram begonnen te kruipen en langzamerhand op eigen benen gingen staan, leerden ze hoe ze delen van zichzelf konden verplaatsen, en leerden ze afstanden inschatten tussen hun eigen lichaam en de tafels, stoelen en andere dingen in de wereld om hen heen.
Een tweede belangrijke vorm is het leren van taal. Dat begint met het benoemen van de concrete dingen en ontwikkelt zich daarna tot een middel om ook op een abstracte manier grip te krijgen op de wereld. Ten derde is het leren rekenen belangrijk. Het begint met eenvoudig tellen en breidt zich daarna uit met het optellen, vermenigvuldigen en delen. In een nog latere fase kunnen we dit leren uitbreiden tot het leren van wiskunde, dat een belangrijk denkgereedschap levert om via getallen, ruimten, structuren, relaties en verzamelingen de wereld te begrijpen en te veranderen.
De vierde basisvorm van leren – en de vorm waaraan de meesten van ons het eerst denken als het om leren gaat – is het opdoen van feitelijke kennis: bijvoorbeeld dat de aarde rond is, dat Parijs de hoofdstad van Frankrijk is en dat Nederland zestien miljoen inwoners heeft. En ten slotte, moeten we het sociale leren niet vergeten: het leren omgaan met de mensen in onze omgeving.
Bij al deze vijf vormen van leren kunnen we de mens zien als een complex, informatieverwerkend systeem dat voortdurend in contact staat met zijn sociale omgeving, met ouders, vriendjes en onderwijzers. De hersenen filteren alle binnenkomende informatie en bepalen welke informatie wel of niet wordt opgeslagen.
De ontwikkeling van Vera en Bram is tot nu toe een typische, gemiddelde ontwikkeling geweest. Het is echter een tweede groot misverstand over hersenen en leren dat de hersenontwikkeling bij iedereen precies in hetzelfde tempo verloopt. Er bestaan juist grote verschillen. Het blijkt dat als je kinderen van twaalf jaar, en van hoogopgeleide ouders, vraagt of ‘vaders broer dezelfde is als de vader van de broer’, eenderde van deze kinderen nog steeds denkt dat die twee dezelfde zijn. Tweederde van de twaalfjarigen begrijpt wél dat vaders broer niet dezelfde is als de vader van de broer. Een volledig taalbegrip rijpt langzamer dan we lang hebben gedacht.
Ook bij het leren rekenen, zien we grote individuele verschillen. Het ene kind van acht jaar is al toe aan rekenen en het andere niet. De volgorde waarin hersendelen rijpen, is weliswaar bij iedereen hetzelfde, maar het tempo niet. Hersenonderzoek heeft de afgelopen jaren laten zien dat er grote verschillen bestaan in de momenten waarop kinderen leren lezen, schrijven, abstraheren, generaliseren en categoriseren. Maar een voorsprong of achterstand kan een paar jaar later alweer zijn verdwenen.
Het is nog maar kort geleden dat algemeen werd aangenomen dat de hersenen zo goed als klaar waren op vijfjarige leeftijd. Hooguit zouden ze in details nog wat verder doorgroeien tot aan het twaalfde jaar, maar dan zouden ze ook echt af zijn. Dit is het derde grote misverstand over hersenen en leren. Hersenonderzoek heeft in het afgelopen decennium aangetoond dat bij meisjes de hersenontwikkeling doorgaat tot na het 20e levensjaar en bij jongens zelfs nog een paar jaar langer. Dan gaat het vooral om bepaalde structuren in de voorste hersenen: de zogeheten prefrontale schors. De prefrontale schors zorgt ervoor dat we vooruit kunnen denken, onze emoties bewust kunnen voelen, onze opwellingen beheersen, kunnen plannen, keuzes kunnen maken, kunnen invoelen wat anderen bedoelen en een zin geven aan ons bestaan. Dit is het hoogst ontwikkelde deel van onze hersenen en is bij de mens verder ontwikkeld dan bij de hogere mensapen.
De recente ontdekking van de late rijping van de prefrontale schors betekent ook dat de hersenen van tieners eigenlijk nog niet rijp zijn voor de vorm van leren die het studiehuis verwacht. De tieners kunnen nog onvoldoende zelfstandig werken, organiseren en plannen. Ze hebben meer sturing door leraren en ouders nodig dan het studiehuis en het ‘nieuwe leren’ veronderstellen.
Puberleren
Vanaf haar tiende beginnen bij Vera de geslachtshormonen te werken, en een paar jaar later, zo rond zijn twaalfde, gebeurt hetzelfde bij Bram. Een nieuwe, spannende fase in hun ontwikkeling is aangebroken: de puberteit. Naast een hersenontwikkeling die onafhankelijk is van de hormonen, gaan nu ook de hormonen een deel van de hersenrijping beïnvloeden.
In de vroege adolescentie – vanaf een jaar of twaalf – zetten de hersenen Vera en Bram aan sociale contacten op te doen en het andere geslacht te ontdekken. Meer dan hiervoor, zoeken ze bewust nieuwe sensaties op en zijn meer gericht op behoeftebevrediging. Bij Bram is dit nog sterker dan bij Vera. Het cognitieve, verstandelijke leren gaat in deze fase minder vanzelf dan voorheen, terwijl het sociale leren nog belangrijker wordt dan in de eerdere levensfasen.
In de middel-adolescentie zijn Bram en Vera geneigd meer risico’s te nemen, zijn ze onderhevig aan sterkere stemmingswisselingen en hebben ze nog onvoldoende controle over hun eigen, vaak nog impulsieve gedrag. Juist de prefrontale schors, die tevens een rem kan zetten op impulsief gedrag, is nog volop in ontwikkeling. Pas tijdens de late adolescentie rijpt dit belangrijke hersendeel geheel uit. Bram en Vera leren nu in te schatten hoe hun omgeving over hun gedrag denkt: ‘wat zullen mijn ouders ervan zeggen als ik te laat thuiskom?’, ‘wat vindt mijn beste vriendin ervan als ik mijn afspraak met haar niet nakom om tegelijk naar huis te gaan van een feestje?’, ‘wat betekent het als de leraar boos wordt?’.
Een experiment bracht in 2005 een belangrijk verschil aan het licht over de rol van de sociale omgeving in de verschillende fasen van de adolescentie. Drie groepen proefpersonen – de eerste tussen 13 en 16; de tweede tussen 18 en 22; en de derde ouder dan 22 – moesten in een computerspel een auto door een virtuele stad sturen. In eerste instantie begaven alle drie de groepen zich even vaak in gevaarlijke situaties in het spel. Maar dat veranderde op het moment dat er een vriend of vriendin over de schouder van de speler meekeek. Nu stuurden de proefpersonen tussen 13 en 16 de virtuele auto dubbel zo vaak in gevaarlijke situaties. Bij de groep proefpersonen ouder dan 22 was er geen verandering, en de 18- tot 22-jarigen zaten er ergens tussenin. Bij het leren in deze fase van de adolescentie speelt de sociale omgeving dus een grote rol. De adolescent laat zijn gedrag mede bepalen door leeftijdsgenoten, en kan daarom nog onvoldoende onafhankelijk kiezen.
Twee soorten informatieverwerking
Juist in de middelbare schoolperiode zien we de laatste jaren dat de meisjes de jongens zijn voorbijgestreefd, zelfs als het gaat om de exacte vakken, waarin jongens het traditioneel beter deden. Natuurlijk is het verheugend dat meisjes het zo goed doen, maar er zit een adder onder het gras.
De belangrijkste twee typen van informatieverwerking die de hersenen kennen, zijn de verbaal-linguïstische en de visueel-ruimtelijke. Beide vormen zijn belangrijk. Uiteraard zijn er grote individuele verschillen, maar gemiddeld doen mannen het beter in ruimtelijke taken, wiskundig redeneren, routes vinden, bewegingen gericht op een bepaald ruimtelijk doel, kortom: op het visueel-ruimtelijke vlak. Vrouwen zijn gemiddeld beter op het verbaal-linguïstische vlak: in het zich herinneren van woorden, taalvaardigheden in het algemeen, maar ook in rekenen en in de fijne motoriek. Des te opmerkelijker is het dat op de huidige middelbare school jongens juist slechter dan meisjes blijken te scoren in de exacte vakken, die traditioneel juist een groot beroep doen op de visueel-ruimtelijke informatieverwerking.
Onderzoek lijkt erop te wijzen dat dat een gevolg is van het feit dat het onderwijs in de afgelopen vijftien jaar steeds meer op de talige toer is gegaan, ten koste van het visueel-ruimtelijke aspect. Veel meer praten, veel minder abstract redeneren. Ruimtelijke vaardigheden zoals die traditioneel ingebed zijn in de wiskunde zijn naar de achtergrond gedrongen. Veel meer dan voorheen wordt wiskunde concreet gemaakt en gebruikt in de context van een toepassing. Dat gaat waarschijnlijk ten koste van het abstractievermogen, dat ieder van ons juist hard nodig heeft om zich conceptueel te ontwikkelen.
Een leven lang leren
In de moderne maatschappij houdt leren niet meer op na de middelbare school, of zelfs na een vervolgopleiding. En eigenlijk sluit dit prima aan bij het natuurlijke vermogen van onze hersenen. Ze zijn immers genetisch geprogrammeerd om het lichaam zich te laten aanpassen aan zijn omgeving. En hoewel ze rond het 25e levensjaar volledig zijn volgroeid en gerijpt, blijft het ook daarna essentieel dat ze nieuwe prikkels krijgen. Dat houdt de hersenen actief. Als de omgeving niet verandert, leren de hersenen af om te leren: het is use it or loose it – gebruik het, of verlies het.
Natuurlijk zijn er wel degelijk verschillen tussen de hersenen van ouderen en jongeren. Ouderen hebben een groter deel van hun hersenen nodig om bepaalde taken uit te voeren dan jongeren, en de binnenkomende zintuiglijke prikkels worden langzamer doorgegeven en verwerkt. Terwijl jongeren bijvoorbeeld tegelijkertijd kunnen studeren en naar muziek kunnen luisteren, hebben ouderen meer moeite om taken tegelijk uit te voeren. Maar ondanks al deze verschillen, blijven de hersenen flexibel en kunnen ze zich tot op hoge leeftijd aanpassen en kunnen ze tot op hoge leeftijd nieuwe dingen leren. Onderzoek van de laatste jaren heeft aangetoond dat de hersenen veel plastischer zijn dan we ooit hebben gedacht. Vera begint op haar zeventigste nog met een taalcursus Arabisch, en Bram stort zich op een schildercursus.
Met dank aan prof. dr. Jelle Jolles, hoogleraar neuropsychologie en biologische psychologie aan de Universiteit Maatsricht, voor de inhoudelijke informatie over hersenen en leren. Hij is tevens voorzitter van de commissie Hersenen en Leren, die hersenwetenschappers, cognitiewetenschappers, onderwijskundigen en mensen uit de onderwijspraktijk dichter bij elkaar wil brengen.
Internet
www.hersenenenleren.nl (Met onder andere het rapport Leer het brein kennen)
www.jellejolles.nl Publieksartikelen over hersenen en leren
Thursday, February 21, 2008
Vermomde chip gaat op de versiertoer
Dit artikel is gepubliceerd in Chemisch2Weekblad, 19 mei 2007
Hoe verbind je levende hersencellen met een levenloze chip? Wellicht lukt het door de chip biochemisch zo te vermommen dat hij aantrekkelijk wordt voor de cellen.
In 1963 implanteerde de Spaanse fysioloog José Delgado een elektrische stimulator in de hersenen van een stier. Op een ranch in Cordoba daagde hij het beest vervolgens uit. Terwijl de stier hem aanviel, drukte Delgado op een afstandbediening. Deze stimuleerde een zorgvuldig uitgekiende hersenkern, waarna het beest zijn aanval meteen stopte. De foto’s van Delgado en de stier gingen de hele wereld over. De New York Times sprak over een spectaculaire demonstratie van technologische controle over het brein.
Het onderzoek naar hersenimplantaten voor medische toepassingen kwam in de jaren zeventig en tachtig op een laag pitje te staan, omdat doorbraken uitbleven. Maar inmiddels is het onderzoek naar de hersenchip weer helemaal terug, gesteund door ontwikkelingen in de micro- en nano-elektronica, door een betere kennis van de hersenen en door nieuw biomaterialenonderzoek.
Hersenchips kunnen bijvoorbeeld uitkomst bieden bij mensen met een verlamming. Een patiënt kan dan via zijn gedachten bijvoorbeeld een robotarm of iets anders aansturen. Ook patiënten met een depressie, de ziekte van Parkinson, epilepsie of dwangstoornissen kunnen baat hebben van geïmplanteerde elektroden, die de ziekte op de juiste plek te lijf gaat met subtiele stroomstootjes.
Spijkerbed
Het grootste probleem is echter dat een levende hersencel maar moeilijk contact maakt met een niet-levende chip. Probeer levend weefsel in contact te brengen met niet-biologische materialen, en het liefst keert het weefsel de chip de rug toe. Of elektroden op de chip raken ingekapseld door bindweefsel waardoor de elektrische geleiding afneemt en de cel slechter te prikkelen valt. De grote uitdaging is om een langdurige, stabiele verbinding tussen hersencel en chip te maken; eentje die niet te lijden heeft onder weefselschade of loslatende neuronen.
Hoogleraar neurotechnologie Wim Rutten doet aan de Universiteit Twente onderzoek naar de hersenchip. “Globaal gesproken zijn er twee manieren om een chip met een hersencel te verbinden”, zegt Rutten. “Ofwel je brengt elektroden naar de cellen toe, ofwel je brengt de cellen naar de elektroden toe.”
Op de eerste manier gebruik je een array van een stuk of honderd kleine elektroden: een soort spijkerbed. Dat spijkerbed prik je in een klein gebied van de hersenen. Het idee is om tientallen cellen tegelijk te stimuleren, omdat we wel globaal weten wat verschillende hersengebiedjes doen, maar niet wat elke hersencel afzonderlijk doet. Vijftig tot zeventig procent van al die elektroden komt dicht genoeg bij een cel om deze elektrisch te stimuleren.
De elektroden zijn tweehonderd tot vijfhonderd micrometer lang, tien micrometer breed (ongeveer zo breed als het lichaam van een hersencel), en ze staan honderd micrometer uit elkaar. Zo kreeg de door een steekpartij verlamd geraakte Amerikaan Matthew Nagle in 2004 een brein-computerinterface geïmplanteerd. Nagle mocht het bij wijze van proef een jaar gebruiken. In die tijd kon hij door te denken de cursor op een computerscherm aansturen en zo bijvoorbeeld een tv bedienen of e-mail checken.
Op de tweede manier probeer je idealiter elke cel met een elektrode te verbinden. Dit is een verfijndere methode. Je probeert om celuitlopers uit te lokken om zich aan een elektrode te hechten. Hier ligt ook de grootste chemische uitdaging, vertelt Rutten. “Hoe zorg je ervoor dat celuitlopers goed hechten aan een elektrode? Welke biomaterialen moet je daarvoor gebruiken?”
Adhesie
De elektroden zelf zijn gemaakt van roestvrij staal, platina, goud of iridiumoxide. Om elektrolyse te vermijden, blijven de stroompjes beperkt tot nano- of microampères. Zenuwcellen hebben ook niet meer nodig, mits de elektrode maar dicht genoeg bij het celmembraan zit.
Het lichaam accepteert niet graag vreemde materialen. Onderzoekers moeten daarom moeite doen om de juiste biomaterialen te vinden waarmee een chip wel hersencellen kan verleiden. Rutten: “We bedekken de elektroden met eiwitten die goed passen bij het biologische signaleringsproces van de cel. Bijvoorbeeld coatings van laminine of poly-D-lysine. De stroom gaat gewoon door die monolaag heen. De uitdaging ligt in de adhesie. Cellen plakken normaal aan elkaar doordat er eiwitten door het celmembraan steken. Deze eiwitten koppelen aan uitsteeksels van een andere cel. Wij proberen nu te spelen met een hele familie van koppeleiwitten om uit te zoeken welk eiwit het beste werkt.”
Omdat een driedimensionale spijkerbedchip moeilijk te maken is, proberen onderzoekers nu elektroden in een plat vlak te gebruiken, voorzien van adhesieve lagen en gekweekte neuronen. Een cultured probe heet dat. Rutten: “In een cultured probe combineren we chiptechnologie met cel- en tissue-engineering. We gebruiken conventionele chiptechnologie om op een glasplaatje elektroden en isolatielagen te dampen. We kweken rond elke elektrode een groepje neuronen. Later implanteren we dan het hele zaakje, en lokken we celuitlopers van de zenuwcellen naar iedere elektrode. De gekweekte groepjes neuronen fungeren als lokvogels door de afgifte van natuurlijke groeistoffen. In het lab zijn onderdelen hiervan al geslaagd.”
De ontwikkeling van de ‘cultured probe’ is sterk afhankelijk van de kwaliteit van het contact tussen de cellen en de elektrodesubstraatmaterialen, meestal glas of silicium. Hoe goed is dat contact, en hoe lang houden cellen dat contact vol? Rutten: “In het lab proberen we de adhesie te verstevigen door het aanbrengen van adhesieve chemische coatings: nanolagen van polymeren of eiwitten. Deze lagen moeten zowel aan het substraat als aan de cel hechten. Daarnaast worden de gebieden waar geen hechting moet optreden neurofoob gemaakt. In het algemeen zijn aminegroupen celvriendelijk, en methylgroepen celonvriendelijk. Ook zijn cellen lichtelijk negatief elektrisch geladen, zodat ze met positieve lading vastgehouden kunnen worden.”
Tot dertig dagen gaat het goed, maar uiteindelijk zijn cellen toch erg sterk in het zich weer losmaken, zo is gebleken. Daarom worden nu nog slimmere methoden bedacht, zoals de genoemde koppeleiwitten.
Cellen aan de ketting
Het probleem om hersencellen met een chip te verbinden speelt niet alleen bij het implanteren van een chip in de hersenen, maar ook bij het groeien van hersencellen op een chip, met als doel om zo hun gedrag te bestuderen. Bij het Leuvense interuniversitaire lab voor micro-elektronica en nanotechnologie IMEC is Carmen Bartic groepsleider bio-elektronische systemen. Haar groep werkt onder andere aan het groeien van hersencellen op een chip.
“Onze chips bevatten patronen van cytofiele en cytofobe plekken”, vertelt Bartic. “De cellen willen wel op de cytofiele plekken gaan zitten, maar niet op de cytofobe plekken. Cytofiele plekken bestaan uit een nanometerdunne coating van speciale peptiden, zoals poly-L-lisine en laminine. Zo maken we cytofiele gebiedjes van tien tot vijftien micrometer breed, precies groot genoeg zodat cellichamen er gaan zitten. Deze gebiedjes zijn verbonden via dunne lijntjes, waar de celuitlopers in kunnen groeien. De celuitlopers verbinden de cellichamen met elkaar. Door dit patroon van cytofiele en cytofobe plekken voorkomen we dat de cellen gaan bewegen – iets wat ze normaal wel doen.”
De chip legt de cellen dus als het ware aan de ketting. Typisch zitten er zo’n honderd cellen op een chip, maar het precieze aantal hangt sterk af van de toepassing. “Idealiter kan de chip met elke individuele cel communiceren”, zegt Bartic. “Dat lukt ons tegenwoordig vrij goed.”
In samenwerking met biologen en medici gebruikt het IMEC de cellen op een chip bijvoorbeeld voor onderzoek naar ziekten als Alzheimer of Parkinson. Bartic: “Zo kunnen we onderzoeken wat een bepaalde stof in al die cellen doet. Of we gebruiken de cellen om de werking van geneesmiddelen te onderzoeken.”
Stukje bij beetje wordt er vooruitgang geboekt om dode met levende materie te laten praten. Begin 2007 werd in de VS een siliciumchip in een deel van het geheugensysteem van een rat geïmplanteerd. Het was de eerste keer dat een chip niet alleen signalen uit de hersenen ontvangt, maar ook zorgvuldig berekende signalen terugstuurt. De chip gedraagt zich dus als een soort elektronische bypass in de hersenen. Zo wordt onderzocht of zo’n chip misschien ooit geheugendefecten kan herstellen.
Internet
Onderzoek van Wim Rutten: http://bss.ewi.utwente.nl/people/scientific/wim_rutten.doc/
Het neuroelectronics convergence laboratory van het Vlaamse IMEC: www.imec.be/wwwinter/mediacenter/en/SR2005/html/142373.html
IMEC Bioelectronics: www.imec.be/microsystems/bioelectronics/
Neurotechnology Systems Inc.: www.cyberkinetics.com
Laboratory for Neural Engineering van een van de pioniers, Theodore Berger: www.usc.edu/dept/engineering/neuralengineering/
Onderzoeksgroep van Miguel Nicolelis: www.neuro.duke.edu/faculty/nicolelis/
Artikel over het werk van José Delgado, de pionier van de hersenchip. Met de beroemde foto’s uit 1963 van de stier die zijn aanval stopt: www.wireheading.com/delgado/brainchips.pdf
Hoe verbind je levende hersencellen met een levenloze chip? Wellicht lukt het door de chip biochemisch zo te vermommen dat hij aantrekkelijk wordt voor de cellen.
In 1963 implanteerde de Spaanse fysioloog José Delgado een elektrische stimulator in de hersenen van een stier. Op een ranch in Cordoba daagde hij het beest vervolgens uit. Terwijl de stier hem aanviel, drukte Delgado op een afstandbediening. Deze stimuleerde een zorgvuldig uitgekiende hersenkern, waarna het beest zijn aanval meteen stopte. De foto’s van Delgado en de stier gingen de hele wereld over. De New York Times sprak over een spectaculaire demonstratie van technologische controle over het brein.
Het onderzoek naar hersenimplantaten voor medische toepassingen kwam in de jaren zeventig en tachtig op een laag pitje te staan, omdat doorbraken uitbleven. Maar inmiddels is het onderzoek naar de hersenchip weer helemaal terug, gesteund door ontwikkelingen in de micro- en nano-elektronica, door een betere kennis van de hersenen en door nieuw biomaterialenonderzoek.
Hersenchips kunnen bijvoorbeeld uitkomst bieden bij mensen met een verlamming. Een patiënt kan dan via zijn gedachten bijvoorbeeld een robotarm of iets anders aansturen. Ook patiënten met een depressie, de ziekte van Parkinson, epilepsie of dwangstoornissen kunnen baat hebben van geïmplanteerde elektroden, die de ziekte op de juiste plek te lijf gaat met subtiele stroomstootjes.
Spijkerbed
Het grootste probleem is echter dat een levende hersencel maar moeilijk contact maakt met een niet-levende chip. Probeer levend weefsel in contact te brengen met niet-biologische materialen, en het liefst keert het weefsel de chip de rug toe. Of elektroden op de chip raken ingekapseld door bindweefsel waardoor de elektrische geleiding afneemt en de cel slechter te prikkelen valt. De grote uitdaging is om een langdurige, stabiele verbinding tussen hersencel en chip te maken; eentje die niet te lijden heeft onder weefselschade of loslatende neuronen.
Hoogleraar neurotechnologie Wim Rutten doet aan de Universiteit Twente onderzoek naar de hersenchip. “Globaal gesproken zijn er twee manieren om een chip met een hersencel te verbinden”, zegt Rutten. “Ofwel je brengt elektroden naar de cellen toe, ofwel je brengt de cellen naar de elektroden toe.”
Op de eerste manier gebruik je een array van een stuk of honderd kleine elektroden: een soort spijkerbed. Dat spijkerbed prik je in een klein gebied van de hersenen. Het idee is om tientallen cellen tegelijk te stimuleren, omdat we wel globaal weten wat verschillende hersengebiedjes doen, maar niet wat elke hersencel afzonderlijk doet. Vijftig tot zeventig procent van al die elektroden komt dicht genoeg bij een cel om deze elektrisch te stimuleren.
De elektroden zijn tweehonderd tot vijfhonderd micrometer lang, tien micrometer breed (ongeveer zo breed als het lichaam van een hersencel), en ze staan honderd micrometer uit elkaar. Zo kreeg de door een steekpartij verlamd geraakte Amerikaan Matthew Nagle in 2004 een brein-computerinterface geïmplanteerd. Nagle mocht het bij wijze van proef een jaar gebruiken. In die tijd kon hij door te denken de cursor op een computerscherm aansturen en zo bijvoorbeeld een tv bedienen of e-mail checken.
Op de tweede manier probeer je idealiter elke cel met een elektrode te verbinden. Dit is een verfijndere methode. Je probeert om celuitlopers uit te lokken om zich aan een elektrode te hechten. Hier ligt ook de grootste chemische uitdaging, vertelt Rutten. “Hoe zorg je ervoor dat celuitlopers goed hechten aan een elektrode? Welke biomaterialen moet je daarvoor gebruiken?”
Adhesie
De elektroden zelf zijn gemaakt van roestvrij staal, platina, goud of iridiumoxide. Om elektrolyse te vermijden, blijven de stroompjes beperkt tot nano- of microampères. Zenuwcellen hebben ook niet meer nodig, mits de elektrode maar dicht genoeg bij het celmembraan zit.
Het lichaam accepteert niet graag vreemde materialen. Onderzoekers moeten daarom moeite doen om de juiste biomaterialen te vinden waarmee een chip wel hersencellen kan verleiden. Rutten: “We bedekken de elektroden met eiwitten die goed passen bij het biologische signaleringsproces van de cel. Bijvoorbeeld coatings van laminine of poly-D-lysine. De stroom gaat gewoon door die monolaag heen. De uitdaging ligt in de adhesie. Cellen plakken normaal aan elkaar doordat er eiwitten door het celmembraan steken. Deze eiwitten koppelen aan uitsteeksels van een andere cel. Wij proberen nu te spelen met een hele familie van koppeleiwitten om uit te zoeken welk eiwit het beste werkt.”
Omdat een driedimensionale spijkerbedchip moeilijk te maken is, proberen onderzoekers nu elektroden in een plat vlak te gebruiken, voorzien van adhesieve lagen en gekweekte neuronen. Een cultured probe heet dat. Rutten: “In een cultured probe combineren we chiptechnologie met cel- en tissue-engineering. We gebruiken conventionele chiptechnologie om op een glasplaatje elektroden en isolatielagen te dampen. We kweken rond elke elektrode een groepje neuronen. Later implanteren we dan het hele zaakje, en lokken we celuitlopers van de zenuwcellen naar iedere elektrode. De gekweekte groepjes neuronen fungeren als lokvogels door de afgifte van natuurlijke groeistoffen. In het lab zijn onderdelen hiervan al geslaagd.”
De ontwikkeling van de ‘cultured probe’ is sterk afhankelijk van de kwaliteit van het contact tussen de cellen en de elektrodesubstraatmaterialen, meestal glas of silicium. Hoe goed is dat contact, en hoe lang houden cellen dat contact vol? Rutten: “In het lab proberen we de adhesie te verstevigen door het aanbrengen van adhesieve chemische coatings: nanolagen van polymeren of eiwitten. Deze lagen moeten zowel aan het substraat als aan de cel hechten. Daarnaast worden de gebieden waar geen hechting moet optreden neurofoob gemaakt. In het algemeen zijn aminegroupen celvriendelijk, en methylgroepen celonvriendelijk. Ook zijn cellen lichtelijk negatief elektrisch geladen, zodat ze met positieve lading vastgehouden kunnen worden.”
Tot dertig dagen gaat het goed, maar uiteindelijk zijn cellen toch erg sterk in het zich weer losmaken, zo is gebleken. Daarom worden nu nog slimmere methoden bedacht, zoals de genoemde koppeleiwitten.
Cellen aan de ketting
Het probleem om hersencellen met een chip te verbinden speelt niet alleen bij het implanteren van een chip in de hersenen, maar ook bij het groeien van hersencellen op een chip, met als doel om zo hun gedrag te bestuderen. Bij het Leuvense interuniversitaire lab voor micro-elektronica en nanotechnologie IMEC is Carmen Bartic groepsleider bio-elektronische systemen. Haar groep werkt onder andere aan het groeien van hersencellen op een chip.
“Onze chips bevatten patronen van cytofiele en cytofobe plekken”, vertelt Bartic. “De cellen willen wel op de cytofiele plekken gaan zitten, maar niet op de cytofobe plekken. Cytofiele plekken bestaan uit een nanometerdunne coating van speciale peptiden, zoals poly-L-lisine en laminine. Zo maken we cytofiele gebiedjes van tien tot vijftien micrometer breed, precies groot genoeg zodat cellichamen er gaan zitten. Deze gebiedjes zijn verbonden via dunne lijntjes, waar de celuitlopers in kunnen groeien. De celuitlopers verbinden de cellichamen met elkaar. Door dit patroon van cytofiele en cytofobe plekken voorkomen we dat de cellen gaan bewegen – iets wat ze normaal wel doen.”
De chip legt de cellen dus als het ware aan de ketting. Typisch zitten er zo’n honderd cellen op een chip, maar het precieze aantal hangt sterk af van de toepassing. “Idealiter kan de chip met elke individuele cel communiceren”, zegt Bartic. “Dat lukt ons tegenwoordig vrij goed.”
In samenwerking met biologen en medici gebruikt het IMEC de cellen op een chip bijvoorbeeld voor onderzoek naar ziekten als Alzheimer of Parkinson. Bartic: “Zo kunnen we onderzoeken wat een bepaalde stof in al die cellen doet. Of we gebruiken de cellen om de werking van geneesmiddelen te onderzoeken.”
Stukje bij beetje wordt er vooruitgang geboekt om dode met levende materie te laten praten. Begin 2007 werd in de VS een siliciumchip in een deel van het geheugensysteem van een rat geïmplanteerd. Het was de eerste keer dat een chip niet alleen signalen uit de hersenen ontvangt, maar ook zorgvuldig berekende signalen terugstuurt. De chip gedraagt zich dus als een soort elektronische bypass in de hersenen. Zo wordt onderzocht of zo’n chip misschien ooit geheugendefecten kan herstellen.
Internet
Onderzoek van Wim Rutten: http://bss.ewi.utwente.nl/people/scientific/wim_rutten.doc/
Het neuroelectronics convergence laboratory van het Vlaamse IMEC: www.imec.be/wwwinter/mediacenter/en/SR2005/html/142373.html
IMEC Bioelectronics: www.imec.be/microsystems/bioelectronics/
Neurotechnology Systems Inc.: www.cyberkinetics.com
Laboratory for Neural Engineering van een van de pioniers, Theodore Berger: www.usc.edu/dept/engineering/neuralengineering/
Onderzoeksgroep van Miguel Nicolelis: www.neuro.duke.edu/faculty/nicolelis/
Artikel over het werk van José Delgado, de pionier van de hersenchip. Met de beroemde foto’s uit 1963 van de stier die zijn aanval stopt: www.wireheading.com/delgado/brainchips.pdf
Monday, February 18, 2008
Waarom draait de aarde om zijn as?
Dit artikel is gepubliceerd in Trouw, 18 februari 2008
Het heelal was al 9,1 miljard jaar oud toen de aarde ontstond. Bij die gewelddadige vorming – 4,6 miljard jaar geleden – ging de aarde ook om zijn eigen as tollen. Eenmaal in de 24 uur, tenminste vandaag de dag. Maar hoe ontstond die draaiing?
Astronoom Carsten Dominik van de Universiteit van Amsterdam en de Radboud Universiteit Nijmegen bestudeert de vorming van planeten. “Stel dat je met een tennisracket tegen een bal slaat die niet roteert. Dan is de kans groot dat de bal wel roteert nadat je er tegen hebt geslagen. Meestal raak je de bal zodanig dat hij rond zijn eigen as gaat draaien.”
Tijdens de vorming van ons zonnestelsel – uit een enorme draaiende schijf van gas en stof – stortten rotsklompen van één tot enkele kilometers breed op elkaar. Zo ontstonden de planeten. En als er weer eens een nieuwe rotsklomp op de mini-aarde viel, dan groeide de mini-aarde niet alleen, hij kreeg ook weer een extra draaiing. Soms hard, soms zacht. Soms de ene kant op, soms de andere. Al die inslagen samen vormden niet alleen de aarde die we nu kennen, maar gaven er ook op een toevallige manier een draaiing aan.
De aarde draait naar het oosten. Als die richting willekeurig is bepaald, zijn er dan ook planeten in ons zonnestelsel die een andere kant op draaien? Dominik: “Venus draait nauwelijks. Mercurius draait heel langzaam. En Mars draait in dezelfde richting als de aarde. Alleen bij planeten ter grootte van de aarde of kleiner is de draaiing toevallig bepaald. Voor grotere planeten geldt dat niet meer. Die trekken zo hard aan de rotsklompen, dat die klompen steeds op dezelfde manier op de planeet storten. Dan krijg je een voorkeursdraaiing. De aarde ligt in het grensgebied. Astronomen discussiëren nog of de draaiing net wel volledig door het toeval is bepaald, of net niet.”
En als een planeet eenmaal draait, dan zijn de krachten die er op werken zo klein dat hij maar heel langzaam afremt. Dominik: “Per eeuw duurt een aardrotatie – een dag dus – 2,5 duizendste van een seconde langer. De belangrijkste oorzaak is de zwaartekracht die de maan op de aarde uitoefent, en vooral op de oceanen. Op elk moment is er een vloedberg aan de kant van de aarde die het dichtst bij de maan staat, en een andere aan de tegenoverliggende kant. De aarde draait onder die vloedbergen door. Dat veroorzaakt wrijving, waardoor de draaiing steeds trager gaat.”
Hoe verder in het verleden, hoe sneller de aarde draaide, en dus hoe korter de dagen. In het tijdperk van de dinosaurussen draaide de aarde in een volledige baan rond de zon 370 maal om zijn as, in plaats van de 365 van nu. Twee miljard jaar geleden was dat achthonderd maal in een jaar. Dat is zelfs afgeleid uit de gelaagdheid van gefossiliseerde koloniën cyanobacteriën (stromatolieten).
Het heelal was al 9,1 miljard jaar oud toen de aarde ontstond. Bij die gewelddadige vorming – 4,6 miljard jaar geleden – ging de aarde ook om zijn eigen as tollen. Eenmaal in de 24 uur, tenminste vandaag de dag. Maar hoe ontstond die draaiing?
Astronoom Carsten Dominik van de Universiteit van Amsterdam en de Radboud Universiteit Nijmegen bestudeert de vorming van planeten. “Stel dat je met een tennisracket tegen een bal slaat die niet roteert. Dan is de kans groot dat de bal wel roteert nadat je er tegen hebt geslagen. Meestal raak je de bal zodanig dat hij rond zijn eigen as gaat draaien.”
Tijdens de vorming van ons zonnestelsel – uit een enorme draaiende schijf van gas en stof – stortten rotsklompen van één tot enkele kilometers breed op elkaar. Zo ontstonden de planeten. En als er weer eens een nieuwe rotsklomp op de mini-aarde viel, dan groeide de mini-aarde niet alleen, hij kreeg ook weer een extra draaiing. Soms hard, soms zacht. Soms de ene kant op, soms de andere. Al die inslagen samen vormden niet alleen de aarde die we nu kennen, maar gaven er ook op een toevallige manier een draaiing aan.
De aarde draait naar het oosten. Als die richting willekeurig is bepaald, zijn er dan ook planeten in ons zonnestelsel die een andere kant op draaien? Dominik: “Venus draait nauwelijks. Mercurius draait heel langzaam. En Mars draait in dezelfde richting als de aarde. Alleen bij planeten ter grootte van de aarde of kleiner is de draaiing toevallig bepaald. Voor grotere planeten geldt dat niet meer. Die trekken zo hard aan de rotsklompen, dat die klompen steeds op dezelfde manier op de planeet storten. Dan krijg je een voorkeursdraaiing. De aarde ligt in het grensgebied. Astronomen discussiëren nog of de draaiing net wel volledig door het toeval is bepaald, of net niet.”
En als een planeet eenmaal draait, dan zijn de krachten die er op werken zo klein dat hij maar heel langzaam afremt. Dominik: “Per eeuw duurt een aardrotatie – een dag dus – 2,5 duizendste van een seconde langer. De belangrijkste oorzaak is de zwaartekracht die de maan op de aarde uitoefent, en vooral op de oceanen. Op elk moment is er een vloedberg aan de kant van de aarde die het dichtst bij de maan staat, en een andere aan de tegenoverliggende kant. De aarde draait onder die vloedbergen door. Dat veroorzaakt wrijving, waardoor de draaiing steeds trager gaat.”
Hoe verder in het verleden, hoe sneller de aarde draaide, en dus hoe korter de dagen. In het tijdperk van de dinosaurussen draaide de aarde in een volledige baan rond de zon 370 maal om zijn as, in plaats van de 365 van nu. Twee miljard jaar geleden was dat achthonderd maal in een jaar. Dat is zelfs afgeleid uit de gelaagdheid van gefossiliseerde koloniën cyanobacteriën (stromatolieten).
Zetten pulsars een nieuwe wereldwijde tijdstandaard?
Astronomen proberen een nieuwe tijdstandaard vast te stellen gebaseerd op het tikken van millisecondepulsars. Ze claimen dat deze pulsartijd over tien jaar stabieler zal zijn dan de atoomtijd.
Dit artikel is gepubliceerd in Natuurwetenschap & Techniek, mei 2007
Alle oude culturen bepaalden de tijd aan de hand van de zon en andere hemellichamen. Pas met de uitvinding van de eerste mechanische klok in de 14e eeuw kwam daar langzaam verandering in. Slingeruurwerken, kwartsklokken en uiteindelijk atoomklokken konden de tijd steeds nauwkeuriger meten. Sinds 1967 is zelfs de seconde officieel niet langer meer gedefinieerd als het 1/86.400e deel van een gemiddelde dag, maar op grond van tikken van een cesiumatoomklok. Een groep astronomen heeft echter het plan om de tijd weer te baseren op de sterren, en niet op aardse klokken.
De van oorsprong Nieuw-Zeelandse astronoom Dick Manchester geeft in Australië leiding aan het Parkes Pulsar Timing Array, een onderzoeksproject dat in eerste instantie speurt naar zwaartekrachtgolven. Naar deze golven in de ruimtetijd wordt al decennialang gezocht, maar ze zijn nog nooit direct gemeten. Om zwaartekrachtgolven te detecteren worden de sublieme klokeigenschappen van zo’n twintig millisecondenpulsars benut. Pulsars zijn snel roterende neutronensterren die vuurtorenbundels van radiostraling uitzenden. Elke keer als zo’n bundel over de aarde strijkt, detecteren radiotelescopen een puls. Die pulsen zijn als tikken van een klok. Als de ruimtetijd nu lichtjes op en neer deint door een zwaartekrachtgolf, dan meten radiotelescopen even een iets anders tikkende klok.
Het project kan echter twee vliegen in een klap vangen. Manchester: “Het tweede doel is namelijk om aan de hand van de klokeigenschappen van dezelfde twintig pulsars een nieuwe tijdstandaard vast te stellen.” Eentje die volgens Manchester stabieler is dan de huidige internationale atoomtijd.
Tollende sterren
Pulsars zijn niet meer dan twintig tot dertig kilometer breed, maar de materie (vrijwel alleen neutronen) zit een miljoen maal een miljoen keer dichter op elkaar gepakt dan in gewone aardse materie. Een pulsar is wat er overblijft nadat een ster van minimaal een aantal zonsmassa’s onder zijn eigen zwaartekracht is geëxplodeerd (een supernova-explosie). De snelst roterende pulsars – millisecondepulsars – tollen honderden malen per seconde rond. Omdat ze zo massief en zo klein zijn, is hun tolsnelheid extreem stabiel. Ze laten zich door niets en niemand van de wijs brengen. Echter, omdat ze noodzakelijkerwijs energie verliezen bij het uitzenden van hun straling, remmen zelfs de beste millisecondepulsars een beetje af: ongeveer een miljoenste van een seconde in een miljoen jaar. Toch vervelend voor een klok die de beste wil worden.
“De miljoen-dollar-vraag is of deze afremming constant is of niet”, zegt Ben Stappers, pulsaronderzoeker van de Universiteit van Amsterdam, en net als Dick Manchester van oorsprong een Nieuw-Zeelander. Hij gebruikt onder andere de Westerbork Synthesis Radio Telescoop voor zijn pulsaronderzoek. “Voor zover we weten, is de afremming van de tolsnelheid inderdaad constant. Dat betekent dat we de pulsartijd ervoor kunnen corrigeren.” In principe blijft de gecorrigeerde pulsartijd dan steeds even snel tikken.
Stappers zit in het Europese samenwerkingsverband PULSE, dat dezelfde doelen heeft als het Australische project. De Europeanen hebben begin 2007 een samenwerkingsovereenkomst getekend met het team van Manchester. Stappers: “Vanuit Europa zien we deels andere pulsars dan de Australiërs op het zuidelijk halfrond zien, en deels dezelfde. Zien we dezelfde pulsars, dan kunnen we de metingen combineren en de nauwkeurigheid van de pulsartijd nog verder vergroten. En zien we andere pulsars, dan vullen onze metingen elkaar aan.”
Atoomtijd meet pulsartijd
Een cesiumatoomklok tikt in een seconde meer dan negen miljard keer. Veel meer tikken per seconde dus dan de snelste pulsar. “Daarom kun je met een pulsar tijdschalen korter dan milliseconden niet meten”, aldus Stappers. “Daar blijf je atoomklokken voor nodig hebben. Maar het is niet vreemd dat je verschillende soorten klokken gebruikt op verschillende tijdschalen. Bij de Westerbork-telescoop gebruiken we voor de kortste tijdschalen een klok gebaseerd op een rubidiumkristal. Voor de wat langere tijdschalen gebruiken we een klok gebaseerd op een waterstofmaser, de beste klok tot de cesiumatoomklok op het toneel verscheen. De tijd van de waterstofmaser vergelijken we vervolgens met de GPS-tijd, die zelf weer gebaseerd is op atoomklokken. Natuurlijk zouden we liever een eigen atoomklok hebben, maar die kunnen we niet betalen. De groep van Dick Manchester gebruikt trouwens wel een directe link tussen de telescoop en een Australische atoomklok om de pulsartijd te meten.”
Als pulsartijd de kortste tijdschalen niet kan meten, wat is dan toch het voordeel van een pulsartijd boven atoomtijd? Dick Manchester: “Het grote voordeel van pulsars ligt in hun stabiliteit over lange tijdschalen: jaren, decennia en zelfs eeuwen. Atoomklokken hebben een levensduur van een paar jaar. Dan worden ze weer vervangen door betere. Bovendien gaat het vacuümsysteem van zo’n klok gaat langzaam achteruit, net als andere dingen in de behuizing van een atoomklok. Maar een pulsar staat ergens ver in de ruimte, kan er miljarden jaren staan en heeft geen last van wat er ook op aarde gebeurt. Ik weet niet of het effect heeft, maar stel dat atoomklokken door de opwarming van de aarde iets anders gaan tikken, dan zal niemand dat merken, omdat alle atoomklokken dan iets anders gaan tikken. Pulsars zullen daar nooit last van hebben. Met de pulsartijd hebben we een onafhankelijke methode om de aardse tijd te controleren, en eventuele fouten in de aardse tijd te ontdekken.”
Maar wellicht dat pulsars wel van andere dingen last hebben. Weten wij veel wat er ver in het heelal allemaal gebeurt. “Dat kan in principe”, beaamt Manchester. “Maar daarom willen we de tijd baseren op een gemiddelde van minimaal twintig pulsars, die verspreid over verschillende delen van het heelal staan. Als er met een pulsar op een gegeven moment toch iets geks gebeurt, dan gooien we die uit de lijst van pulsars die bijdragen aan de pulsartijd.”
Stabieler dan atoomtijd
De Parkes Radio Telescoop in Australië houdt sinds drie jaar het tikken bij van twintig millisecondepulsars. Aan een aantal van deze pulsars is zelfs al tien jaar gemeten. Manchester: “Over deze tien jaar hebben we de frequentie van een enkele pulsar bepaald met een nauwkeurigheid van 1 op 1015. Dat is vergelijkbaar met de nauwkeurigheid van de beste atoomklokken. Maar als we een jaar of tien verder zijn, dan is de stabiliteit superieur aan die van atoomklokken. Bovendien hebben we de tijd tot nu toe alleen gebaseerd op individuele pulsars. Als we gaan middelen over alle twintig pulsars, dan neemt de nauwkeurigheid nog verder toe. We denken dat twintig pulsars al voldoende zijn om atoomklokken te verslaan. Wie geïnteresseerd is in een klok die stabiel is over meerdere jaren, kan beter de pulsartijd gebruiken dan de atoomtijd.”
Als astronomen de tijd over tien jaar zouden baseren op alleen de twee beste pulsars dan leidt dat tot een verwachte afwijking van twee milliseconden in een miljoen jaar, zo heeft Manchester berekend. De beste atoomklokken hebben een verwachte afwijking van tien milliseconden in een miljoen jaar; een factor vijf minder goed. Met meer pulsars moet de pulsartijd het nog beter gaan doen. Manchester: “Natuurlijk weten we van de pulsars niet zeker of ze stabiel zijn tot over een miljoen jaar, omdat we er pas tien jaar aan meten. Maar we weten wel zeker dat atoomklokken dat niet zijn. Pulsars zijn dat misschien wel.”
Nu nog is de seconde gedefinieerd als 9 miljard 192 miljoen 631 duizend 770 tikken van een cesiumatoomklok. Het zal nog een hele strijd worden voor de astronomen om het Internationale Bureau voor Maten en Gewichten te overtuigen dat de seconde in veiliger handen is bij de pulsars. Ongetwijfeld zullen de atoomklokfysici zich niet gemakkelijk gewonnen geven. Het voordeel dat atoomklokken nodig blijven voor het meten van fenomenen die sneller tikken dan pulsars hebben ze alvast.
Meer informatie:
Parkes Pulsar Timing Array-project: www.atnf.csiro.au/research/pulsar/array/
Achtergrondinformatie over pulsars: http://outreach.atnf.csiro.au/education/everyone/pulsars/
De Nederlandse pulsargroep: www.astron.nl/~stappers/wiki/doku.php?id
De Westerbork Synthesis Radio Telescope: www.astron.nl/pnl/observingnl.htm
De International Atomic Time (TAI) wordt bepaald door het Bureau International des Poids et Mesures in Parijs: www1.bipm.org/en/scientific/tai/
De geschiedenis van tijdmetingen: http://physics.nist.gov/GenInt/Time/time.html
Dit artikel is gepubliceerd in Natuurwetenschap & Techniek, mei 2007
Alle oude culturen bepaalden de tijd aan de hand van de zon en andere hemellichamen. Pas met de uitvinding van de eerste mechanische klok in de 14e eeuw kwam daar langzaam verandering in. Slingeruurwerken, kwartsklokken en uiteindelijk atoomklokken konden de tijd steeds nauwkeuriger meten. Sinds 1967 is zelfs de seconde officieel niet langer meer gedefinieerd als het 1/86.400e deel van een gemiddelde dag, maar op grond van tikken van een cesiumatoomklok. Een groep astronomen heeft echter het plan om de tijd weer te baseren op de sterren, en niet op aardse klokken.
De van oorsprong Nieuw-Zeelandse astronoom Dick Manchester geeft in Australië leiding aan het Parkes Pulsar Timing Array, een onderzoeksproject dat in eerste instantie speurt naar zwaartekrachtgolven. Naar deze golven in de ruimtetijd wordt al decennialang gezocht, maar ze zijn nog nooit direct gemeten. Om zwaartekrachtgolven te detecteren worden de sublieme klokeigenschappen van zo’n twintig millisecondenpulsars benut. Pulsars zijn snel roterende neutronensterren die vuurtorenbundels van radiostraling uitzenden. Elke keer als zo’n bundel over de aarde strijkt, detecteren radiotelescopen een puls. Die pulsen zijn als tikken van een klok. Als de ruimtetijd nu lichtjes op en neer deint door een zwaartekrachtgolf, dan meten radiotelescopen even een iets anders tikkende klok.
Het project kan echter twee vliegen in een klap vangen. Manchester: “Het tweede doel is namelijk om aan de hand van de klokeigenschappen van dezelfde twintig pulsars een nieuwe tijdstandaard vast te stellen.” Eentje die volgens Manchester stabieler is dan de huidige internationale atoomtijd.
Tollende sterren
Pulsars zijn niet meer dan twintig tot dertig kilometer breed, maar de materie (vrijwel alleen neutronen) zit een miljoen maal een miljoen keer dichter op elkaar gepakt dan in gewone aardse materie. Een pulsar is wat er overblijft nadat een ster van minimaal een aantal zonsmassa’s onder zijn eigen zwaartekracht is geëxplodeerd (een supernova-explosie). De snelst roterende pulsars – millisecondepulsars – tollen honderden malen per seconde rond. Omdat ze zo massief en zo klein zijn, is hun tolsnelheid extreem stabiel. Ze laten zich door niets en niemand van de wijs brengen. Echter, omdat ze noodzakelijkerwijs energie verliezen bij het uitzenden van hun straling, remmen zelfs de beste millisecondepulsars een beetje af: ongeveer een miljoenste van een seconde in een miljoen jaar. Toch vervelend voor een klok die de beste wil worden.
“De miljoen-dollar-vraag is of deze afremming constant is of niet”, zegt Ben Stappers, pulsaronderzoeker van de Universiteit van Amsterdam, en net als Dick Manchester van oorsprong een Nieuw-Zeelander. Hij gebruikt onder andere de Westerbork Synthesis Radio Telescoop voor zijn pulsaronderzoek. “Voor zover we weten, is de afremming van de tolsnelheid inderdaad constant. Dat betekent dat we de pulsartijd ervoor kunnen corrigeren.” In principe blijft de gecorrigeerde pulsartijd dan steeds even snel tikken.
Stappers zit in het Europese samenwerkingsverband PULSE, dat dezelfde doelen heeft als het Australische project. De Europeanen hebben begin 2007 een samenwerkingsovereenkomst getekend met het team van Manchester. Stappers: “Vanuit Europa zien we deels andere pulsars dan de Australiërs op het zuidelijk halfrond zien, en deels dezelfde. Zien we dezelfde pulsars, dan kunnen we de metingen combineren en de nauwkeurigheid van de pulsartijd nog verder vergroten. En zien we andere pulsars, dan vullen onze metingen elkaar aan.”
Atoomtijd meet pulsartijd
Een cesiumatoomklok tikt in een seconde meer dan negen miljard keer. Veel meer tikken per seconde dus dan de snelste pulsar. “Daarom kun je met een pulsar tijdschalen korter dan milliseconden niet meten”, aldus Stappers. “Daar blijf je atoomklokken voor nodig hebben. Maar het is niet vreemd dat je verschillende soorten klokken gebruikt op verschillende tijdschalen. Bij de Westerbork-telescoop gebruiken we voor de kortste tijdschalen een klok gebaseerd op een rubidiumkristal. Voor de wat langere tijdschalen gebruiken we een klok gebaseerd op een waterstofmaser, de beste klok tot de cesiumatoomklok op het toneel verscheen. De tijd van de waterstofmaser vergelijken we vervolgens met de GPS-tijd, die zelf weer gebaseerd is op atoomklokken. Natuurlijk zouden we liever een eigen atoomklok hebben, maar die kunnen we niet betalen. De groep van Dick Manchester gebruikt trouwens wel een directe link tussen de telescoop en een Australische atoomklok om de pulsartijd te meten.”
Als pulsartijd de kortste tijdschalen niet kan meten, wat is dan toch het voordeel van een pulsartijd boven atoomtijd? Dick Manchester: “Het grote voordeel van pulsars ligt in hun stabiliteit over lange tijdschalen: jaren, decennia en zelfs eeuwen. Atoomklokken hebben een levensduur van een paar jaar. Dan worden ze weer vervangen door betere. Bovendien gaat het vacuümsysteem van zo’n klok gaat langzaam achteruit, net als andere dingen in de behuizing van een atoomklok. Maar een pulsar staat ergens ver in de ruimte, kan er miljarden jaren staan en heeft geen last van wat er ook op aarde gebeurt. Ik weet niet of het effect heeft, maar stel dat atoomklokken door de opwarming van de aarde iets anders gaan tikken, dan zal niemand dat merken, omdat alle atoomklokken dan iets anders gaan tikken. Pulsars zullen daar nooit last van hebben. Met de pulsartijd hebben we een onafhankelijke methode om de aardse tijd te controleren, en eventuele fouten in de aardse tijd te ontdekken.”
Maar wellicht dat pulsars wel van andere dingen last hebben. Weten wij veel wat er ver in het heelal allemaal gebeurt. “Dat kan in principe”, beaamt Manchester. “Maar daarom willen we de tijd baseren op een gemiddelde van minimaal twintig pulsars, die verspreid over verschillende delen van het heelal staan. Als er met een pulsar op een gegeven moment toch iets geks gebeurt, dan gooien we die uit de lijst van pulsars die bijdragen aan de pulsartijd.”
Stabieler dan atoomtijd
De Parkes Radio Telescoop in Australië houdt sinds drie jaar het tikken bij van twintig millisecondepulsars. Aan een aantal van deze pulsars is zelfs al tien jaar gemeten. Manchester: “Over deze tien jaar hebben we de frequentie van een enkele pulsar bepaald met een nauwkeurigheid van 1 op 1015. Dat is vergelijkbaar met de nauwkeurigheid van de beste atoomklokken. Maar als we een jaar of tien verder zijn, dan is de stabiliteit superieur aan die van atoomklokken. Bovendien hebben we de tijd tot nu toe alleen gebaseerd op individuele pulsars. Als we gaan middelen over alle twintig pulsars, dan neemt de nauwkeurigheid nog verder toe. We denken dat twintig pulsars al voldoende zijn om atoomklokken te verslaan. Wie geïnteresseerd is in een klok die stabiel is over meerdere jaren, kan beter de pulsartijd gebruiken dan de atoomtijd.”
Als astronomen de tijd over tien jaar zouden baseren op alleen de twee beste pulsars dan leidt dat tot een verwachte afwijking van twee milliseconden in een miljoen jaar, zo heeft Manchester berekend. De beste atoomklokken hebben een verwachte afwijking van tien milliseconden in een miljoen jaar; een factor vijf minder goed. Met meer pulsars moet de pulsartijd het nog beter gaan doen. Manchester: “Natuurlijk weten we van de pulsars niet zeker of ze stabiel zijn tot over een miljoen jaar, omdat we er pas tien jaar aan meten. Maar we weten wel zeker dat atoomklokken dat niet zijn. Pulsars zijn dat misschien wel.”
Nu nog is de seconde gedefinieerd als 9 miljard 192 miljoen 631 duizend 770 tikken van een cesiumatoomklok. Het zal nog een hele strijd worden voor de astronomen om het Internationale Bureau voor Maten en Gewichten te overtuigen dat de seconde in veiliger handen is bij de pulsars. Ongetwijfeld zullen de atoomklokfysici zich niet gemakkelijk gewonnen geven. Het voordeel dat atoomklokken nodig blijven voor het meten van fenomenen die sneller tikken dan pulsars hebben ze alvast.
Meer informatie:
Parkes Pulsar Timing Array-project: www.atnf.csiro.au/research/pulsar/array/
Achtergrondinformatie over pulsars: http://outreach.atnf.csiro.au/education/everyone/pulsars/
De Nederlandse pulsargroep: www.astron.nl/~stappers/wiki/doku.php?id
De Westerbork Synthesis Radio Telescope: www.astron.nl/pnl/observingnl.htm
De International Atomic Time (TAI) wordt bepaald door het Bureau International des Poids et Mesures in Parijs: www1.bipm.org/en/scientific/tai/
De geschiedenis van tijdmetingen: http://physics.nist.gov/GenInt/Time/time.html
De missie van Richard Dawkins
Richard Dawkins (1941) is sinds 1970 docent zoölogie aan Oxford University in Engeland en sinds 1995 is hij hoogleraar Public Understanding of Science aan dezelfde universiteit. Hij werd beroemd als schrijver van diverse populair-wetenschappelijke bestsellers, zoals The selfish gene (1976; later vertaald in het Nederlands onder de titel Onze onsterfelijke genen) The blind watchmaker (1986; De blinde horlogemaker) en Unweaving the rainbow (1998; Een regenboog ontrafelen). Hier volgt een interview met de auteur over zijn kijk op wetenschap en op het publieke begrip van wetenschap.
Dit artikel is gepubliceerd in Natuurwetenschap & Techniek, juli/augustus 2004
Wat is voor u het grote plezier van de wetenschap?
Wetenschap is de studie van de waarheid, van het heelal waarin we leven. Het is ook de studie van het leven zelf. Ik kan me maar heel weinig andere dingen voorstellen die meer vreugdevol zijn dan om de plaats te begrijpen waarin we ons zelf vinden: het heelal, de natuur van onszelf – een levend ding – en het proces te begrijpen dat ons heeft gemaakt: de evolutie. We leven maar kort. Ik vind het daarom een geweldig voorrecht om die korte tijd te gebruiken voor het begrijpen waarom we werden geboren, waarom we hier zijn en wat we zijn.
Sommige mensen vinden dat een wetenschappelijke verklaring van een bloem of van de sterrenhemel de schoonheid van de sterrenhemel of de bloem verstoort. Wat hebt u deze mensen te zeggen?
In Een regenboog ontrafelen heb ik geschreven over de dichter Keats die Newton beschuldigde van het verpesten van de schoonheid van de regenboog omdat hij uitlegde hoe een regenboog ontstaat. In dat boek beschreef ik dat Newton in werkelijkheid de regenboog juist nog mooier maakte, omdat we hem nu begrijpen. De regenboog is natuurlijk mijn metafoor voor wetenschap in het algemeen. Als je, liggend op je rug, naar de sterrenhemel kijkt, is hij prachtig. Maar hij wordt nog veel mooier als je je realiseert naar welke immense afstandsschalen en tijdschalen je kijkt, dat je zelfs ver terugkijkt in de tijd. Dat zijn prachtige gedachten, die het plezier van het kijken naar de sterren echt alleen maar kan vergroten.
Waarom zijn er dan toch mensen die vinden dat een wetenschappelijke verklaring afbreuk doet aan de schoonheid van die sterren?
Ik begrijp zelfs niet hoe mensen dat anders zien. Ik vind het heel vervelend voor ze. Het is mijn missie in het leven om over te dragen hoe ontzettend veel meer je uit je leven kunt halen als je de dingen op een wetenschappelijke manier bekijkt.
U schrijft in uw boek ´Kapelaan van de duivel´ dat wetenschap iets anders is dan gezond verstand, en dat het juist de onderbuikgevoelens van mensen zijn die het publieke begrip van de wetenschap bemoeilijken. Waarom is dat zo?
Op dit punt constateer ik dat er zelfs onder wetenschappers verschillende opvattingen zijn. T.H. Huxley, een tijdgenoot van Charles Darwin, zei dat wetenschap getraind en georganiseerd gezond verstand is. Andere wetenschappers, en zeker veel fysici, vinden dat wetenschap extreem tegenintuïtief is. Zij vinden dat als je op het gezonde verstand afgaat, je alleen maar verdwaald raakt. Ik denk dat beide meningen een deel van de waarheid bevatten. Zeker de fysica bevat veel tegenintuïtieve bevindingen. Als evolutiebioloog zoek ik daar een verklaring voor. Het menselijk brein is geëvolueerd via het omgaan met objecten van middelmatige grootte die bewegen met middelmatige snelheden. De evolutie heeft ons niet uitgerust om het gedrag van het hele kleine te begrijpen, zoals in kwantummechanica, noch om het gedrag van heel snel bewegende objecten te begrijpen, zoals in de relativiteitstheorie. We kunnen dus een Darwiniaanse verklaring geven waarom de gemiddelde mens zo slecht is in het begrijpen van de moderne natuurkunde, en waarom we andere zaken wel degelijk met ons gezond verstand kunnen begrijpen.
Ook mijn eigen veld van de evolutietheorie kent flinke moeilijkheden om zaken aan een groot publiek uit te leggen. Veel mensen vinden evolutietheorie zelfs intuïtief verdacht. Dan zeggen ze zoiets als: ‘je maakt mij echt niet wijs dat mijn overgrootvader een aap was’. Dat zijn mensen die zich waarschijnlijk beledigd voelen. Aan de andere kant begrijpen ze niet hoe zoiets complex als een oog door Darwiniaanse selectie heeft kunnen ontstaan. Het probleem is dat mensen de immense tijdschaal in rekening moeten nemen die evolutie nodig heeft. Wij mensen zijn uitgerust om seconden, minuten, jaren en decennia te begrijpen. Dat is de menselijke tijdschaal. Maar we zijn niet uitgerust om honderden miljoenen jaren te begrijpen, terwijl dat de tijdschaal is die je nodig hebt om evolutie te doorgronden. Er is dus een Darwiniaanse reden die verklaart waarom mensen problemen hebben met het begrijpen van zoiets als de evolutietheorie of kwantummechanica.
Is het publieke begrip van wetenschap in het algemeen, of evolutietheorie in het bijzonder, beter geworden in de afgelopen 25 jaar, sinds de publicatie van uw eerste boek?
Ik wou dat ik daar ‘ja’ op kon antwoorden, maar ik denk dat het antwoord ‘nee’ is. Zeker in de Verenigde Staten. Misschien in Europa wel, maar daar ben ik ook niet zeker van. Ik ben er eigenlijk vrij pessimistisch over.
Is het begrip ‘zelfzuchtige genen’, dat u in 1976 introduceerde, en het idee dat evolutie op het niveau van de genen werkt, ook niet eenvoudiger te aanvaarden in deze tijd, met al zijn ontwikkelingen in de genetica?
Het idee is zeker veel makkelijker aanvaard in de wetenschappelijke gemeenschap. Als je het veld ingaat, en spreekt met de wetenschappers die leeuwen en olifanten bestuderen, dan praten zij allemaal in termen van natuurlijke selectie op het niveau van de genen. Wat dat betreft is het idee succesvol aanvaard, maar als het gaat om het brede, algemene publiek, dan is het een heel ander verhaal. Het is een feit dat zo’n vijftig procent van het Amerikaanse electoraat gelooft dat de wereld minder dan tienduizend jaar geleden is geschapen. Als ik daarover nadenk, kan ik absoluut niet optimistisch zijn over het publieke begrip van wetenschap.
Dit artikel is gepubliceerd in Natuurwetenschap & Techniek, juli/augustus 2004
Wat is voor u het grote plezier van de wetenschap?
Wetenschap is de studie van de waarheid, van het heelal waarin we leven. Het is ook de studie van het leven zelf. Ik kan me maar heel weinig andere dingen voorstellen die meer vreugdevol zijn dan om de plaats te begrijpen waarin we ons zelf vinden: het heelal, de natuur van onszelf – een levend ding – en het proces te begrijpen dat ons heeft gemaakt: de evolutie. We leven maar kort. Ik vind het daarom een geweldig voorrecht om die korte tijd te gebruiken voor het begrijpen waarom we werden geboren, waarom we hier zijn en wat we zijn.
Sommige mensen vinden dat een wetenschappelijke verklaring van een bloem of van de sterrenhemel de schoonheid van de sterrenhemel of de bloem verstoort. Wat hebt u deze mensen te zeggen?
In Een regenboog ontrafelen heb ik geschreven over de dichter Keats die Newton beschuldigde van het verpesten van de schoonheid van de regenboog omdat hij uitlegde hoe een regenboog ontstaat. In dat boek beschreef ik dat Newton in werkelijkheid de regenboog juist nog mooier maakte, omdat we hem nu begrijpen. De regenboog is natuurlijk mijn metafoor voor wetenschap in het algemeen. Als je, liggend op je rug, naar de sterrenhemel kijkt, is hij prachtig. Maar hij wordt nog veel mooier als je je realiseert naar welke immense afstandsschalen en tijdschalen je kijkt, dat je zelfs ver terugkijkt in de tijd. Dat zijn prachtige gedachten, die het plezier van het kijken naar de sterren echt alleen maar kan vergroten.
Waarom zijn er dan toch mensen die vinden dat een wetenschappelijke verklaring afbreuk doet aan de schoonheid van die sterren?
Ik begrijp zelfs niet hoe mensen dat anders zien. Ik vind het heel vervelend voor ze. Het is mijn missie in het leven om over te dragen hoe ontzettend veel meer je uit je leven kunt halen als je de dingen op een wetenschappelijke manier bekijkt.
U schrijft in uw boek ´Kapelaan van de duivel´ dat wetenschap iets anders is dan gezond verstand, en dat het juist de onderbuikgevoelens van mensen zijn die het publieke begrip van de wetenschap bemoeilijken. Waarom is dat zo?
Op dit punt constateer ik dat er zelfs onder wetenschappers verschillende opvattingen zijn. T.H. Huxley, een tijdgenoot van Charles Darwin, zei dat wetenschap getraind en georganiseerd gezond verstand is. Andere wetenschappers, en zeker veel fysici, vinden dat wetenschap extreem tegenintuïtief is. Zij vinden dat als je op het gezonde verstand afgaat, je alleen maar verdwaald raakt. Ik denk dat beide meningen een deel van de waarheid bevatten. Zeker de fysica bevat veel tegenintuïtieve bevindingen. Als evolutiebioloog zoek ik daar een verklaring voor. Het menselijk brein is geëvolueerd via het omgaan met objecten van middelmatige grootte die bewegen met middelmatige snelheden. De evolutie heeft ons niet uitgerust om het gedrag van het hele kleine te begrijpen, zoals in kwantummechanica, noch om het gedrag van heel snel bewegende objecten te begrijpen, zoals in de relativiteitstheorie. We kunnen dus een Darwiniaanse verklaring geven waarom de gemiddelde mens zo slecht is in het begrijpen van de moderne natuurkunde, en waarom we andere zaken wel degelijk met ons gezond verstand kunnen begrijpen.
Ook mijn eigen veld van de evolutietheorie kent flinke moeilijkheden om zaken aan een groot publiek uit te leggen. Veel mensen vinden evolutietheorie zelfs intuïtief verdacht. Dan zeggen ze zoiets als: ‘je maakt mij echt niet wijs dat mijn overgrootvader een aap was’. Dat zijn mensen die zich waarschijnlijk beledigd voelen. Aan de andere kant begrijpen ze niet hoe zoiets complex als een oog door Darwiniaanse selectie heeft kunnen ontstaan. Het probleem is dat mensen de immense tijdschaal in rekening moeten nemen die evolutie nodig heeft. Wij mensen zijn uitgerust om seconden, minuten, jaren en decennia te begrijpen. Dat is de menselijke tijdschaal. Maar we zijn niet uitgerust om honderden miljoenen jaren te begrijpen, terwijl dat de tijdschaal is die je nodig hebt om evolutie te doorgronden. Er is dus een Darwiniaanse reden die verklaart waarom mensen problemen hebben met het begrijpen van zoiets als de evolutietheorie of kwantummechanica.
Is het publieke begrip van wetenschap in het algemeen, of evolutietheorie in het bijzonder, beter geworden in de afgelopen 25 jaar, sinds de publicatie van uw eerste boek?
Ik wou dat ik daar ‘ja’ op kon antwoorden, maar ik denk dat het antwoord ‘nee’ is. Zeker in de Verenigde Staten. Misschien in Europa wel, maar daar ben ik ook niet zeker van. Ik ben er eigenlijk vrij pessimistisch over.
Is het begrip ‘zelfzuchtige genen’, dat u in 1976 introduceerde, en het idee dat evolutie op het niveau van de genen werkt, ook niet eenvoudiger te aanvaarden in deze tijd, met al zijn ontwikkelingen in de genetica?
Het idee is zeker veel makkelijker aanvaard in de wetenschappelijke gemeenschap. Als je het veld ingaat, en spreekt met de wetenschappers die leeuwen en olifanten bestuderen, dan praten zij allemaal in termen van natuurlijke selectie op het niveau van de genen. Wat dat betreft is het idee succesvol aanvaard, maar als het gaat om het brede, algemene publiek, dan is het een heel ander verhaal. Het is een feit dat zo’n vijftig procent van het Amerikaanse electoraat gelooft dat de wereld minder dan tienduizend jaar geleden is geschapen. Als ik daarover nadenk, kan ik absoluut niet optimistisch zijn over het publieke begrip van wetenschap.
Neutrino’s vangen met een kubieke kilometer zuidpoolijs
Hoe vang je spookdeeltjes die bijna overal dwars doorheen schieten? Op de geografische zuidpool proberen onderzoekers het met een kubieke kilometer zuidpoolijs. Hier is een van de grootste experimenten ter wereld in aanbouw.
Dit artikel is verschenen in De Ingenieur, mei 2006
Het duurt nog tot 2011 eer ’s werelds grootste neutrinodetector gereed is, maar inmiddels zijn al negen van de tachtig kabels met detectoren diep in het zuidpoolijs vastgevroren. Het eerste meten kan al beginnen. IceCube, zoals de detector heet, wordt speciaal gebouwd voor het speuren naar hoog energetische neutrino’s, de ruimte in geslingerd door puntbronnen ver weg in het heelal. Supernova’s, gammaflitsen of zwarte gaten bijvoorbeeld. Volgens de huidige sterrenkundige theorieën kunnen er neutrino’s met energieën tot naar schatting 1018 elektronvolt worden uitgezonden. Dat is een miljoen maal hoger dan de krachtigste deeltjesversnellers op aarde momenteel kunnen produceren. Het vangen van deze kosmische neutrino’s kan zowel de natuurkunde van de fundamentele bouwstenen van ons heelal een stapje vooruit helpen, als nieuwe kosmologische inzichten leveren.
Nog nooit is er echter een detector in geslaagd dergelijke hoogenergetische kosmische deeltjes te betrappen op hun reis dwars door de aarde. Het heeft al veel moeite gekost om met de Kamiokande-detector in Japan zonneneutrino’s te meten, die in veel grotere hoeveelheden de aarde treffen, een veel lagere energie hebben en dus iets makkelijker te detecteren zijn (Nobelprijs natuurkunde 2002). Om hoogenergetische kosmische neutrino’s te betrappen is daarom een groot detectorvolume nodig en veel, heel veel geduld. Neutrino’s zijn elementaire deeltjes zonder elektrische lading en met zo weinig massa dat ze met vrijwel de lichtsnelheid dwars door alles heen vliegen. Zo schieten er per seconde miljarden neutrino’s door ieder mens heen. En niemand die er ooit iets van merkt. Ware spookdeeltjes.
Blauwe lichtflitsen in het zuidpoolijs
De Utrechtse eerstejaars promovendus Martijn Duvoort woonde afgelopen november twee weken op de geografische zuidpool om mee te helpen aan de bouw van IceCube. Hij testte er digitale, optische detectiebollen, voordat ze de ijzige diepte induiken. “Wanneer een neutrino binnen een paar kilometer van de detector toch op een atoomkern botst, en dat gebeurt heel zelden”, vertelt Duvoort, “dan ontstaat een muon, een ander fundamenteel deeltje. Zo’n deeltje kan typisch iets van tien kilometer reizen en produceert zogeheten Cherenkovstraling.”
Dat licht heeft een blauwe kleur en breidt zich in de vorm van een kegel met een hoek van 41 graden langs de muonbaan uit. Als dit in een transparant medium als water of ijs gebeurt, kunnen optische detectoren de Cherenkovstraling waarnemen. Duvoort: “Onze detectiebollen doen het in ijs. In de Middellandse Zee is de Europese Antares-detector in aanbouw, die het in water gaat proberen.”
Een neutrinotelescoop voor kosmische spookdeeltjes moet groot genoeg zijn zodat enkele van deze zeldzame neutrino’s de detector passeren. Bovendien moet de detector transparant genoeg zijn voor voortplanting van de Cherenkovstraling en het aanslaan van de optische detectoren. De diepe zee en het diepe ijs voldoen hieraan. Dit zijn de ideale plekken voor dit type neutrinodetectoren. Het zuidpoolijs blijkt buitengewoon zuiver, transparant en vrij van radioactiviteit te zijn. Anderhalve kilometer onder het zuidpooloppervlak, legt de het blauwe Cherenkovlicht ruim honderd meter af in het verder donkere ijs.
De zuidpooldetector IceCube en de vijftig keer zo kleine Middellandse Zeedetector Antares zijn in zekere zin complementair. IceCube zoekt naar neutrino’s die vanuit de noordelijke hemel komen, terwijl Antares juist kijkt naar de zuidelijke hemel. Omdat ijs het licht meer verstrooit, maar minder absorbeert, heeft IceCube een betere energieresolutie en een grotere effectief detectievolume, terwijl Antares de detectiehoek iets preciezer kan bepalen. Antares ligt op 2,5 kilometer diepte in zee. Een nadeel van een detector in zee, is dat er zelfs op die diepte beestjes zijn die via bioluminescentie licht uitzenden waar de detector last van heeft. Antares is eigenlijk een onderzoeksproject als voorloper van KM3net, een detector in de Middellandse Zee, die net als IceCube een kubieke kilometer groot moet worden.
Omdat alleen neutrino’s dwars door de aarde heen kunnen schieten, werkt de aarde zowel voor een detector in ijs als voor een detector in water als een soort filter. Ook in het Baikalmeer in Rusland zit trouwens nog een kleine neutrinodetector.
Gratis zuidpoolkoeling
Kosmische spookdeeltjes betrappen met gewoon aards, zichtbaar blauw licht in een kubieke kilometer zuidpoolijs. Een bizarre onderneming, en een van de grootste experimenten die ooit op aarde zijn gebouwd.
IceCube is de opvolger van Amanda, een meer dan vijftig keer zo kleine detector, en daarmee even groot als Antares, zodra deze af is. Amanda wist tussen 2000 en 2005 geen enkel kosmisch neutrino te betrappen. Het geduld raakte op, en dus moest het allemaal nog groter. “In totaal worden er voor de nieuwe detector tachtig gaten van 2,5 kilometer diep en zestig centimeter breed in het ijs gesmolten”, vertelt Duvoort. “Dat gebeurt met warm water. De boorkop is eigenlijk een blok metaal met sensoren die kijken of het blok recht hangt. Druksensoren geven aan hoe diep in het ijs de boorkop zit. Een gat maken duurt anderhalve dag. In elk gat gaat dan een dikke kabel met zestig optische detectiebollen.” Omdat er vanwege de veiligheid alleen tijdens de twee zomermaanden op de geografische zuidpool wordt gewerkt, duurt het echter nog vijf jaar voordat de detector helemaal af is.
De bollen bivakkeren tussen 1400 en 2400 meter diep in het ijs. Aan elke kabel, in elk van die tachtig gaten, hangen zestig bollen. De afstand tussen de bollen aan een kabel is zeventien meter. De kabels liggen onderling 125 meter uit elkaar, in een hexagonaal rooster van een kilometer hoog. Eenmaal in het ijs, vriezen ze vast en worden ze er nooit meer uitgehaald. Dat zou teveel moeite kosten. Elke detectiebol is 35,6 centimeter breed en uitgerust met een klok en een computer. “Een computer krijgt gratis koeling op de zuidpool. Erg handig”, zegt Duvoort. “Binnenin de bol is het een paar graden onder nul als hij in het zuidpoolijs ligt.”
De elektrische voeding voor de bollen wordt aangevoerd via de kabels, en wordt aan het pooloppervlak met dieselgeneratoren opgewekt, net als alle andere elektriciteit die op de pool nodig is. Een twisted pair van kabeltjes voorziet twee bollen van stroom, zodat er per kabel in elk boorgat dertig twisted pairs naar beneden lopen. Overigens is het energieverbruik van een enkele detectiebol maar drie watt. De kabels zijn zes centimeter dik, en dienen niet alleen voor het elektriciteitstransport maar ook voor alle signaaltransport van boven naar beneden en terug.
Een detectiebol meet de lichtflits van het muon met een fotomultiplier die gevoelig is voor het blauwe licht van de Cherenkovstraling. De detectieklok in de bol geeft aan die gebeurtenis een tijdsetiket: ‘zo-en-zo laat heb ik de puls gemeten’. Om de muonbaan nauwkeurig genoeg te reconstrueren, moet de klok de tijd met een precisie van nanoseconden bepalen. Omdat het licht in een nanoseconde al een meter aflegt, betekent elke nanoseconde afwijking immers dertig centimeter afwijking in de baanbepaling. De richting van het neutrino wordt zo met een nauwkeurigheid van een halve graad bepaald. De muonbaan ligt vrijwel in het verlengde van de neutrinobaan, en daardoor weten de onderzoekers met de muonbaan ook de neutrinobaan. Op hun reis door de kosmos worden neutrino’s – in tegenstelling tot lichtdeeltjes – niet verstoord en dus wijst de neutrinorichting direct naar de kosmische bron.
De klok in elke detectiebol wordt iedere paar microseconden geijkt, omdat de interne elektronica anders voor een tijdsverloop zorgt. Aan het pooloppervlak staat boven elke kabel een klokje dat pulsen naar beneden zendt. Zodra een detectiebol de puls ontvangt, zendt hij een signaal terug naar boven. Aan de hand van de tijdsverschillen en de bekende afstanden, worden de interne klokken van de bollen met een precisie van nanoseconden geijkt. Door deze precisie kan IceCube nauwkeuriger dan Amanda en Antares hoe één enkel lichtdeeltje binnenkomt.
Een detectiebol moet tegen een druk van achthonderd bar kunnen. Die is het gevolg van de diepte en van de ijskristallen die tegen de detectiebol drukken. Nadat het gat met warm water in het ijs is gemaakt, vriest het van boven naar beneden dicht. Het kan wel een week duren voordat het gat ook helemaal beneden, op 2,5 kilometer diepte, is dichtgevroren. Daarbij zet het water een beetje uit. “Een bol vriest helemaal vast in het ijs”, vertelt Duvoort. “De lokale spanning in het ijs dat in het boorgat zit, kan zelfs zo groot dat er licht bij ontstaat. Dat heeft IceCube ook al gemeten. Maar dat gebeurt alleen tijdens het invriezen.”
De meetbollen en het data-acquisitiesysteem zijn vóór transport naar de zuidpool uitgebreid getest in een koelcel in het Zweedse Uppsala. “Drie weken lang worden de bollen in die diepvrieskist blootgesteld aan temperaturen variërend tussen -20 en -55 graden Celsius. Aan die tests in Zweden heb ik meegeholpen, en dat heeft mij het ticket naar de zuidpool bezorgd. Hoewel het ijs stabiel is, varieert de ijstemperatuur. Aan het oppervlak kan de lucht ’s winters -80 zijn. Dan is het ijs daar zo’n -55. Naar beneden toe wordt het ijs warmer, tot zo’n -20 op 2,5 kilometer diepte.”
Neutrinohandtekening
Goed, dan detecteren de bollen licht. Maar wat zegt dat over een neutrino? Hoe weet je waar ze vandaan komen? Dat is een lastige klus.
Omdat het ijs het licht verstrooit, houden de wetenschappers daar in de baanreconstructie rekening mee. Dat is verre van triviaal. Duvoort: “De eigenschappen van het ijs hangen onder andere af van de hoeveelheid stof in het ijs en die is gelaagd. Dat moeten we allemaal meenemen.” In principe zit er op een grotere diepte minder stof, daarom wordt de detector ook zo diep in het ijs gebouwd. Maar het is ook gebleken dat ergens halverwege de detector twee stoflagen liggen. Bij het boren van het eerste gat voor IceCube ging er zelfs een speciale dustlogger met de boorkop mee naar beneden, een apparaat voorzien van een laser en enkele sensoren. De dustlogger bracht de reflectie van het ijs in kaart en daarmee de stofgelaagdheid. Inmiddels ligt het apparaat voor eeuwig vastgevroren beneden in een boorgat.
Voor de baanbepaling is een klokprecisie van nanoseconden vereist. Maar de gebeurtenis zelf, een botsend neutrino, hoeft maar met een precisie van microseconden bekend te zijn. Wanneer de detector een neutrinobotsing meet – via de Cherenkovstraling van het muon – dan geeft een gps aan het pooloppervlak aan de gehele gebeurtenis een tijdstip met een precisie van microseconden. Dat is voldoende.
Dan is de richting bekend waaruit het neutrino kwam, en het moment waarop het is gebotst. Maar wat was de energie van het neutrino? Duvoort: “Eigenlijk weten we weinig over de energie. Door de afstand tussen de detectiebollen is IceCube gevoelig voor neutrino’s met een energie tussen 1011 en 1015 elektronvolt, en misschien zelfs nog wel hoger. Neutrino’s met een lagere energie dan 1011 elektronvolt slaan te weinig bollen aan. In principe kun je de energie bepalen uit het stralingsverlies van het muon onderweg. Maar we weten niet waar het neutrino is gebotst en waar het muon dus is ontstaan. Alleen als een neutrino precies binnen IceCube op een ijskern botst, kunnen we achterhalen waar het is gebotst. Maar de kans is groter dat het ergens buiten de detector botst met een ijskern.”
Door later het detectietijdstip en de neutrinorichting te vergelijken met satellietwaarnemingen van bijvoorbeeld gammaflitsen, kunnen de onderzoekers kijken of er bij een gammaflits ook hoog energetische neutrino’s ontstaan, zoals het onbevestigde vermoeden is.
Voor de baanreconstructie is het van belang om binnen een halve meter nauwkeurig te weten wat de afstanden in het ijs zijn tussen de detectiebollen onderling. Idealiter zijn die bekend uit de afstand tussen de boorgaten en de bekende afstanden van bollen aan een enkele kabel. Maar de zuidpoolpraktijk is weerbarstig. Een boorgat wordt zelden kaarsrecht naar beneden geboord, en daardoor kunnen de afstanden tussen bollen aan verschillende kabels toch afwijken van het ideale plaatje. En omdat er aan het oppervlak sneeuw bijkomt, hoeven de boorgaten ook niet precies op dezelfde absolute hoogte te beginnen. Iedere meetbol heeft daarom een aantal led’s die licht naar boven en beneden kunnen flitsen. Uit het tijdstip van licht uitzenden en licht ontvangen wordt de onderlinge afstand van de bollen bepaald.
De detectiebollen sturen de informatie digitaal omhoog. Bij Amanda gebeurde dat nog analoog, maar dat leidde tot signaalbeïnvloeding tussen de bollen, vandaar dat het nu digitaal gebeurt. Duvoort: “Bij Amanda zat er geen extra elektronica in de bollen, omdat men bang was dat die elektronica kapot zou kunnen gaan terwijl je er nooit meer bij kunt. De situatie bleek echter stabieler dan gedacht, vandaar dat er nu een klok en een kleine computer in elke bol zit.”
“De bollen kijken ook om zich heen of hun buren staan te flitsen. Het ijs is transparant, dus dat kunnen ze zien. Als een bol een flits detecteert, en zijn omliggende bollen niet, dan wordt de informatie niet naar boven gestuurd, want dan kan het geen Cherenkovstraling zijn. Pas als twee of drie bollen om hem heen ook flitsen, stuurt een bol zijn informatie naar boven. Op die manier wordt er al in de detector overbodige informatie uitgefilterd.”
Kosmische stoorsignalen
Helaas komen er niet alleen muonen van beneden, dwars door de aarde, maar ook van boven. “Kosmische straling die de atmosfeer binnenkomt, produceert een regen van deeltjes, waaronder muonen. Daarom komt maar een op de miljoen muonen die de detector kan meten van een kosmisch en niet van een atmosferisch neutrino”, aldus de Utrechtse promovendus.
Deze atmosferische muonen zijn de belangrijkste bron van stoorsignalen die de onderzoekers moeten wegfilteren. Op het zuidpooloppervlak staan daarom boven elk kabel twee tanks die speciaal bedoeld zijn om te achterhalen wanneer en waar er atmosferische muonen door de detector schieten. Dat is het IceTop-experiment. IceTop is ook buitengewoon handig voor een goede kalibratie van de IceCube-detector. Hij is speciaal ontworpen voor een nauwkeurige baanbepaling van de atmosferische muonen. Dezelfde muonen gaan in het algemeen niet alleen door IceTop maar ook door IceCube, die zo’n twee kilometer onder IceTop ligt. IceCube zou voor die atmosferische muonen dus dezelfde richting moeten meten als IceTop, die zo als kalibratie voor de grote detector dient. Een zeer handige methode. De detectoren in zee hebben niet zo’n kalibratie-experiment op het zeeoppervlak staan.
Na filtering blijft er per dag zo’n dertig gigabyte aan data over. Die worden gecomprimeerd tot vier gigabyte en opgeslagen. Daarna begint de digitale zoektocht naar kosmische spookdeeltjes.
Aan IceCube werken onderzoekers van dertien Amerikaanse en veertien Europese onderzoeksinstituten mee. De Nederlandse inbreng komt van de Universiteit Utrecht en van Stichting Ruimteonderzoek Nederland (sron), ook in Utrecht. Behalve bij de detectiebollen, zijn de Nederlanders ook betrokken bij de reconstructie- en analysesoftware. Het geld, zo’n driehonderd miljoen euro in totaal, komt voornamelijk van de Amerikaanse National Science Foundation. Duvoort staat weer op de lijst voor een volgende missie naar de geografische zuidpool. “Toch leuker dan vier jaar van je promotiewerk alleen achter je bureau zitten.”
Internet
De IceCube-website: http://icecube.wisc.edu/
Website van Martijn Duvoort met zijn eigen fotoverhaal (IceCube november/december 2005): www.astro.uu.nl/~duvoort/
In 2002 ging de Nobelprijs natuurkunde naar de detectie van (relatief) laagenergetische kosmische neutrino’s: http://nobelprize.org/physics/laureates/2002/press.html
In het water van de Middellandse Zee wordt binnen een Europees project een andere neutrinodetector gebouwd: Antares, ter grootte van de kleine zuidpooldetector Amanda: http://antares.in2p3.fr/
De geplande opvolger van Antares heet KM3net, die net als IceCube een kubieke kilometer moet gaan meten en net als Antares in de Middellandse Zee moet worden gebouwd: www.km3net.org/
Dit artikel is verschenen in De Ingenieur, mei 2006
Het duurt nog tot 2011 eer ’s werelds grootste neutrinodetector gereed is, maar inmiddels zijn al negen van de tachtig kabels met detectoren diep in het zuidpoolijs vastgevroren. Het eerste meten kan al beginnen. IceCube, zoals de detector heet, wordt speciaal gebouwd voor het speuren naar hoog energetische neutrino’s, de ruimte in geslingerd door puntbronnen ver weg in het heelal. Supernova’s, gammaflitsen of zwarte gaten bijvoorbeeld. Volgens de huidige sterrenkundige theorieën kunnen er neutrino’s met energieën tot naar schatting 1018 elektronvolt worden uitgezonden. Dat is een miljoen maal hoger dan de krachtigste deeltjesversnellers op aarde momenteel kunnen produceren. Het vangen van deze kosmische neutrino’s kan zowel de natuurkunde van de fundamentele bouwstenen van ons heelal een stapje vooruit helpen, als nieuwe kosmologische inzichten leveren.
Nog nooit is er echter een detector in geslaagd dergelijke hoogenergetische kosmische deeltjes te betrappen op hun reis dwars door de aarde. Het heeft al veel moeite gekost om met de Kamiokande-detector in Japan zonneneutrino’s te meten, die in veel grotere hoeveelheden de aarde treffen, een veel lagere energie hebben en dus iets makkelijker te detecteren zijn (Nobelprijs natuurkunde 2002). Om hoogenergetische kosmische neutrino’s te betrappen is daarom een groot detectorvolume nodig en veel, heel veel geduld. Neutrino’s zijn elementaire deeltjes zonder elektrische lading en met zo weinig massa dat ze met vrijwel de lichtsnelheid dwars door alles heen vliegen. Zo schieten er per seconde miljarden neutrino’s door ieder mens heen. En niemand die er ooit iets van merkt. Ware spookdeeltjes.
Blauwe lichtflitsen in het zuidpoolijs
De Utrechtse eerstejaars promovendus Martijn Duvoort woonde afgelopen november twee weken op de geografische zuidpool om mee te helpen aan de bouw van IceCube. Hij testte er digitale, optische detectiebollen, voordat ze de ijzige diepte induiken. “Wanneer een neutrino binnen een paar kilometer van de detector toch op een atoomkern botst, en dat gebeurt heel zelden”, vertelt Duvoort, “dan ontstaat een muon, een ander fundamenteel deeltje. Zo’n deeltje kan typisch iets van tien kilometer reizen en produceert zogeheten Cherenkovstraling.”
Dat licht heeft een blauwe kleur en breidt zich in de vorm van een kegel met een hoek van 41 graden langs de muonbaan uit. Als dit in een transparant medium als water of ijs gebeurt, kunnen optische detectoren de Cherenkovstraling waarnemen. Duvoort: “Onze detectiebollen doen het in ijs. In de Middellandse Zee is de Europese Antares-detector in aanbouw, die het in water gaat proberen.”
Een neutrinotelescoop voor kosmische spookdeeltjes moet groot genoeg zijn zodat enkele van deze zeldzame neutrino’s de detector passeren. Bovendien moet de detector transparant genoeg zijn voor voortplanting van de Cherenkovstraling en het aanslaan van de optische detectoren. De diepe zee en het diepe ijs voldoen hieraan. Dit zijn de ideale plekken voor dit type neutrinodetectoren. Het zuidpoolijs blijkt buitengewoon zuiver, transparant en vrij van radioactiviteit te zijn. Anderhalve kilometer onder het zuidpooloppervlak, legt de het blauwe Cherenkovlicht ruim honderd meter af in het verder donkere ijs.
De zuidpooldetector IceCube en de vijftig keer zo kleine Middellandse Zeedetector Antares zijn in zekere zin complementair. IceCube zoekt naar neutrino’s die vanuit de noordelijke hemel komen, terwijl Antares juist kijkt naar de zuidelijke hemel. Omdat ijs het licht meer verstrooit, maar minder absorbeert, heeft IceCube een betere energieresolutie en een grotere effectief detectievolume, terwijl Antares de detectiehoek iets preciezer kan bepalen. Antares ligt op 2,5 kilometer diepte in zee. Een nadeel van een detector in zee, is dat er zelfs op die diepte beestjes zijn die via bioluminescentie licht uitzenden waar de detector last van heeft. Antares is eigenlijk een onderzoeksproject als voorloper van KM3net, een detector in de Middellandse Zee, die net als IceCube een kubieke kilometer groot moet worden.
Omdat alleen neutrino’s dwars door de aarde heen kunnen schieten, werkt de aarde zowel voor een detector in ijs als voor een detector in water als een soort filter. Ook in het Baikalmeer in Rusland zit trouwens nog een kleine neutrinodetector.
Gratis zuidpoolkoeling
Kosmische spookdeeltjes betrappen met gewoon aards, zichtbaar blauw licht in een kubieke kilometer zuidpoolijs. Een bizarre onderneming, en een van de grootste experimenten die ooit op aarde zijn gebouwd.
IceCube is de opvolger van Amanda, een meer dan vijftig keer zo kleine detector, en daarmee even groot als Antares, zodra deze af is. Amanda wist tussen 2000 en 2005 geen enkel kosmisch neutrino te betrappen. Het geduld raakte op, en dus moest het allemaal nog groter. “In totaal worden er voor de nieuwe detector tachtig gaten van 2,5 kilometer diep en zestig centimeter breed in het ijs gesmolten”, vertelt Duvoort. “Dat gebeurt met warm water. De boorkop is eigenlijk een blok metaal met sensoren die kijken of het blok recht hangt. Druksensoren geven aan hoe diep in het ijs de boorkop zit. Een gat maken duurt anderhalve dag. In elk gat gaat dan een dikke kabel met zestig optische detectiebollen.” Omdat er vanwege de veiligheid alleen tijdens de twee zomermaanden op de geografische zuidpool wordt gewerkt, duurt het echter nog vijf jaar voordat de detector helemaal af is.
De bollen bivakkeren tussen 1400 en 2400 meter diep in het ijs. Aan elke kabel, in elk van die tachtig gaten, hangen zestig bollen. De afstand tussen de bollen aan een kabel is zeventien meter. De kabels liggen onderling 125 meter uit elkaar, in een hexagonaal rooster van een kilometer hoog. Eenmaal in het ijs, vriezen ze vast en worden ze er nooit meer uitgehaald. Dat zou teveel moeite kosten. Elke detectiebol is 35,6 centimeter breed en uitgerust met een klok en een computer. “Een computer krijgt gratis koeling op de zuidpool. Erg handig”, zegt Duvoort. “Binnenin de bol is het een paar graden onder nul als hij in het zuidpoolijs ligt.”
De elektrische voeding voor de bollen wordt aangevoerd via de kabels, en wordt aan het pooloppervlak met dieselgeneratoren opgewekt, net als alle andere elektriciteit die op de pool nodig is. Een twisted pair van kabeltjes voorziet twee bollen van stroom, zodat er per kabel in elk boorgat dertig twisted pairs naar beneden lopen. Overigens is het energieverbruik van een enkele detectiebol maar drie watt. De kabels zijn zes centimeter dik, en dienen niet alleen voor het elektriciteitstransport maar ook voor alle signaaltransport van boven naar beneden en terug.
Een detectiebol meet de lichtflits van het muon met een fotomultiplier die gevoelig is voor het blauwe licht van de Cherenkovstraling. De detectieklok in de bol geeft aan die gebeurtenis een tijdsetiket: ‘zo-en-zo laat heb ik de puls gemeten’. Om de muonbaan nauwkeurig genoeg te reconstrueren, moet de klok de tijd met een precisie van nanoseconden bepalen. Omdat het licht in een nanoseconde al een meter aflegt, betekent elke nanoseconde afwijking immers dertig centimeter afwijking in de baanbepaling. De richting van het neutrino wordt zo met een nauwkeurigheid van een halve graad bepaald. De muonbaan ligt vrijwel in het verlengde van de neutrinobaan, en daardoor weten de onderzoekers met de muonbaan ook de neutrinobaan. Op hun reis door de kosmos worden neutrino’s – in tegenstelling tot lichtdeeltjes – niet verstoord en dus wijst de neutrinorichting direct naar de kosmische bron.
De klok in elke detectiebol wordt iedere paar microseconden geijkt, omdat de interne elektronica anders voor een tijdsverloop zorgt. Aan het pooloppervlak staat boven elke kabel een klokje dat pulsen naar beneden zendt. Zodra een detectiebol de puls ontvangt, zendt hij een signaal terug naar boven. Aan de hand van de tijdsverschillen en de bekende afstanden, worden de interne klokken van de bollen met een precisie van nanoseconden geijkt. Door deze precisie kan IceCube nauwkeuriger dan Amanda en Antares hoe één enkel lichtdeeltje binnenkomt.
Een detectiebol moet tegen een druk van achthonderd bar kunnen. Die is het gevolg van de diepte en van de ijskristallen die tegen de detectiebol drukken. Nadat het gat met warm water in het ijs is gemaakt, vriest het van boven naar beneden dicht. Het kan wel een week duren voordat het gat ook helemaal beneden, op 2,5 kilometer diepte, is dichtgevroren. Daarbij zet het water een beetje uit. “Een bol vriest helemaal vast in het ijs”, vertelt Duvoort. “De lokale spanning in het ijs dat in het boorgat zit, kan zelfs zo groot dat er licht bij ontstaat. Dat heeft IceCube ook al gemeten. Maar dat gebeurt alleen tijdens het invriezen.”
De meetbollen en het data-acquisitiesysteem zijn vóór transport naar de zuidpool uitgebreid getest in een koelcel in het Zweedse Uppsala. “Drie weken lang worden de bollen in die diepvrieskist blootgesteld aan temperaturen variërend tussen -20 en -55 graden Celsius. Aan die tests in Zweden heb ik meegeholpen, en dat heeft mij het ticket naar de zuidpool bezorgd. Hoewel het ijs stabiel is, varieert de ijstemperatuur. Aan het oppervlak kan de lucht ’s winters -80 zijn. Dan is het ijs daar zo’n -55. Naar beneden toe wordt het ijs warmer, tot zo’n -20 op 2,5 kilometer diepte.”
Neutrinohandtekening
Goed, dan detecteren de bollen licht. Maar wat zegt dat over een neutrino? Hoe weet je waar ze vandaan komen? Dat is een lastige klus.
Omdat het ijs het licht verstrooit, houden de wetenschappers daar in de baanreconstructie rekening mee. Dat is verre van triviaal. Duvoort: “De eigenschappen van het ijs hangen onder andere af van de hoeveelheid stof in het ijs en die is gelaagd. Dat moeten we allemaal meenemen.” In principe zit er op een grotere diepte minder stof, daarom wordt de detector ook zo diep in het ijs gebouwd. Maar het is ook gebleken dat ergens halverwege de detector twee stoflagen liggen. Bij het boren van het eerste gat voor IceCube ging er zelfs een speciale dustlogger met de boorkop mee naar beneden, een apparaat voorzien van een laser en enkele sensoren. De dustlogger bracht de reflectie van het ijs in kaart en daarmee de stofgelaagdheid. Inmiddels ligt het apparaat voor eeuwig vastgevroren beneden in een boorgat.
Voor de baanbepaling is een klokprecisie van nanoseconden vereist. Maar de gebeurtenis zelf, een botsend neutrino, hoeft maar met een precisie van microseconden bekend te zijn. Wanneer de detector een neutrinobotsing meet – via de Cherenkovstraling van het muon – dan geeft een gps aan het pooloppervlak aan de gehele gebeurtenis een tijdstip met een precisie van microseconden. Dat is voldoende.
Dan is de richting bekend waaruit het neutrino kwam, en het moment waarop het is gebotst. Maar wat was de energie van het neutrino? Duvoort: “Eigenlijk weten we weinig over de energie. Door de afstand tussen de detectiebollen is IceCube gevoelig voor neutrino’s met een energie tussen 1011 en 1015 elektronvolt, en misschien zelfs nog wel hoger. Neutrino’s met een lagere energie dan 1011 elektronvolt slaan te weinig bollen aan. In principe kun je de energie bepalen uit het stralingsverlies van het muon onderweg. Maar we weten niet waar het neutrino is gebotst en waar het muon dus is ontstaan. Alleen als een neutrino precies binnen IceCube op een ijskern botst, kunnen we achterhalen waar het is gebotst. Maar de kans is groter dat het ergens buiten de detector botst met een ijskern.”
Door later het detectietijdstip en de neutrinorichting te vergelijken met satellietwaarnemingen van bijvoorbeeld gammaflitsen, kunnen de onderzoekers kijken of er bij een gammaflits ook hoog energetische neutrino’s ontstaan, zoals het onbevestigde vermoeden is.
Voor de baanreconstructie is het van belang om binnen een halve meter nauwkeurig te weten wat de afstanden in het ijs zijn tussen de detectiebollen onderling. Idealiter zijn die bekend uit de afstand tussen de boorgaten en de bekende afstanden van bollen aan een enkele kabel. Maar de zuidpoolpraktijk is weerbarstig. Een boorgat wordt zelden kaarsrecht naar beneden geboord, en daardoor kunnen de afstanden tussen bollen aan verschillende kabels toch afwijken van het ideale plaatje. En omdat er aan het oppervlak sneeuw bijkomt, hoeven de boorgaten ook niet precies op dezelfde absolute hoogte te beginnen. Iedere meetbol heeft daarom een aantal led’s die licht naar boven en beneden kunnen flitsen. Uit het tijdstip van licht uitzenden en licht ontvangen wordt de onderlinge afstand van de bollen bepaald.
De detectiebollen sturen de informatie digitaal omhoog. Bij Amanda gebeurde dat nog analoog, maar dat leidde tot signaalbeïnvloeding tussen de bollen, vandaar dat het nu digitaal gebeurt. Duvoort: “Bij Amanda zat er geen extra elektronica in de bollen, omdat men bang was dat die elektronica kapot zou kunnen gaan terwijl je er nooit meer bij kunt. De situatie bleek echter stabieler dan gedacht, vandaar dat er nu een klok en een kleine computer in elke bol zit.”
“De bollen kijken ook om zich heen of hun buren staan te flitsen. Het ijs is transparant, dus dat kunnen ze zien. Als een bol een flits detecteert, en zijn omliggende bollen niet, dan wordt de informatie niet naar boven gestuurd, want dan kan het geen Cherenkovstraling zijn. Pas als twee of drie bollen om hem heen ook flitsen, stuurt een bol zijn informatie naar boven. Op die manier wordt er al in de detector overbodige informatie uitgefilterd.”
Kosmische stoorsignalen
Helaas komen er niet alleen muonen van beneden, dwars door de aarde, maar ook van boven. “Kosmische straling die de atmosfeer binnenkomt, produceert een regen van deeltjes, waaronder muonen. Daarom komt maar een op de miljoen muonen die de detector kan meten van een kosmisch en niet van een atmosferisch neutrino”, aldus de Utrechtse promovendus.
Deze atmosferische muonen zijn de belangrijkste bron van stoorsignalen die de onderzoekers moeten wegfilteren. Op het zuidpooloppervlak staan daarom boven elk kabel twee tanks die speciaal bedoeld zijn om te achterhalen wanneer en waar er atmosferische muonen door de detector schieten. Dat is het IceTop-experiment. IceTop is ook buitengewoon handig voor een goede kalibratie van de IceCube-detector. Hij is speciaal ontworpen voor een nauwkeurige baanbepaling van de atmosferische muonen. Dezelfde muonen gaan in het algemeen niet alleen door IceTop maar ook door IceCube, die zo’n twee kilometer onder IceTop ligt. IceCube zou voor die atmosferische muonen dus dezelfde richting moeten meten als IceTop, die zo als kalibratie voor de grote detector dient. Een zeer handige methode. De detectoren in zee hebben niet zo’n kalibratie-experiment op het zeeoppervlak staan.
Na filtering blijft er per dag zo’n dertig gigabyte aan data over. Die worden gecomprimeerd tot vier gigabyte en opgeslagen. Daarna begint de digitale zoektocht naar kosmische spookdeeltjes.
Aan IceCube werken onderzoekers van dertien Amerikaanse en veertien Europese onderzoeksinstituten mee. De Nederlandse inbreng komt van de Universiteit Utrecht en van Stichting Ruimteonderzoek Nederland (sron), ook in Utrecht. Behalve bij de detectiebollen, zijn de Nederlanders ook betrokken bij de reconstructie- en analysesoftware. Het geld, zo’n driehonderd miljoen euro in totaal, komt voornamelijk van de Amerikaanse National Science Foundation. Duvoort staat weer op de lijst voor een volgende missie naar de geografische zuidpool. “Toch leuker dan vier jaar van je promotiewerk alleen achter je bureau zitten.”
Internet
De IceCube-website: http://icecube.wisc.edu/
Website van Martijn Duvoort met zijn eigen fotoverhaal (IceCube november/december 2005): www.astro.uu.nl/~duvoort/
In 2002 ging de Nobelprijs natuurkunde naar de detectie van (relatief) laagenergetische kosmische neutrino’s: http://nobelprize.org/physics/laureates/2002/press.html
In het water van de Middellandse Zee wordt binnen een Europees project een andere neutrinodetector gebouwd: Antares, ter grootte van de kleine zuidpooldetector Amanda: http://antares.in2p3.fr/
De geplande opvolger van Antares heet KM3net, die net als IceCube een kubieke kilometer moet gaan meten en net als Antares in de Middellandse Zee moet worden gebouwd: www.km3net.org/
In een maand naar Mars
Antimaterievoortstuwing, laserlancering, zonnezeilen, ionenvoortstuwing. Het zijn baanbrekende concepten voor voortstuwing in de ruimte of lancering vanaf de aarde. Als de mens zijn vleugels verder in de ruimte wil uitslaan, volstaan klassieke chemische raketten bij lange na niet. Ze bevatten te weinig stuwstof en zijn te zwaar. Waar antimaterieruimteschepen niet meer dan zinnenprikkelende toekomstmuziek zijn, is ionenvoortstuwing inmiddels al werkelijkheid geworden.
Dit artikel is verschenen in De Ingenieur, augustus 2003
Sneller, hoger, sterker, zo luidt het Olympische motto. Het zou zo kunnen slaan op de zoektocht naar baanbrekende ideeën voor voortstuwing in de ruimte. Twintig jaar na zijn lancering in 1977 stond de Voyager 1 op een kleine zeventig maal de gemiddelde afstand tussen de aarde en de zon. Met ruim zeventien kilometer per seconde reist het toestel door ons zonnestelsel. Een prachtprestatie. Toch zou deze relatieve slakkengang de Voyager pas over 74.100 jaar bij de dichtstbijzijnde buurster brengen. Dat schiet niet op.
Een ruimtevlucht kent grofweg twee fasen. Allereerst de lancering vanaf de aarde. Hierbij moet de stuwkracht groter zijn dan het gewicht van de raket (in het algemeen een factor 1,1-1,4). Voor de tweede fase, de vlucht door de ruimte buiten de aardatmosfeer, is in principe een kleine stuwkracht voldoende voor een koerswijziging, maar voor verre vluchten binnen een aanvaardbare tijd, is een grote stuwkracht gewenst. Voor beide fasen is momenteel de chemische raketvoortstuwing standaard.
Om ons eigen zonnestelsel beter te verkennen, en vervolgens wellicht de exotische buitengebieden, hebben we echter fundamenteel nieuwe voortstuwingsconcepten nodig. Die moeten ons bereik verruimen en daarnaast – en dat zijn de aardsere en praktischere doelen – de controle over een ruimtevaartuig vergroten en zowel de massa als de kosten reduceren. Bij een huidige missie gebaseerd op chemische voortstuwing neemt stuwstof (de door de raket uitgestoten stof) 85 tot 95% van de massa voor zijn rekening. Bij de lancering van de Space Shuttle is dat 95%, zo’n 1,9 miljoen kilogram. Het vermogen dat de Space-Shuttlemotoren bij de start genereren is gigantisch: veertig gigawatt, ofwel veertig middelgrote energiecentrales.
De stuwstofmassa moet zo groot zijn omdat de uitstroomsnelheid van de stuwstof beperkt is tot ruim vier kilometer per seconde. De stuwkracht neemt evenredig toe met de massa-uitstroom en de uitstroomsnelheid. Liefst moet de uitstroomsnelheid dus zo hoog mogelijk zijn, want meer massa meenemen kost weer meer energie. Huidige missies zijn sterk beperkt door de hoeveelheid massa die een vaartuig kan meenemen, en de voortstuwingskracht. Voor een retourtje Mars in twee maanden hebben we snelheden van honderd tot duizend kilometer per seconde nodig, een factor tien tot honderd meer dan de snelheden bij huidige missies. Met conventionele chemische voortstuwingstechnieken kunnen ruimtevaartuigen deze snelheden niet bereiken.
Voortgeduwd door de zon
Een van de fundamenteel andere concepten van voortstuwing in de ruimte is het zonnezeil. Een zonnezeil is een groot, flinterdun reflecterend plastic zeil dat wordt voortgeduwd door de impuls van de lichtdeeltjes (fotonen) afkomstig van de zon. “Net zoals de wind een zeilboot voortduwt, zo duwt zonlicht een ruimtevaartuig met een zonnezeil voort”, zegt ingenieur Franz Burger, die bij ESTEC in Noordwijk – het technische onderzoekscentrum van de Europese Ruimtevaartorganisatie ESA – werkt aan de ontwikkeling van zonnezeilen. Het idee stamt al uit de jaren zestig, maar de concrete ontwikkeling vindt pas de laatste jaren plaats.
Zonnezeilen maken klassieke stuwstoffen weliswaar geheel overbodig, de stuwkracht is ook extreem laag: ongeveer tien miljoenste newton per vierkante meter zonnezeil. De verhouding tussen stuwkracht en gewicht – een belangrijk concept in alle voortstuwingstechnieken – is een honderdduizendste tot een tienduizendste. De stuwkracht mag dan wel klein zijn, de zon blijft het zeil wel voortdurend duwen. En terwijl de gewone zeilboot weerstand van water en wind ontmoet, heeft de zonnezeilboot in de bijna-vacuümruimte geen last van luchtweerstand.
De zonnezeilboot kan uiteindelijk wel negentig kilometer per seconde halen: tienmaal zoveel als van de Space Shuttle in zijn baan rond de aarde. Het zonnezeil kan ook extra duwtjes krijgen van een laser. Misschien is zo wel een snelheid van eentiende van de lichtsnelheid haalbaar. Hoe verder een zonnezeilboot van de zon vandaan reist, hoe kleiner de duwtjes door de zonnefotonen worden. De methode lijkt daarom vooral geschikt voor missies relatief dicht bij de zon. Zonnezeilen zijn pas geschikt als het ruimtevaartuig al in de ruimte is. Voor de lancering is het geheel ongeschikt. Dat betekent ook dat het zonnezeil bij de lancering in een zo klein mogelijke doos ligt opgevouwen en pas in de ruimte wordt ontvouwen.
Zowel het vinden van een geschikt ultralicht en toch sterk materiaal voor het zonnezeil, als het bedenken van een geschikte manier om het zonnezeil in de ruimte uit te vouwen vormen grote technische uitdagingen. Hoe ontvouw je in de ruimte, zonder menselijke hulp, een zeil van op zijn minst veertig bij veertig meter, dat opgevouwen ligt in een kubus met zijden van zestig centimeter? “Dat is geen sinecure”, zegt Burger. “In 1999 heeft ESA samen met de Duitse ruimtevaartorganisatie DLR voor het eerst een succesvolle gronddemonstratie gedaan van het ontvouwen. We gebruikten een kaptonfolie (een soort polyamideplastic) van 7,5 micrometer dik. Voor een werkend zonnezeil in de ruimte is dat nog steeds te dik, maar naast het verbeteren van de materialen moeten we ook de techniek van het ontvouwen onder de knie krijgen. Per definitie zijn deze extreem lichte zeilen moeilijk beheersbaar op aarde. Dit soort zeilen zijn extreem plakkerig en ze raken hier op aarde snel elektrostatisch geladen.”
Uiteindelijk moet het zonnezeil een dikte van 0,2 tot 0,5 micrometer gaan krijgen. De materiaalontwikkeling gebeurt voornamelijk in de VS, met het bedrijf Du Pont als een belangrijke industriële partner. ESA werkt vooral aan ontvouwing van het zonnezeil, opblaasbare structuren, lichtgewicht ondersteunende structuren voor het zonnezeil (vergelijkbaar met de dwarslatjes bij een vlieger) en aan boordelektronica voor de ultralichte satelliet die uiteindelijk met een zonnezeil door de ruimte gaat reizen.
“Een verkennende missie zou bijvoorbeeld eenvoudige meetinstrumenten kunnen meenemen in een baan rond de polen van de zon”, aldus Burger. “Over drie jaar moet een gedetailleerd ontwerp van een zonnezeil gereed zijn. Omdat Russische lanceringen momenteel het goedkoopst zijn, is het huidige plan het eerste zonnezeil te laten meevliegen met een lancering vanaf een Russische onderzeeër. Die techniek werd uiteraard in eerste instantie voor militaire doeleinden ontwikkeld.”
Snelle ionen
In de sciencefictionfilm 2001: A Space Odyssee wordt het ruimteschip Discovery aangedreven door een elektrische voortstuwing. Toch is dit principe, in tegenstelling tot bijvoorbeeld antimaterievoortstuwing (zie kader), inmiddels geen sciencefiction meer. In het testlaboratorium van ESTEC klinkt het doffe geluid van vacuümpompen in actie. Drie vacuümkamers testen hier diverse typen van elektrische voortstuwing in de ruimte, waarvan de ionenmotor de bekendste is. De Italiaan Giorgio Saccoccia is hoofd van de afdeling voortstuwing en aërothermodynamica bij ESA en legt het idee uit. “Elektrische voortstuwing is het huidige sleutelconcept voor de nieuwe generatie van commerciële en wetenschappelijke satellieten. In essentie gebruiken we elektrische kracht voor het versnellen van een geladen deeltjes. In plaats van dat de reactiekracht ontstaat door de gerichte expansie van een heet gas onder hoge druk, ontstaat de voortstuwende reactiekracht door versnellingen in een elektrisch veld.”
Vergeleken met chemische voortstuwing gebruiken de elektrische systemen weinig massa om een ruimteschip te versnellen. De gebruikte gassen zijn veelal edelgassen zoals xenon en argon of vloeibare metalen als cesium of indium. Een ionenmotor schiet ionen zo’n twintig maal sneller weg dan een klassieke chemische voortstuwing doet met het hete gas. Elektrische voortstuwing is niet beperkt in energie, alleen in het realiseren van voldoende elektrisch vermogen. Deze methode is zeer geschikt voor lage voortstuwingskrachten en voor zeer langdurige voortstuwing. De lage voortstuwende kracht maakt ook een zeer precieze positiecontrole mogelijk wat zeker voor diverse wetenschappelijke missies, zoals het in de ruimte meten van zwaartekrachtgolven, een voorwaarde is (zie kader).
Elektrische voortstuwing werkt als een eenvoudige geladen-deeltjesversneller. In een kamer krioelen geladen deeltjes: een geïoniseerd, positief geladen gas en negatief geladen elektronen. Aan het uiteinde van de kamer bevindt zich een rooster, dat wordt geladen met de negatief geladen elektronen. De positieve ionen versnellen vervolgens richting het negatief geladen rooster. Of, je kunt ook zeggen dat het rooster, en daarmee het ruimteschip, een versnelling ondervindt. Sommige ionen raken het rooster, maar de meeste passeren door de gaten en verdwijnen met grote snelheid in de ruimte. De benodigde energie om het elektrisch veld op het rooster aan te brengen, kan geleverd worden door zonnepanelen of door een nucleaire bron. Omdat elektrische voortstuwers zo weinig materiaal nodig hebben, kunnen ze jaren doen met de aan boord aanwezige brandstof. Belangrijkste nadeel is de relatief lage voortstuwende kracht vergeleken met chemische voortstuwing. Het duurt dus veel langer om een bepaalde snelheid te bereiken. Hoge versnellingen zijn onmogelijk.
De belangrijkste toepassing van elektrische voortstuwing in de nabije toekomst is voor geostationaire telecommunicatiesatellieten. De techniek wordt gebruikt om de satelliet van zijn beginbaan rond de aarde in zijn eindbaan te brengen en vervolgens om hem ook in een precieze eindbaan te houden, tegen allerlei storende factoren in. Saccoccia vertelt hoe de door ESA in 2001 gelanceerde Artemis-telecommunicatiesatelliet als gevolg van een fout bij de lancering eerst in een verkeerde baan om de aarde terechtkwam. “Gelukkig had deze satelliet een ionenmotor aan boord. Ondanks de kleine voortstuwende kracht van zo’n vijftig millinewton, lukte het de satelliet om in een jaar tijd terug in de goede geostationaire baan te geraken. We hebben die ionenmotor trouwens hier getest.”
Elektrische voortstuwing reduceert de massa bij de lancering met twintig procent, wat commercieel uiteraard erg aantrekkelijk is. “Koppeling van elektrische voortstuwing met bijvoorbeeld nucleaire energieopwekking moet op termijn de verdere verkenning van het zonnestelsel en daarbuiten mogelijk maken”, zegt Saccoccia. Versnellingen zijn weliswaar klein, maar als ze maar lange tijd aanhouden, kan een ruimteschip met gemak grote afstanden afleggen. Uiteindelijk kan de ionenmotor de tijd voor interplanetaire ruimtereizen flink gaan beperken, omdat een ver weg in ons zonnestelsel gelegen eindbestemming toch sneller bereikt kan worden dan met de klassieke chemische methode.
Laserlancering
Zonnezeilen en ionenmotoren zijn alleen geschikt in de ruimte; niet voor lancering. Toch bestaat er ook voor de raketlancering een prachtig baanbrekend concept. Een satelliet lanceren met een superlaser in plaats van met een chemische raket. In principe kan dat, als de satelliet maar licht is.
Een laserlancering is duizenden malen lichter en efficiënter dan de lancering van een chemische raket. Het idee is dat een parabolische spiegel aan boord van een klein en lichtgewicht ruimtevaartuig de krachtige laserlichtstraal ontvangt en samenbundelt naar een ruimte met lucht of een ander gas, de absorptiekamer. De lucht raakt vervolgens zo sterk verhit dat ze explodeert. Het gaat om temperaturen tussen tienduizend en dertigduizend graden Celsius, heter nog dan het zonneoppervlak. Bij deze temperatuur bevindt de lucht zich in een plasmatoestand. De kracht van de explosie stuwt het ruimteschip voort. De kracht is zo groot dat hij zelfs voor een lancering vanaf de aarde kan worden gebruikt. Als de buitenatmosfeer te ijl is om voldoende lucht te leveren, biedt aan boord meegenomen waterstof uitkomst. De krachtige lasers zijn een spin-off van het begin jaren tachtig geïnitieerde, maar nooit voortgezette StarWars-defensieprogramma van de toenmalige president van de VS, Ronald Reagan.
Laserlancering is toepasbaar voor lichte ruimtevaartuigen. Vóór de lancering zorgt een stroom van samengedrukte lucht er eerst voor dat het ruimtevaartuig met zo’n tienduizend omwentelingen per minuut gaat rondtollen. Dat rondtollen stabiliseert het ruimteschip tijdens de lancering. Als het toestel eenmaal met de optimale snelheid rondtolt, wordt de laser ingeschakeld. In een mum van tijd schiet het vaartuig de lucht in.
“Een nog onopgelost probleem is hoe je met een laserstraal vanaf de aarde het ruimteschip voldoende kunt sturen”, zegt Saccoccia. “Maar de methode heeft al een aantal succesvolle tests achter de rug.” Het principe van laservoortstuwing werd in 2000 aangetoond met een tien kilowatt-gepulste laser. Een krachtige laserstraal lanceerde het lichtgewicht toestel van slechts vijftig gram tot een hoogte van 71 meter. Om een toestel van een kilogram in een lage baan rond de aarde te schieten, is echter een laser met een vermogen van een megawatt nodig. En zelfs een gigawattlaser voor nog zwaardere satellieten.
Moeilijke tijd voor nieuwe concepten
“Er bestaan weliswaar vele fancy voortstuwingsconcepten, maar uiteindelijk komt het voor de daadwerkelijke ontwikkeling toch niet alleen aan op techniek”, zegt Saccoccia. “Belangrijk is hoe goedkoop een technologie wordt en hoeveel er commercieel mee wordt verdiend. Ionenvoortstuwing kan veel geld besparen. Deze techniek ontwikkelen we dus sterk.”
Vanuit ingenieursoogpunt vindt de Italiaanse ESA-onderzoeker nucleair-elektrische en nucleair-thermische voortstuwing het meest veelbelovend voor de komende twee decennia. “Het probleem is natuurlijk het negatieve beeld dat het grote publiek heeft van alles wat met kernenergie te maken heeft. Maar ik ben ervan overtuigd dat het inzetten van kernenergie bij voorstuwing volledig veilig kan gebeuren.”
In nucleair-elektrische voortstuwing wordt de warmte van een kleine kernreactor omgezet in elektrische energie die bijvoorbeeld een ionenmotor voedt. Zonnepanelen, die nu veel worden gebruikt om elektrische energie te genereren, leveren maar een beperkt vermogen. Een nucleair-elektrische reactor kan een hoger vermogen leveren, terwijl toch de reactorafmetingen beperkt blijven. Deze voortstuwing wordt noodzakelijk voor missies verder dan Mars, waar de zonne-intensiteit te laag is voor het gebruik van zonnecellen.
Alle fantastische, tot de verbeelding sprekende ideeën ten spijt, maakt het onderzoek naar baanbrekende voortstuwingsconcepten momenteel een moeilijke tijd door. Saccoccia: “Eigenlijk wordt er alleen maar geld uitgetrokken voor concepten waarvan we met een grote mate van waarschijnlijkheid weten dat we ze werkelijk de komende jaren kunnen toepassen. Dat geldt voor zowel ESA als NASA.” Zo besloot NASA in 2002 niet verder te gaan met de financiering van het in 1996 gestarte Breakthrough Propulsion Physics Project, een project dat wetenschappers de gelegenheid gaf hun gedachten over voortstuwing in de ruimte de vrije loop te laten, zonder meteen op allerlei financiële en praktische belemmeringen te letten.
Dit artikel is verschenen in De Ingenieur, augustus 2003
Sneller, hoger, sterker, zo luidt het Olympische motto. Het zou zo kunnen slaan op de zoektocht naar baanbrekende ideeën voor voortstuwing in de ruimte. Twintig jaar na zijn lancering in 1977 stond de Voyager 1 op een kleine zeventig maal de gemiddelde afstand tussen de aarde en de zon. Met ruim zeventien kilometer per seconde reist het toestel door ons zonnestelsel. Een prachtprestatie. Toch zou deze relatieve slakkengang de Voyager pas over 74.100 jaar bij de dichtstbijzijnde buurster brengen. Dat schiet niet op.
Een ruimtevlucht kent grofweg twee fasen. Allereerst de lancering vanaf de aarde. Hierbij moet de stuwkracht groter zijn dan het gewicht van de raket (in het algemeen een factor 1,1-1,4). Voor de tweede fase, de vlucht door de ruimte buiten de aardatmosfeer, is in principe een kleine stuwkracht voldoende voor een koerswijziging, maar voor verre vluchten binnen een aanvaardbare tijd, is een grote stuwkracht gewenst. Voor beide fasen is momenteel de chemische raketvoortstuwing standaard.
Om ons eigen zonnestelsel beter te verkennen, en vervolgens wellicht de exotische buitengebieden, hebben we echter fundamenteel nieuwe voortstuwingsconcepten nodig. Die moeten ons bereik verruimen en daarnaast – en dat zijn de aardsere en praktischere doelen – de controle over een ruimtevaartuig vergroten en zowel de massa als de kosten reduceren. Bij een huidige missie gebaseerd op chemische voortstuwing neemt stuwstof (de door de raket uitgestoten stof) 85 tot 95% van de massa voor zijn rekening. Bij de lancering van de Space Shuttle is dat 95%, zo’n 1,9 miljoen kilogram. Het vermogen dat de Space-Shuttlemotoren bij de start genereren is gigantisch: veertig gigawatt, ofwel veertig middelgrote energiecentrales.
De stuwstofmassa moet zo groot zijn omdat de uitstroomsnelheid van de stuwstof beperkt is tot ruim vier kilometer per seconde. De stuwkracht neemt evenredig toe met de massa-uitstroom en de uitstroomsnelheid. Liefst moet de uitstroomsnelheid dus zo hoog mogelijk zijn, want meer massa meenemen kost weer meer energie. Huidige missies zijn sterk beperkt door de hoeveelheid massa die een vaartuig kan meenemen, en de voortstuwingskracht. Voor een retourtje Mars in twee maanden hebben we snelheden van honderd tot duizend kilometer per seconde nodig, een factor tien tot honderd meer dan de snelheden bij huidige missies. Met conventionele chemische voortstuwingstechnieken kunnen ruimtevaartuigen deze snelheden niet bereiken.
Voortgeduwd door de zon
Een van de fundamenteel andere concepten van voortstuwing in de ruimte is het zonnezeil. Een zonnezeil is een groot, flinterdun reflecterend plastic zeil dat wordt voortgeduwd door de impuls van de lichtdeeltjes (fotonen) afkomstig van de zon. “Net zoals de wind een zeilboot voortduwt, zo duwt zonlicht een ruimtevaartuig met een zonnezeil voort”, zegt ingenieur Franz Burger, die bij ESTEC in Noordwijk – het technische onderzoekscentrum van de Europese Ruimtevaartorganisatie ESA – werkt aan de ontwikkeling van zonnezeilen. Het idee stamt al uit de jaren zestig, maar de concrete ontwikkeling vindt pas de laatste jaren plaats.
Zonnezeilen maken klassieke stuwstoffen weliswaar geheel overbodig, de stuwkracht is ook extreem laag: ongeveer tien miljoenste newton per vierkante meter zonnezeil. De verhouding tussen stuwkracht en gewicht – een belangrijk concept in alle voortstuwingstechnieken – is een honderdduizendste tot een tienduizendste. De stuwkracht mag dan wel klein zijn, de zon blijft het zeil wel voortdurend duwen. En terwijl de gewone zeilboot weerstand van water en wind ontmoet, heeft de zonnezeilboot in de bijna-vacuümruimte geen last van luchtweerstand.
De zonnezeilboot kan uiteindelijk wel negentig kilometer per seconde halen: tienmaal zoveel als van de Space Shuttle in zijn baan rond de aarde. Het zonnezeil kan ook extra duwtjes krijgen van een laser. Misschien is zo wel een snelheid van eentiende van de lichtsnelheid haalbaar. Hoe verder een zonnezeilboot van de zon vandaan reist, hoe kleiner de duwtjes door de zonnefotonen worden. De methode lijkt daarom vooral geschikt voor missies relatief dicht bij de zon. Zonnezeilen zijn pas geschikt als het ruimtevaartuig al in de ruimte is. Voor de lancering is het geheel ongeschikt. Dat betekent ook dat het zonnezeil bij de lancering in een zo klein mogelijke doos ligt opgevouwen en pas in de ruimte wordt ontvouwen.
Zowel het vinden van een geschikt ultralicht en toch sterk materiaal voor het zonnezeil, als het bedenken van een geschikte manier om het zonnezeil in de ruimte uit te vouwen vormen grote technische uitdagingen. Hoe ontvouw je in de ruimte, zonder menselijke hulp, een zeil van op zijn minst veertig bij veertig meter, dat opgevouwen ligt in een kubus met zijden van zestig centimeter? “Dat is geen sinecure”, zegt Burger. “In 1999 heeft ESA samen met de Duitse ruimtevaartorganisatie DLR voor het eerst een succesvolle gronddemonstratie gedaan van het ontvouwen. We gebruikten een kaptonfolie (een soort polyamideplastic) van 7,5 micrometer dik. Voor een werkend zonnezeil in de ruimte is dat nog steeds te dik, maar naast het verbeteren van de materialen moeten we ook de techniek van het ontvouwen onder de knie krijgen. Per definitie zijn deze extreem lichte zeilen moeilijk beheersbaar op aarde. Dit soort zeilen zijn extreem plakkerig en ze raken hier op aarde snel elektrostatisch geladen.”
Uiteindelijk moet het zonnezeil een dikte van 0,2 tot 0,5 micrometer gaan krijgen. De materiaalontwikkeling gebeurt voornamelijk in de VS, met het bedrijf Du Pont als een belangrijke industriële partner. ESA werkt vooral aan ontvouwing van het zonnezeil, opblaasbare structuren, lichtgewicht ondersteunende structuren voor het zonnezeil (vergelijkbaar met de dwarslatjes bij een vlieger) en aan boordelektronica voor de ultralichte satelliet die uiteindelijk met een zonnezeil door de ruimte gaat reizen.
“Een verkennende missie zou bijvoorbeeld eenvoudige meetinstrumenten kunnen meenemen in een baan rond de polen van de zon”, aldus Burger. “Over drie jaar moet een gedetailleerd ontwerp van een zonnezeil gereed zijn. Omdat Russische lanceringen momenteel het goedkoopst zijn, is het huidige plan het eerste zonnezeil te laten meevliegen met een lancering vanaf een Russische onderzeeër. Die techniek werd uiteraard in eerste instantie voor militaire doeleinden ontwikkeld.”
Snelle ionen
In de sciencefictionfilm 2001: A Space Odyssee wordt het ruimteschip Discovery aangedreven door een elektrische voortstuwing. Toch is dit principe, in tegenstelling tot bijvoorbeeld antimaterievoortstuwing (zie kader), inmiddels geen sciencefiction meer. In het testlaboratorium van ESTEC klinkt het doffe geluid van vacuümpompen in actie. Drie vacuümkamers testen hier diverse typen van elektrische voortstuwing in de ruimte, waarvan de ionenmotor de bekendste is. De Italiaan Giorgio Saccoccia is hoofd van de afdeling voortstuwing en aërothermodynamica bij ESA en legt het idee uit. “Elektrische voortstuwing is het huidige sleutelconcept voor de nieuwe generatie van commerciële en wetenschappelijke satellieten. In essentie gebruiken we elektrische kracht voor het versnellen van een geladen deeltjes. In plaats van dat de reactiekracht ontstaat door de gerichte expansie van een heet gas onder hoge druk, ontstaat de voortstuwende reactiekracht door versnellingen in een elektrisch veld.”
Vergeleken met chemische voortstuwing gebruiken de elektrische systemen weinig massa om een ruimteschip te versnellen. De gebruikte gassen zijn veelal edelgassen zoals xenon en argon of vloeibare metalen als cesium of indium. Een ionenmotor schiet ionen zo’n twintig maal sneller weg dan een klassieke chemische voortstuwing doet met het hete gas. Elektrische voortstuwing is niet beperkt in energie, alleen in het realiseren van voldoende elektrisch vermogen. Deze methode is zeer geschikt voor lage voortstuwingskrachten en voor zeer langdurige voortstuwing. De lage voortstuwende kracht maakt ook een zeer precieze positiecontrole mogelijk wat zeker voor diverse wetenschappelijke missies, zoals het in de ruimte meten van zwaartekrachtgolven, een voorwaarde is (zie kader).
Elektrische voortstuwing werkt als een eenvoudige geladen-deeltjesversneller. In een kamer krioelen geladen deeltjes: een geïoniseerd, positief geladen gas en negatief geladen elektronen. Aan het uiteinde van de kamer bevindt zich een rooster, dat wordt geladen met de negatief geladen elektronen. De positieve ionen versnellen vervolgens richting het negatief geladen rooster. Of, je kunt ook zeggen dat het rooster, en daarmee het ruimteschip, een versnelling ondervindt. Sommige ionen raken het rooster, maar de meeste passeren door de gaten en verdwijnen met grote snelheid in de ruimte. De benodigde energie om het elektrisch veld op het rooster aan te brengen, kan geleverd worden door zonnepanelen of door een nucleaire bron. Omdat elektrische voortstuwers zo weinig materiaal nodig hebben, kunnen ze jaren doen met de aan boord aanwezige brandstof. Belangrijkste nadeel is de relatief lage voortstuwende kracht vergeleken met chemische voortstuwing. Het duurt dus veel langer om een bepaalde snelheid te bereiken. Hoge versnellingen zijn onmogelijk.
De belangrijkste toepassing van elektrische voortstuwing in de nabije toekomst is voor geostationaire telecommunicatiesatellieten. De techniek wordt gebruikt om de satelliet van zijn beginbaan rond de aarde in zijn eindbaan te brengen en vervolgens om hem ook in een precieze eindbaan te houden, tegen allerlei storende factoren in. Saccoccia vertelt hoe de door ESA in 2001 gelanceerde Artemis-telecommunicatiesatelliet als gevolg van een fout bij de lancering eerst in een verkeerde baan om de aarde terechtkwam. “Gelukkig had deze satelliet een ionenmotor aan boord. Ondanks de kleine voortstuwende kracht van zo’n vijftig millinewton, lukte het de satelliet om in een jaar tijd terug in de goede geostationaire baan te geraken. We hebben die ionenmotor trouwens hier getest.”
Elektrische voortstuwing reduceert de massa bij de lancering met twintig procent, wat commercieel uiteraard erg aantrekkelijk is. “Koppeling van elektrische voortstuwing met bijvoorbeeld nucleaire energieopwekking moet op termijn de verdere verkenning van het zonnestelsel en daarbuiten mogelijk maken”, zegt Saccoccia. Versnellingen zijn weliswaar klein, maar als ze maar lange tijd aanhouden, kan een ruimteschip met gemak grote afstanden afleggen. Uiteindelijk kan de ionenmotor de tijd voor interplanetaire ruimtereizen flink gaan beperken, omdat een ver weg in ons zonnestelsel gelegen eindbestemming toch sneller bereikt kan worden dan met de klassieke chemische methode.
Laserlancering
Zonnezeilen en ionenmotoren zijn alleen geschikt in de ruimte; niet voor lancering. Toch bestaat er ook voor de raketlancering een prachtig baanbrekend concept. Een satelliet lanceren met een superlaser in plaats van met een chemische raket. In principe kan dat, als de satelliet maar licht is.
Een laserlancering is duizenden malen lichter en efficiënter dan de lancering van een chemische raket. Het idee is dat een parabolische spiegel aan boord van een klein en lichtgewicht ruimtevaartuig de krachtige laserlichtstraal ontvangt en samenbundelt naar een ruimte met lucht of een ander gas, de absorptiekamer. De lucht raakt vervolgens zo sterk verhit dat ze explodeert. Het gaat om temperaturen tussen tienduizend en dertigduizend graden Celsius, heter nog dan het zonneoppervlak. Bij deze temperatuur bevindt de lucht zich in een plasmatoestand. De kracht van de explosie stuwt het ruimteschip voort. De kracht is zo groot dat hij zelfs voor een lancering vanaf de aarde kan worden gebruikt. Als de buitenatmosfeer te ijl is om voldoende lucht te leveren, biedt aan boord meegenomen waterstof uitkomst. De krachtige lasers zijn een spin-off van het begin jaren tachtig geïnitieerde, maar nooit voortgezette StarWars-defensieprogramma van de toenmalige president van de VS, Ronald Reagan.
Laserlancering is toepasbaar voor lichte ruimtevaartuigen. Vóór de lancering zorgt een stroom van samengedrukte lucht er eerst voor dat het ruimtevaartuig met zo’n tienduizend omwentelingen per minuut gaat rondtollen. Dat rondtollen stabiliseert het ruimteschip tijdens de lancering. Als het toestel eenmaal met de optimale snelheid rondtolt, wordt de laser ingeschakeld. In een mum van tijd schiet het vaartuig de lucht in.
“Een nog onopgelost probleem is hoe je met een laserstraal vanaf de aarde het ruimteschip voldoende kunt sturen”, zegt Saccoccia. “Maar de methode heeft al een aantal succesvolle tests achter de rug.” Het principe van laservoortstuwing werd in 2000 aangetoond met een tien kilowatt-gepulste laser. Een krachtige laserstraal lanceerde het lichtgewicht toestel van slechts vijftig gram tot een hoogte van 71 meter. Om een toestel van een kilogram in een lage baan rond de aarde te schieten, is echter een laser met een vermogen van een megawatt nodig. En zelfs een gigawattlaser voor nog zwaardere satellieten.
Moeilijke tijd voor nieuwe concepten
“Er bestaan weliswaar vele fancy voortstuwingsconcepten, maar uiteindelijk komt het voor de daadwerkelijke ontwikkeling toch niet alleen aan op techniek”, zegt Saccoccia. “Belangrijk is hoe goedkoop een technologie wordt en hoeveel er commercieel mee wordt verdiend. Ionenvoortstuwing kan veel geld besparen. Deze techniek ontwikkelen we dus sterk.”
Vanuit ingenieursoogpunt vindt de Italiaanse ESA-onderzoeker nucleair-elektrische en nucleair-thermische voortstuwing het meest veelbelovend voor de komende twee decennia. “Het probleem is natuurlijk het negatieve beeld dat het grote publiek heeft van alles wat met kernenergie te maken heeft. Maar ik ben ervan overtuigd dat het inzetten van kernenergie bij voorstuwing volledig veilig kan gebeuren.”
In nucleair-elektrische voortstuwing wordt de warmte van een kleine kernreactor omgezet in elektrische energie die bijvoorbeeld een ionenmotor voedt. Zonnepanelen, die nu veel worden gebruikt om elektrische energie te genereren, leveren maar een beperkt vermogen. Een nucleair-elektrische reactor kan een hoger vermogen leveren, terwijl toch de reactorafmetingen beperkt blijven. Deze voortstuwing wordt noodzakelijk voor missies verder dan Mars, waar de zonne-intensiteit te laag is voor het gebruik van zonnecellen.
Alle fantastische, tot de verbeelding sprekende ideeën ten spijt, maakt het onderzoek naar baanbrekende voortstuwingsconcepten momenteel een moeilijke tijd door. Saccoccia: “Eigenlijk wordt er alleen maar geld uitgetrokken voor concepten waarvan we met een grote mate van waarschijnlijkheid weten dat we ze werkelijk de komende jaren kunnen toepassen. Dat geldt voor zowel ESA als NASA.” Zo besloot NASA in 2002 niet verder te gaan met de financiering van het in 1996 gestarte Breakthrough Propulsion Physics Project, een project dat wetenschappers de gelegenheid gaf hun gedachten over voortstuwing in de ruimte de vrije loop te laten, zonder meteen op allerlei financiële en praktische belemmeringen te letten.
Saturday, February 16, 2008
Brain Research in the Netherlands 2005-2015
"We should recognize that brain, mind and body are one."
Ron de Kloet, professor medical pharmacology
The brain is an organ with billions of nerve cells, each with over one thousand interconnections, and thus representing a vast complexity. We already know a great deal about this part of our body, but there is even more that we currently do not know. However, unmistakably, this organ determines everything we think and do. Unfortunately, one in three people in the Netherlands will at some point in their lives be confronted with a brain disorder that will lead to physical and/or mental limitations, and this number will continue to rise in the next decades, as the result of a society that is aging as well as growing ever more complex.
Anything to do with the brain has enormous societal importance. It is our brain that enables us to keep on learning throughout our lives and to continuously adapt our social skills to an ever-changing environment. Brain diseases, brain injury, psychiatric disorders such as depression and schizophrenia, the sequelae of aging, and stress-related afflictions all have far-reaching consequences for our functioning in society. A large part of current health care expenses is related to the treatment of brain disorders. For 2004, these expenses were estimated at 18 billion euro in the Netherlands. For the same year, the percentage of people with a brain disorder was estimated at 30-40% of the total population. Unless the Netherlands invests sufficiently in brain research, society will have every reason to blame politics as well as science in ten years’ time.
Improvements in the clinical approach to brain disorders require adequate fundamental scientific research. Every breakthrough in neuroscience has been brought about by close collaboration between fundamental and clinical researchers. Over the past two decades of the previous century, novel imaging techniques have shown, for the first time, the actual functioning of the live human brain. At the same time, researchers have taken the first steps to understand how the brain works at the molecular level. The great challenge for the 21st century will be to link our knowledge of the single neuron to that of the brain as a whole. How does consciousness come about? What about memory, perception, movement, language and emotion? How do we learn things?
As our understanding of the brain grows, the possibilities to intervene will increase. Will it be possible, eventually, to counter memory loss or regain functions lost as a result of brain damage caused by brain tumors, traumatic injury, neurodegenerative disease or other neurological or psychiatric diseases? In the next decade neuroscientists will have to make serious progress in order to be able to answer these questions.
This strategy report - Brain Research in the Netherlands 2005-2015 - explains the societal need for brain research, describes the most important scientific developments in brain research of the past decade, particularly in the Netherlands, and formulates the main scientific challenges for the next decade. The Netherlands has a strong tradition in neuro-ethology, (behavioral) pharmacology, neuroendocrinology, cognitive psychology, neuroanatomy and human neurophysiology. In the past ten years, the Netherlands has also made excellent contributions to a number of other fields. This report identifies Integrative Neuroscience as the greatest challenge for the next 10 years and indicates how Dutch brain research may best contribute to the expected societal and scientific developments.
Read the full report on:
www.neurofederatie.nl/publications/Strategy_0515_english.pdf
Ron de Kloet, professor medical pharmacology
The brain is an organ with billions of nerve cells, each with over one thousand interconnections, and thus representing a vast complexity. We already know a great deal about this part of our body, but there is even more that we currently do not know. However, unmistakably, this organ determines everything we think and do. Unfortunately, one in three people in the Netherlands will at some point in their lives be confronted with a brain disorder that will lead to physical and/or mental limitations, and this number will continue to rise in the next decades, as the result of a society that is aging as well as growing ever more complex.
Anything to do with the brain has enormous societal importance. It is our brain that enables us to keep on learning throughout our lives and to continuously adapt our social skills to an ever-changing environment. Brain diseases, brain injury, psychiatric disorders such as depression and schizophrenia, the sequelae of aging, and stress-related afflictions all have far-reaching consequences for our functioning in society. A large part of current health care expenses is related to the treatment of brain disorders. For 2004, these expenses were estimated at 18 billion euro in the Netherlands. For the same year, the percentage of people with a brain disorder was estimated at 30-40% of the total population. Unless the Netherlands invests sufficiently in brain research, society will have every reason to blame politics as well as science in ten years’ time.
Improvements in the clinical approach to brain disorders require adequate fundamental scientific research. Every breakthrough in neuroscience has been brought about by close collaboration between fundamental and clinical researchers. Over the past two decades of the previous century, novel imaging techniques have shown, for the first time, the actual functioning of the live human brain. At the same time, researchers have taken the first steps to understand how the brain works at the molecular level. The great challenge for the 21st century will be to link our knowledge of the single neuron to that of the brain as a whole. How does consciousness come about? What about memory, perception, movement, language and emotion? How do we learn things?
As our understanding of the brain grows, the possibilities to intervene will increase. Will it be possible, eventually, to counter memory loss or regain functions lost as a result of brain damage caused by brain tumors, traumatic injury, neurodegenerative disease or other neurological or psychiatric diseases? In the next decade neuroscientists will have to make serious progress in order to be able to answer these questions.
This strategy report - Brain Research in the Netherlands 2005-2015 - explains the societal need for brain research, describes the most important scientific developments in brain research of the past decade, particularly in the Netherlands, and formulates the main scientific challenges for the next decade. The Netherlands has a strong tradition in neuro-ethology, (behavioral) pharmacology, neuroendocrinology, cognitive psychology, neuroanatomy and human neurophysiology. In the past ten years, the Netherlands has also made excellent contributions to a number of other fields. This report identifies Integrative Neuroscience as the greatest challenge for the next 10 years and indicates how Dutch brain research may best contribute to the expected societal and scientific developments.
Read the full report on:
www.neurofederatie.nl/publications/Strategy_0515_english.pdf
Onzekere wetenschap in een onzekere wereld
Bekijk mijn powerpointpresentatie over de rol van onzekerheid in het klimaatdebat. Deze lezing heb ik gegeven op vrijdag 16 november 2007 aan de Universiteit Leiden.
Monday, February 11, 2008
Waarom is het zo moeilijk om een geheim te bewaren?
Dit artikel is verschenen in dagblad TROUW, 11 februari 2008
Ga vijf minuten rustig zitten, en probeer niet aan een witte beer te denken.
De kans is groot dat je gemiddeld eenmaal per minuut toch aan een witte beer denkt. Dat bleek uit een experiment waarover de Amerikaanse psycholoog Daniel Wegner in 1987 publiceerde. Proefpersonen dachten na het experiment ook vaker aan de witte beer dan zij die de gedachte niet hoefden te onderdrukken. En, om tijdens de proef maar niet aan de witte beer te denken, probeerden de vrijwilligers hun aandacht te concentreren op voorwerpen in de labruimte: de ventilator, een afstandsbediening, het plafond. Gevolg: de hersenen gingen de ventilator, de afstandsbediening en het plafond juist associëren met de witte beer. Het beest dook ineens overal op.
Voor weinig mensen zal de witte beer een persoonlijke betekenis hebben. Maar het ontbreekt ons niet aan persoonlijke gebeurtenissen die we echt geheim willen houden, bang voor schaamte, uitsluiting of echtscheiding. Als de gedachte aan een betekenisloze witte beer al zo lastig te onderdrukken is, hoe zit het dan met het geheim van overspel, seksueel misbruik, depressie, dopinggebruik, schulden of stelen?
Pas twee decennia gebeurt er serieus wetenschappelijk onderzoek naar het hebben van geheimen. In 1995 liet Wegner zien dat mensen die een eerder verbroken liefdesrelatie verborgen hielden tegenover hun nieuwe partner juist vaker aan de vorige geliefde denken dan zij die dat niet geheim hielden.
Vaak aangehaald, deels experimenteel ondersteund, maar nooit onomstotelijk bewezen, is de onderdrukkingstheorie uit 1989 van de Amerikaanse psycholoog James Pennebaker. Van nature willen we praten over wat we meemaken. En, tja, dat is nu eenmaal de waarheid, hoe ongemakkelijk ook. Onderdrukken roept een tijdelijke stressreactie op. Hoe langer we het geheim onderdrukken, hoe vaker we in de stress schieten. Totdat we zelfs voortdurend stresshormonen aanmaken. Geniepige lichamelijke en geestelijke ziekmakers.
Psycholoog Tom Frijns liet in 2005 in zijn proefschrift Keeping Secrets zien dat het belangrijk is om een onderscheid te maken tussen individuele geheimen – die je met niemand deelt – en gedeelde geheimen – die je met een of meer personen deelt, erop vertrouwend dat zij het geheim niet verklappen. Gedeelde geheimen blijken veel meer voor te komen dan individuele geheimen. Frijns vond dat in ieder geval bij adolescenten individuele geheimen psychosociale problemen kunnen veroorzaken, maar gedeelde geheimen niet. Sterker nog, volgens hem kan het delen van een geheim de sociale vaardigheden van een jong volwassene trainen. Je moet nadenken aan wie je het vertelt en hoe.
Vorig jaar schreef psycholoog en geheimenonderzoeker Andreas Wismeijer in het Tijdschrift voor Psychiatrie dat een groeiend aantal experimentele onderzoeken er op wijst dat het onderdrukken van geheimen tot lichamelijke klachten kan leiden. Maar ook dat veel onderzoeken aantonen dat het delen van een geheim helend kan werken: door er tegenover iemand over te praten, door erover te schrijven in een dagboek, in een nooit verstuurde brief of zelfs anoniem toe te vertrouwen aan het internet.
Internet
Tom Frijns. Keeping Secrets. http://dare.ubvu.vu.nl/bitstream/1871/9001/1/KeepingSecrets.pdf
Andreas Wismeijer. De emotionele belasting van geheimen.
http://webwijs2.uvt.nl/publications/665169.pdf
Ga vijf minuten rustig zitten, en probeer niet aan een witte beer te denken.
De kans is groot dat je gemiddeld eenmaal per minuut toch aan een witte beer denkt. Dat bleek uit een experiment waarover de Amerikaanse psycholoog Daniel Wegner in 1987 publiceerde. Proefpersonen dachten na het experiment ook vaker aan de witte beer dan zij die de gedachte niet hoefden te onderdrukken. En, om tijdens de proef maar niet aan de witte beer te denken, probeerden de vrijwilligers hun aandacht te concentreren op voorwerpen in de labruimte: de ventilator, een afstandsbediening, het plafond. Gevolg: de hersenen gingen de ventilator, de afstandsbediening en het plafond juist associëren met de witte beer. Het beest dook ineens overal op.
Voor weinig mensen zal de witte beer een persoonlijke betekenis hebben. Maar het ontbreekt ons niet aan persoonlijke gebeurtenissen die we echt geheim willen houden, bang voor schaamte, uitsluiting of echtscheiding. Als de gedachte aan een betekenisloze witte beer al zo lastig te onderdrukken is, hoe zit het dan met het geheim van overspel, seksueel misbruik, depressie, dopinggebruik, schulden of stelen?
Pas twee decennia gebeurt er serieus wetenschappelijk onderzoek naar het hebben van geheimen. In 1995 liet Wegner zien dat mensen die een eerder verbroken liefdesrelatie verborgen hielden tegenover hun nieuwe partner juist vaker aan de vorige geliefde denken dan zij die dat niet geheim hielden.
Vaak aangehaald, deels experimenteel ondersteund, maar nooit onomstotelijk bewezen, is de onderdrukkingstheorie uit 1989 van de Amerikaanse psycholoog James Pennebaker. Van nature willen we praten over wat we meemaken. En, tja, dat is nu eenmaal de waarheid, hoe ongemakkelijk ook. Onderdrukken roept een tijdelijke stressreactie op. Hoe langer we het geheim onderdrukken, hoe vaker we in de stress schieten. Totdat we zelfs voortdurend stresshormonen aanmaken. Geniepige lichamelijke en geestelijke ziekmakers.
Psycholoog Tom Frijns liet in 2005 in zijn proefschrift Keeping Secrets zien dat het belangrijk is om een onderscheid te maken tussen individuele geheimen – die je met niemand deelt – en gedeelde geheimen – die je met een of meer personen deelt, erop vertrouwend dat zij het geheim niet verklappen. Gedeelde geheimen blijken veel meer voor te komen dan individuele geheimen. Frijns vond dat in ieder geval bij adolescenten individuele geheimen psychosociale problemen kunnen veroorzaken, maar gedeelde geheimen niet. Sterker nog, volgens hem kan het delen van een geheim de sociale vaardigheden van een jong volwassene trainen. Je moet nadenken aan wie je het vertelt en hoe.
Vorig jaar schreef psycholoog en geheimenonderzoeker Andreas Wismeijer in het Tijdschrift voor Psychiatrie dat een groeiend aantal experimentele onderzoeken er op wijst dat het onderdrukken van geheimen tot lichamelijke klachten kan leiden. Maar ook dat veel onderzoeken aantonen dat het delen van een geheim helend kan werken: door er tegenover iemand over te praten, door erover te schrijven in een dagboek, in een nooit verstuurde brief of zelfs anoniem toe te vertrouwen aan het internet.
Internet
Tom Frijns. Keeping Secrets. http://dare.ubvu.vu.nl/bitstream/1871/9001/1/KeepingSecrets.pdf
Andreas Wismeijer. De emotionele belasting van geheimen.
http://webwijs2.uvt.nl/publications/665169.pdf
De chemische bouwstenen van het bewustzijn
De chemische signaaloverdracht tussen twee hersencellen is de elementaire bouwsteen van alle hersenfuncties, van het hele menselijke bewustzijn. Biochemici ontrafelen molecuul voor molecuul hoe hersencellen chemisch met elkaar praten.
Dit artikel is gepubliceerd in Chemisch2Weekblad, februari 2006
De menselijke hersenen bevatten ongeveer net zoveel hersencellen als het aantal sterren in de Melkweg: zo’n honderd miljard. Het aantal verbindingen tussen die hersencellen is nog eens duizend tot tienduizend maal zo groot, veel meer dan het aantal sterrenstelsels in het hele universum. De hersenen zijn een universum in zichzelf. Ze maken dat we ‘ik’ kunnen zeggen, dat we ons bewust zijn van wie we zijn. Ze kunnen de prachtigste muziekstukken componeren, de ingewikkeldste wiskunde bedenken en de voet van een voetballer aansturen, die een vrije trap met een prachtige boog in het doel schiet. Maar ze kunnen ook op hol slaan en manisch, depressief of schizofreen worden. Of alle herinneringen verliezen.
Het is nauwelijks te bevatten dat aan de basis van dat alles de elektrische en chemische communicatie tussen hersencellen staat. Een vurende hersencel, ofwel neuron, stuurt een elektrisch signaal naar zijn uitlopers. Aan het uiteinde gekomen, wordt een chemisch signaal opgewekt: er komen neurotransmitters vrij. Die neurotransmitters diffunderen door een nauwe spleet, de synaps, van het ene naar het andere neuron. Het ontvangende neuron pikt die chemische stofjes met specifieke receptoren weer op. Zo praat het ene neuron met het andere, en meestal met vele andere tegelijk. Althans, dat is het simpele beeld uit de schoolboekjes.
Maar hoe meer je op de chemische communicatie inzoomt, hoe ingewikkelder het in elkaar blijkt te zitten. In het uiteinde van een neuron zitten een soort blaasjes vol met neurotransmitters. Als er een elektrisch signaal aankomt, maken een boel van die blaasjes contact met het uiteinde van het neuron. Hun wanden versmelten met elkaar, zodat elk blaasje eigenlijk wordt geopend. Zo komen de neurotransmitters vrij. We kennen momenteel een kleine honderd van die chemische stofjes. De chemische overdracht of synaptische vertraging duurt minder dan een milliseconde, wat snel lijkt, maar toch traag is vergeleken met hoe snel de huidige computers hun bits en bytes verwerken.
Truc met de vallende munt
“Er is een mooi experiment om die synaptische vertraging te laten zien”, zegt Reinhard Jahn, onderzoeksdirecteur neurobiologie bij het Max Planck Instituut voor biofysische chemie in het Duitse Göttingen. “Neem een munt in je hand. Vraag nu iemand anders om zijn hand direct onder de jouwe te plaatsen. De truc is nu dat die ander moet proberen om de munt te vangen, nadat jij die hebt laten vallen. Dat is onmogelijk. Zodra jij de munt laat vallen, moet de ander de waarneming van dat vallen eerst in zijn hersenen verwerken en vervolgens de spieren van zijn hand aansturen voor het vangen. Die signalen gaan langs zoveel neuronen dat de chemische vertraging tussen de synapsen het onmogelijk maakt de munt te vangen.”
Het proces van het vrij laten komen van de neurotransmitters uit de synaptische blaasjes, exocytose geheten, is essentieel, want er kan zo vreselijk veel bij misgaan. Bioloog en chemicus Jahn is een wereldexpert op het gebied van exocytose. “De chemische signaaloverdracht tussen twee neuronen is de elementaire bouwsteen van alle hersenfuncties, van het hele menselijke bewustzijn. Aan de kant van het zendende neuron speelt exocytose de hoofdrol. Aan de kant van het ontvangende neuron spelen de receptoren voor neurotransmitters, zeg maar de ontvangers van het chemische signaal, de hoofdrol. Als we beide processen begrijpen dan kunnen we hopelijk ook veel beter ingrijpen in de chemie van het brein.”
Precies op het terrein van het begrijpen van de exocytose hebben biochemici de afgelopen tien jaar belangrijke bijdragen geleverd. Jahn: “Exocytose wordt geregeld door een gigantische supramoleculaire machine. In die machine werken honderden eiwitten en duizenden lipiden. We weten nu dat in elk synapsuiteinde ongeveer honderd synaptische blaasjes zitten. Hoeveel blaasjes er bij een elektrische trigger fuseren met het membraan, verschilt nogal.”
Eén blaasje meet gemiddeld 42 nanometer in diameter en in elk zitten enige duizenden transmittermoleculen. Maar een blaasje fuseert niet vanzelf met de wand. “Daar zijn eiwitten voor nodig”, legt Jahn uit. “De snare-eiwitten. Die knappen het vuile werk op. Zelf worden ze gerecycled door weer een ander eiwit. De ontdekking van die snare’s zou trouwens nog wel eens een Nobelprijs kunnen opleveren.”
Na het versmelten met het membraan, worden er nieuwe blaasjes uit het membraan gevormd. Dat is het omgekeerde proces van exocytose: de endocytose. En ze worden opnieuw gevuld met neurotransmitters. Jahn: “Voordat de blaasjes klaar zijn voor hergebruik duurt wel een seconde of dertig tot veertig. Een langzaam proces dus. Niet alle blaasjes worden trouwens tegelijk gebruikt voor de chemische communicatie tussen neuronen.”
Het ontwikkelen van een volledig mechanistisch en kwantitatief moleculair model voor het exocytoseproces is het grote doel voor Jahn. “Het is moeilijk te zeggen wat de grootste onbekende hierin is. Het ontbreekt ons vooral aan kwantitatieve informatie. Hoeveel molecuulcomplexen zijn er nodig? Hoe beïnvloedt hun aantal het praten van neuronen met elkaar? Hoe zijn ze georganiseerd? Wat de snare’s doen, begrijpen we inmiddels vrij goed, maar niet hoe het volledige proces wordt gereguleerd.”
Meettechnieken
Gelukkig komen er steeds betere analytisch-chemische technieken om die exocytose zo precies mogelijk in plaats en tijd te meten, meestal in diercellen als modelsystemen.
Jahn: “Exocytose is een van de snelste processen in de cel, en dus hebben we snelle meettechnieken nodig. Met koolstof micro-elektroden van vijf micrometer diameter kunnen we het loslaten van de neurotransmitters tijdens de exocytose meten aan een enkele cel. We plaatsen de elektrode dichtbij het celmembraan van de synaps. In feite meten we de oxidatie of reductie van de vrijgekomen transmitter aan het oppervlak van de koolstofelektrode. Fuseert een synaptisch blaasje met het membraan, dan komen de neurotransmitters vrij en meten we een oxidatiestroompje in de elektrode. De methode is heel gevoelig voor de hoeveelheid neurotransmitter en kan het proces in fracties van een milliseconde volgen. Maar de methode werkt alleen bij die klasse van neurotransmitters die gemakkelijk geoxideerd kunnen worden.”
Een andere manier om exocytose te bestuderen is het aanbrengen van fluorescerende kleurstof in de synaptische blaasjes. “Binnenin het blaasje heerst normaal een zure omgeving”, vertelt Jahn. “Maar bij exocytose wordt de inhoud snel geneutraliseerd. Als dat gebeurt, begint de aangebrachte kleurstof te fluoresceren. Met een speciale microscooptechniek kunnen we dat proces volgen. Tot nu toe is het probleem dat we geen individuele blaasjes kunnen zien. We werken er echter hard aan om met een nieuwe microscooptechniek wel één afzonderlijk blaasje te kunnen bekijken.”
Jahn’s onderzoeksgroep gebruikt verder ook kunstmatig gemaakte synaptische blaasjes. “Om te bewijzen dat een bepaald eiwit een bepaalde taak doet, moet je het geïsoleerd bestuderen. We stoppen eiwitten in kunstmatige membranen en proberen de exocytose te reconstrueren door kunstmatige blaasjes met een kunstmatig membraan te laten fuseren. Willen ze inderdaad met elkaar fuseren, en zo ja, hoe gebeurt dat? Welke eiwitten helpen bij de fusie? Ook de membranen zelf bestuderen we in isolatie. Alles volgens de reductionistische aanpak: bestudeer een eenvoudig subsysteem en relateer dat aan een biologische functie in het grotere geheel.” En dat moet met een interdisciplinair team van biologen, chemici en fysici gebeuren, benadrukt de neurobioloog. “Zo doen we dat in mijn onderzoeksgroep ook.”
Nieuwe medicijnen
Het begrijpen van de chemische communicatie tussen neuronen, is één doel. Het met medicijnen ingrijpen in dit proces is een ander doel: controle krijgen over het proces van exocytose. “Hoe krijgen we controle over exocytose? is een van de grote openliggende vragen”, zegt Jahn. “Als we eerlijk zijn, moeten we zeggen dat de huidige medicijnen in de neurologie en psychiatrie dicht aanliggen tegen voodoowetenschap. We begrijpen gewoon niet hoe ze werken.” Antidepressiva, bijvoorbeeld, werken maar bij zo’n vijftig tot zestig procent van de patiënten. Bij een boel mensen werken ze dus niet. En een placebomedicijn werkt ook al bij 35 procent.
De meeste geneesmiddelen zijn gericht op de receptoren van het ontvangende neuron, dus op de postsynaptische kant. “Maar recentere middelen zoals prozac”, zegt Jahn, “werken op de presynaptische kant, dus aan het uiteinde van het zendende neuron, precies waar de exocytose plaatsvindt. Niemand begrijpt waarom prozac als antidepressivum werkt en waarom een hoge concentratie van de neurotransmitter serotonine mensen blijer maakt. Het geneesmiddelenonderzoek dat zich richt op de presynaptische kant bevindt zich nog in de kinderschoenen, maar zal de komende tien jaar flink groeien. Wat daar zal uitkomen, kan ik absoluut niet voorspellen.”
Ook bij niet-psychiatrische hersenaandoeningen zoals herseninfarcten, zijn nieuwe medicijnen die ingrijpen op de chemische communicatie een noodzaak. Jahn: “Bij een herseninfarct krijgen bepaalde hersencellen te weinig zuurstof. Op dat moment laten ze in heel korte tijd een zeer hoge concentratie van neurotransmitters los. Een tot twee weken later beginnen ze af te sterven. Misschien heeft het een met het ander te maken. Op een of andere manier willen we in dat proces ingrijpen om het afsterven te voorkomen. Dat is van immens belang.”
Anderhalf pond denkvlees
De chemische signaaloverdracht tussen twee neuronen mag dan wel de elementaire bouwsteen in de hersenen zijn, uiteindelijk gaat het toch om hoe alle honderd miljard hersencellen met elkaar samenwerken. De grote uitdaging voor de 21e eeuw is daarom om van het niveau van de enkele hersencel weer terug te gaan naar de complete hersenen met al hun prachtige vermogens, maar ook met hun nukken en grillen. Hoe ontstaat het bewustzijn? Hoe ontstaan geheugen, waarneming, taal en emotie? Hoe kunnen de hersenen leren?
Hoe de antwoorden op deze vragen ook precies uitvallen, één ding is al duidelijk: het begrip ‘ziel’ of ‘geest’ – een of andere niet-materiële entiteit die los staat van de hersenen – is overbodig geworden. We mogen dan nog lang niet alles weten over het functioneren van de hersenen, meer dan een kleine anderhalf pond denkvlees is er niet. Dat is een belangrijke – hoewel nogal geruisloos verlopen – revolutie die het moderne hersenonderzoek teweeg heeft gebracht.
Daarmee is het de derde wetenschappelijke revolutie die de mens noopt tot grote bescheidenheid, of we dat nou leuk vinden of niet. Copernicus heeft de mensheid laten zien dat de aarde niet het centrum van het universum is. Darwin haalde de veronderstelde unieke positie van de mens onderuit door hem te plaatsen in een lange evolutionaire reeks van levende organismen, waarvan de aap de meest recente voorvader is. Het hersenonderzoek laat zien dat wat wij zo lang gekoesterd hebben als ‘geest’ of ‘ziel’, niet meer is dan een illusie. En bewustzijn is niets anders dan wat alle met elkaar communicerende hersencellen samen produceren. Maar dat doet niets af aan wat mensen zelf denken en voelen. De zon zien opkomen in de bergen, blijft even mooi als het altijd is geweest, ook als we precies begrijpen hoe hersencellen met elkaar praten.
[Kader:]
Het geheugenmolecuul
Dat je met diermodellen kunt begrijpen hoe menselijk leren werkt, daar geloofden biologen en psychologen in de jaren vijftig en zestig niets van. Menselijk leren, dat was uniek voor mensen. Neurobioloog Eric Kandel had een heel andere opvatting. Op evolutionaire gronden was hij er van overtuigd dat er aspecten van het menselijk leervermogen moesten zijn die op moleculair en cellulair niveau identiek zijn bij lagere diersoorten. De mens is immers geëvolueerd uit veel eenvoudiger organismen.
Kandel koos uiteindelijk voor de zeeslak als eenvoudig diermodel. Het beestje heeft slechts twintigduizend neuronen, tegenover honderd miljard bij de mens. Dat maakt het onderzoek een stuk makkelijker. Hij bestudeerde vervolgens hoe eenvoudige kieuwreflexen van de zeeslak konden veranderen door verschillende, primitieve vormen van leren, onder andere via de klassieke truc van de conditionering. Zo ontdekte hij dat tijdens het leren de synaptische verbinding tussen zenuwcellen werd versterkt. Hoe meer oefening, hoe sterker de verbinding wordt, dat wil zeggen: hoe gemakkelijker de elektrochemische communicatie verloopt. Kandel slaagde er zo als een van de eersten in om een moleculair model voor een eenvoudig geheugen op te stellen.
Via experimenten aan slechts twee neuronen uit de zeeslak ontdekte hij nog veel meer, met in theorie verregaande consequenties. Wanneer hij één enkel molecuul, creb genaamd, blokkeerde, konden de twee neuronen niet meer met elkaar communiceren. creb bleek genen aan te zetten die nodig zijn voor het produceren van eiwitten, die op hun beurt een blijvende verbinding tussen neuronen tot stand brengen. Precies wat nodig is voor een langetermijngeheugen! Zonder creb bleek er geen langetermijngeheugen mogelijk. creb als geheugenmolecuul. Dat was een revolutionaire ontdekking, waarvoor hij in 2000 samen met twee collega’s de Nobelprijs voor geneeskunde kreeg.
Daarna ontdekte Kandel een ander molecuul dat de werking van creb juist onderdrukt. Toegediend aan muizen, bleken deze net geleerde taken bijna gelijk weer te vergeten. Een vergeetmolecuul, kortom.
Kandel realiseerde zich welke mogelijkheden geheugen- en vergeetmoleculen bij mensen kunnen hebben, en begon samen met enkele anderen het bedrijf Memory Pharmaceuticals. Dat bedrijf legt zich toe op het ontwikkelen van een geheugenpil. De geheugenpil zou de vorming van creb moeten bevorderen en zo een uitkomst zijn voor mensen die kampen met geheugenverlies. Uiteraard zitten aan dit soort toepassingen wel nog allerlei ethische haken en ogen.
Dit artikel is gepubliceerd in Chemisch2Weekblad, februari 2006
De menselijke hersenen bevatten ongeveer net zoveel hersencellen als het aantal sterren in de Melkweg: zo’n honderd miljard. Het aantal verbindingen tussen die hersencellen is nog eens duizend tot tienduizend maal zo groot, veel meer dan het aantal sterrenstelsels in het hele universum. De hersenen zijn een universum in zichzelf. Ze maken dat we ‘ik’ kunnen zeggen, dat we ons bewust zijn van wie we zijn. Ze kunnen de prachtigste muziekstukken componeren, de ingewikkeldste wiskunde bedenken en de voet van een voetballer aansturen, die een vrije trap met een prachtige boog in het doel schiet. Maar ze kunnen ook op hol slaan en manisch, depressief of schizofreen worden. Of alle herinneringen verliezen.
Het is nauwelijks te bevatten dat aan de basis van dat alles de elektrische en chemische communicatie tussen hersencellen staat. Een vurende hersencel, ofwel neuron, stuurt een elektrisch signaal naar zijn uitlopers. Aan het uiteinde gekomen, wordt een chemisch signaal opgewekt: er komen neurotransmitters vrij. Die neurotransmitters diffunderen door een nauwe spleet, de synaps, van het ene naar het andere neuron. Het ontvangende neuron pikt die chemische stofjes met specifieke receptoren weer op. Zo praat het ene neuron met het andere, en meestal met vele andere tegelijk. Althans, dat is het simpele beeld uit de schoolboekjes.
Maar hoe meer je op de chemische communicatie inzoomt, hoe ingewikkelder het in elkaar blijkt te zitten. In het uiteinde van een neuron zitten een soort blaasjes vol met neurotransmitters. Als er een elektrisch signaal aankomt, maken een boel van die blaasjes contact met het uiteinde van het neuron. Hun wanden versmelten met elkaar, zodat elk blaasje eigenlijk wordt geopend. Zo komen de neurotransmitters vrij. We kennen momenteel een kleine honderd van die chemische stofjes. De chemische overdracht of synaptische vertraging duurt minder dan een milliseconde, wat snel lijkt, maar toch traag is vergeleken met hoe snel de huidige computers hun bits en bytes verwerken.
Truc met de vallende munt
“Er is een mooi experiment om die synaptische vertraging te laten zien”, zegt Reinhard Jahn, onderzoeksdirecteur neurobiologie bij het Max Planck Instituut voor biofysische chemie in het Duitse Göttingen. “Neem een munt in je hand. Vraag nu iemand anders om zijn hand direct onder de jouwe te plaatsen. De truc is nu dat die ander moet proberen om de munt te vangen, nadat jij die hebt laten vallen. Dat is onmogelijk. Zodra jij de munt laat vallen, moet de ander de waarneming van dat vallen eerst in zijn hersenen verwerken en vervolgens de spieren van zijn hand aansturen voor het vangen. Die signalen gaan langs zoveel neuronen dat de chemische vertraging tussen de synapsen het onmogelijk maakt de munt te vangen.”
Het proces van het vrij laten komen van de neurotransmitters uit de synaptische blaasjes, exocytose geheten, is essentieel, want er kan zo vreselijk veel bij misgaan. Bioloog en chemicus Jahn is een wereldexpert op het gebied van exocytose. “De chemische signaaloverdracht tussen twee neuronen is de elementaire bouwsteen van alle hersenfuncties, van het hele menselijke bewustzijn. Aan de kant van het zendende neuron speelt exocytose de hoofdrol. Aan de kant van het ontvangende neuron spelen de receptoren voor neurotransmitters, zeg maar de ontvangers van het chemische signaal, de hoofdrol. Als we beide processen begrijpen dan kunnen we hopelijk ook veel beter ingrijpen in de chemie van het brein.”
Precies op het terrein van het begrijpen van de exocytose hebben biochemici de afgelopen tien jaar belangrijke bijdragen geleverd. Jahn: “Exocytose wordt geregeld door een gigantische supramoleculaire machine. In die machine werken honderden eiwitten en duizenden lipiden. We weten nu dat in elk synapsuiteinde ongeveer honderd synaptische blaasjes zitten. Hoeveel blaasjes er bij een elektrische trigger fuseren met het membraan, verschilt nogal.”
Eén blaasje meet gemiddeld 42 nanometer in diameter en in elk zitten enige duizenden transmittermoleculen. Maar een blaasje fuseert niet vanzelf met de wand. “Daar zijn eiwitten voor nodig”, legt Jahn uit. “De snare-eiwitten. Die knappen het vuile werk op. Zelf worden ze gerecycled door weer een ander eiwit. De ontdekking van die snare’s zou trouwens nog wel eens een Nobelprijs kunnen opleveren.”
Na het versmelten met het membraan, worden er nieuwe blaasjes uit het membraan gevormd. Dat is het omgekeerde proces van exocytose: de endocytose. En ze worden opnieuw gevuld met neurotransmitters. Jahn: “Voordat de blaasjes klaar zijn voor hergebruik duurt wel een seconde of dertig tot veertig. Een langzaam proces dus. Niet alle blaasjes worden trouwens tegelijk gebruikt voor de chemische communicatie tussen neuronen.”
Het ontwikkelen van een volledig mechanistisch en kwantitatief moleculair model voor het exocytoseproces is het grote doel voor Jahn. “Het is moeilijk te zeggen wat de grootste onbekende hierin is. Het ontbreekt ons vooral aan kwantitatieve informatie. Hoeveel molecuulcomplexen zijn er nodig? Hoe beïnvloedt hun aantal het praten van neuronen met elkaar? Hoe zijn ze georganiseerd? Wat de snare’s doen, begrijpen we inmiddels vrij goed, maar niet hoe het volledige proces wordt gereguleerd.”
Meettechnieken
Gelukkig komen er steeds betere analytisch-chemische technieken om die exocytose zo precies mogelijk in plaats en tijd te meten, meestal in diercellen als modelsystemen.
Jahn: “Exocytose is een van de snelste processen in de cel, en dus hebben we snelle meettechnieken nodig. Met koolstof micro-elektroden van vijf micrometer diameter kunnen we het loslaten van de neurotransmitters tijdens de exocytose meten aan een enkele cel. We plaatsen de elektrode dichtbij het celmembraan van de synaps. In feite meten we de oxidatie of reductie van de vrijgekomen transmitter aan het oppervlak van de koolstofelektrode. Fuseert een synaptisch blaasje met het membraan, dan komen de neurotransmitters vrij en meten we een oxidatiestroompje in de elektrode. De methode is heel gevoelig voor de hoeveelheid neurotransmitter en kan het proces in fracties van een milliseconde volgen. Maar de methode werkt alleen bij die klasse van neurotransmitters die gemakkelijk geoxideerd kunnen worden.”
Een andere manier om exocytose te bestuderen is het aanbrengen van fluorescerende kleurstof in de synaptische blaasjes. “Binnenin het blaasje heerst normaal een zure omgeving”, vertelt Jahn. “Maar bij exocytose wordt de inhoud snel geneutraliseerd. Als dat gebeurt, begint de aangebrachte kleurstof te fluoresceren. Met een speciale microscooptechniek kunnen we dat proces volgen. Tot nu toe is het probleem dat we geen individuele blaasjes kunnen zien. We werken er echter hard aan om met een nieuwe microscooptechniek wel één afzonderlijk blaasje te kunnen bekijken.”
Jahn’s onderzoeksgroep gebruikt verder ook kunstmatig gemaakte synaptische blaasjes. “Om te bewijzen dat een bepaald eiwit een bepaalde taak doet, moet je het geïsoleerd bestuderen. We stoppen eiwitten in kunstmatige membranen en proberen de exocytose te reconstrueren door kunstmatige blaasjes met een kunstmatig membraan te laten fuseren. Willen ze inderdaad met elkaar fuseren, en zo ja, hoe gebeurt dat? Welke eiwitten helpen bij de fusie? Ook de membranen zelf bestuderen we in isolatie. Alles volgens de reductionistische aanpak: bestudeer een eenvoudig subsysteem en relateer dat aan een biologische functie in het grotere geheel.” En dat moet met een interdisciplinair team van biologen, chemici en fysici gebeuren, benadrukt de neurobioloog. “Zo doen we dat in mijn onderzoeksgroep ook.”
Nieuwe medicijnen
Het begrijpen van de chemische communicatie tussen neuronen, is één doel. Het met medicijnen ingrijpen in dit proces is een ander doel: controle krijgen over het proces van exocytose. “Hoe krijgen we controle over exocytose? is een van de grote openliggende vragen”, zegt Jahn. “Als we eerlijk zijn, moeten we zeggen dat de huidige medicijnen in de neurologie en psychiatrie dicht aanliggen tegen voodoowetenschap. We begrijpen gewoon niet hoe ze werken.” Antidepressiva, bijvoorbeeld, werken maar bij zo’n vijftig tot zestig procent van de patiënten. Bij een boel mensen werken ze dus niet. En een placebomedicijn werkt ook al bij 35 procent.
De meeste geneesmiddelen zijn gericht op de receptoren van het ontvangende neuron, dus op de postsynaptische kant. “Maar recentere middelen zoals prozac”, zegt Jahn, “werken op de presynaptische kant, dus aan het uiteinde van het zendende neuron, precies waar de exocytose plaatsvindt. Niemand begrijpt waarom prozac als antidepressivum werkt en waarom een hoge concentratie van de neurotransmitter serotonine mensen blijer maakt. Het geneesmiddelenonderzoek dat zich richt op de presynaptische kant bevindt zich nog in de kinderschoenen, maar zal de komende tien jaar flink groeien. Wat daar zal uitkomen, kan ik absoluut niet voorspellen.”
Ook bij niet-psychiatrische hersenaandoeningen zoals herseninfarcten, zijn nieuwe medicijnen die ingrijpen op de chemische communicatie een noodzaak. Jahn: “Bij een herseninfarct krijgen bepaalde hersencellen te weinig zuurstof. Op dat moment laten ze in heel korte tijd een zeer hoge concentratie van neurotransmitters los. Een tot twee weken later beginnen ze af te sterven. Misschien heeft het een met het ander te maken. Op een of andere manier willen we in dat proces ingrijpen om het afsterven te voorkomen. Dat is van immens belang.”
Anderhalf pond denkvlees
De chemische signaaloverdracht tussen twee neuronen mag dan wel de elementaire bouwsteen in de hersenen zijn, uiteindelijk gaat het toch om hoe alle honderd miljard hersencellen met elkaar samenwerken. De grote uitdaging voor de 21e eeuw is daarom om van het niveau van de enkele hersencel weer terug te gaan naar de complete hersenen met al hun prachtige vermogens, maar ook met hun nukken en grillen. Hoe ontstaat het bewustzijn? Hoe ontstaan geheugen, waarneming, taal en emotie? Hoe kunnen de hersenen leren?
Hoe de antwoorden op deze vragen ook precies uitvallen, één ding is al duidelijk: het begrip ‘ziel’ of ‘geest’ – een of andere niet-materiële entiteit die los staat van de hersenen – is overbodig geworden. We mogen dan nog lang niet alles weten over het functioneren van de hersenen, meer dan een kleine anderhalf pond denkvlees is er niet. Dat is een belangrijke – hoewel nogal geruisloos verlopen – revolutie die het moderne hersenonderzoek teweeg heeft gebracht.
Daarmee is het de derde wetenschappelijke revolutie die de mens noopt tot grote bescheidenheid, of we dat nou leuk vinden of niet. Copernicus heeft de mensheid laten zien dat de aarde niet het centrum van het universum is. Darwin haalde de veronderstelde unieke positie van de mens onderuit door hem te plaatsen in een lange evolutionaire reeks van levende organismen, waarvan de aap de meest recente voorvader is. Het hersenonderzoek laat zien dat wat wij zo lang gekoesterd hebben als ‘geest’ of ‘ziel’, niet meer is dan een illusie. En bewustzijn is niets anders dan wat alle met elkaar communicerende hersencellen samen produceren. Maar dat doet niets af aan wat mensen zelf denken en voelen. De zon zien opkomen in de bergen, blijft even mooi als het altijd is geweest, ook als we precies begrijpen hoe hersencellen met elkaar praten.
[Kader:]
Het geheugenmolecuul
Dat je met diermodellen kunt begrijpen hoe menselijk leren werkt, daar geloofden biologen en psychologen in de jaren vijftig en zestig niets van. Menselijk leren, dat was uniek voor mensen. Neurobioloog Eric Kandel had een heel andere opvatting. Op evolutionaire gronden was hij er van overtuigd dat er aspecten van het menselijk leervermogen moesten zijn die op moleculair en cellulair niveau identiek zijn bij lagere diersoorten. De mens is immers geëvolueerd uit veel eenvoudiger organismen.
Kandel koos uiteindelijk voor de zeeslak als eenvoudig diermodel. Het beestje heeft slechts twintigduizend neuronen, tegenover honderd miljard bij de mens. Dat maakt het onderzoek een stuk makkelijker. Hij bestudeerde vervolgens hoe eenvoudige kieuwreflexen van de zeeslak konden veranderen door verschillende, primitieve vormen van leren, onder andere via de klassieke truc van de conditionering. Zo ontdekte hij dat tijdens het leren de synaptische verbinding tussen zenuwcellen werd versterkt. Hoe meer oefening, hoe sterker de verbinding wordt, dat wil zeggen: hoe gemakkelijker de elektrochemische communicatie verloopt. Kandel slaagde er zo als een van de eersten in om een moleculair model voor een eenvoudig geheugen op te stellen.
Via experimenten aan slechts twee neuronen uit de zeeslak ontdekte hij nog veel meer, met in theorie verregaande consequenties. Wanneer hij één enkel molecuul, creb genaamd, blokkeerde, konden de twee neuronen niet meer met elkaar communiceren. creb bleek genen aan te zetten die nodig zijn voor het produceren van eiwitten, die op hun beurt een blijvende verbinding tussen neuronen tot stand brengen. Precies wat nodig is voor een langetermijngeheugen! Zonder creb bleek er geen langetermijngeheugen mogelijk. creb als geheugenmolecuul. Dat was een revolutionaire ontdekking, waarvoor hij in 2000 samen met twee collega’s de Nobelprijs voor geneeskunde kreeg.
Daarna ontdekte Kandel een ander molecuul dat de werking van creb juist onderdrukt. Toegediend aan muizen, bleken deze net geleerde taken bijna gelijk weer te vergeten. Een vergeetmolecuul, kortom.
Kandel realiseerde zich welke mogelijkheden geheugen- en vergeetmoleculen bij mensen kunnen hebben, en begon samen met enkele anderen het bedrijf Memory Pharmaceuticals. Dat bedrijf legt zich toe op het ontwikkelen van een geheugenpil. De geheugenpil zou de vorming van creb moeten bevorderen en zo een uitkomst zijn voor mensen die kampen met geheugenverlies. Uiteraard zitten aan dit soort toepassingen wel nog allerlei ethische haken en ogen.
Subscribe to:
Posts (Atom)