Zelf huilen als je op tv iemand ziet huilen. Zelf pijn voelen als je ziet dat een ander pijn lijdt. Dat we ons zo goed kunnen verplaatsen in een ander is een belangrijke eigenschap om goed in een sociale omgeving te functioneren. Spiegelneuronen zijn hiervoor essentieel. Nu blijkt dat precies het systeem van spiegelneuronen bij autisten niet goed functioneert.
Dit artikel is oorspronkelijk verschenen in Natuurwetenschap & Techniek, oktober 2005
Begin 2005 toonde een Amerikaans onderzoeksteam onder leiding van V.S. Ramachandran aan dat het systeem van spiegelneuronen bij autisten veel slechter werkt dan het zou moeten doen. De spiegelneuronen bij tien onderzochte autistische kinderen vuurden alleen bij een beweging die ze zelf uitvoerden, en niet wanneer ze keken als een ander dezelfde beweging maakte, zo bleek uit EEG-registraties van hun hersenactiviteit (Journal of Cognitive Brain Research, online 9 maart 2005). Bij ‘gewone’ mensen is dat wel het geval, zoals nogmaals bleek bij tien onderzochte controlekinderen.
Spiegelneuronen zijn een curieuze soort. Ze vuren niet alleen wanneer je zelf een handeling uitvoert, maar ook als je alleen ziet dat een ander een handeling uitvoert waarmee je vertrouwd bent. Het waarnemen van een bekende handeling houdt je als het ware een spiegel voor, vandaar de naam ‘spiegelneuronen’: zien is voor deze specifieke neuronen hetzelfde als doen.
De uitkomst van het autistenexperiment verklaart volgens Ramachandran ten dele waarom autisten zich niet of nauwelijks in een ander kunnen verplaatsen. Ze versterkt de hypothese dat het neurale systeem van spiegelneuronen een belangrijke rol speelt bij hogere cognitieve functies als het imiteren van anderen, het leren van het gedrag van anderen, het begrijpen van de bedoeling van een ander en het inleven in een ander (empathie).
“Vroeger hadden we alleen vage correlaties tussen de symptomen van autisme en afwijkingen in de hersenen. Ons onderzoek laat juist zien dat een concreet neuraal systeem van niet goed werkende spiegelneuronen precies past bij wat we bij autisten observeren: een gebrekkige sociale interactie en gebrekkige communicatie”, zegt Ramachandran aan de telefoon vanuit zijn woon- en werkplaats San Diego. Zijn groep is de eerste die experimenteel aantoont dat het systeem van spiegelneuronen bij autisten niet naar behoren functioneert.
Nog in de jaren zestig werden psychiaters opgeleid met de opvatting dat autisme het gevolg is van de ‘ijskastmoeder’, de moeder die te weinig liefde en warmte aan haar kind geeft. Al ruim een decennium staat absoluut vast dat het daar niets mee te maken heeft. Autisme is volledig biologisch bepaald en komt voor bij één op de tweeduizend kinderen. En slecht functionerende spiegelneuronen spelen er een rol bij, zo weten we sinds dit jaar. Wat de achterliggende oorzaak is van het slecht werkende systeem van spiegelneuronen, is trouwens niet duidelijk. Momenteel houden wetenschappers een combinatie van genetische aanleg, en blootstelling aan virussen en giftige stoffen verantwoordelijk voor het ontstaan van autisme.
Spiegelneuronen voor pijn
Vilayanur Ramachandran, geboren in India, is directeur van het Center for Brain and Cognition en hoogleraar psychologie en neurowetenschappen aan de universiteit van Californië in San Diego. In 1999 ontving hij de Ariëns Kappers-prijs van de Koninklijke Nederlandse Academie van Wetenschappen voor zijn baanbrekende bijdragen in de neurowetenschappen. Hij baarde onder andere opzien met zijn behandeling van fantoompijn. Hij bouwde een spiegelconstructie waarmee de geamputeerde een arm zag aan de kant van de amputatie: de gespiegelde, gezonde arm leek voor de ogen en voor de hersenen als het ware aan het achtergebleven stompje te zitten. Door deze visuele illusie verdween de fantoompijn tijdens het experiment! “De eerste geamputeerde fantoomarm”, grapt Ramachandran. Het Amerikaanse weekblad Newsweek koos hem als een van de honderd meest prominente mensen om in de 21e eeuw in de gaten te houden.
“De symptomen die uniek zijn voor autisme, zijn precies de veronderstelde eigenschappen van het systeem van spiegelneuronen”, zegt Ramachandran. “Natuurlijk. Het blijft een correlatie, maar wel een sterke.” Hij doelt op het indirecte verband tussen het gemeten EEG-signaal en actieve spiegelneuronen. De onderzoekers bestuderen één specifieke component van het EEG-signaal, de zogeheten mu-golf. Uit eerdere experimenten was al gebleken dat die correleert met de activiteit van spiegelneuronen. Ramachandran: “In het EEG-spectrum van gewone mensen wordt de mu-golf onderdrukt als de spiegelneuronen aan het werk zijn. Wij vonden duidelijk dat de mu-golf bij autisten niet is onderdrukt. Een sterke correlatie is het beste wat je in de wetenschap kunt bieden. Absolute zekerheid bestaat in de wetenschap niet.”
Spiegelneuronen werden begin jaren negentig voor het eerst – en als een specifiek soort motorneuronen – bij makaken ontdekt door een groep van Italiaanse wetenschappers onder leiding van Giacomo Rizzolatti. Het was zo’n typisch toevallige ontdekking. De onderzoekers waren met een bepaald visueel experiment bezig toen ze tot hun verbazing zagen dat er neuronen in het makakenbrein gingen vuren toen een experimentator toevallig een banaan uit een fruitmand pakte. De aap deed niets. Hij keek alleen toe.
Een bijzondere ontdekking, want het bestaan van spiegelneuronen lag totaal niet voor de hand. Niemand had zo’n concept van te voren bedacht. “Het belangrijkste nauwelijks vertelde verhaal uit het hersenonderzoek van de afgelopen tien jaar”, noemt Ramachandran het.
Spiegelneuronen zitten vooral in de pre-motorcortex, een gebiedje nodig voor het plannen en voorbereiden van bewegingen. Toch komen ze ook op andere plekken in de hersenen voor. Zo vuren bepaalde groepen neuronen in de frontaalkwab wanneer iemand je met een naald prikt, maar ook als je zelf ziet dat iemand anders wordt geprikt met een naald. “Dat zijn een soort spiegelneuronen voor pijn”, zegt de Amerikaans-Indiase hoogleraar. “Het idee is dat dit de link vormt met een andere hogere cognitieve functie, namelijk empathie. Hoewel spiegelneuronen dus werden ontdekt in de context van het waarnemen van beweging, blijken ze inmiddels ook essentieel te zijn voor hogere cognitieve functies. Daarom zijn ze zo cruciaal in wat ons tot mens maakt.”
Bedoelingen begrijpen
Dezelfde Italiaanse onderzoekers die spiegelneuronen voor het eerst ontdekten, vonden dit jaar (Science, 29 april) dat de spiegelneuronen apen zelfs in staat stellen om de bedoeling van een waargenomen beweging te doorgronden. Bewegingen die ze in zekere zin wel al kennen. “Dit experiment laat zien dat spiegelneuronen een rol spelen bij het toekennen van intenties aan anderen”, aldus Ramachandran. “Ook dat is iets waar autisten slecht in zijn. De uitkomst past bij onze hypothese over de slecht werkende spiegelneuronen bij autisten.”
Met micro-elektroden registreerden de Italianen het vuren van 41 individuele ‘spiegelneuronen’ in de pariëtaalkwab van makaken, een kwab die over de bovenkant van het hoofd loopt. De apen keken in het experiment naar een experimentator die ofwel een stukje eten naar de mond bracht, ofwel het stukje eten in een op tafel staand bakje plaatste. 23 neuronen vuurden specifiek bij het naar de mond brengen, acht neuronen vuurden alleen bij het in een bakje plaatsen, en bij tien neuronen hing het vuren niet af van het doel van de handeling. De spiegelneuronen vuurden veel minder wanneer de aap het eten in een bakje vlak naast de mond moest stoppen, een controle-experiment. Het gaat dus echt om de bedoeling van de handeling (het in de mond stoppen) en niet alleen om de beweging van het richting de mond brengen.
Dat ook de mens spiegelneuronen heeft, is met moderne beeldvormingstechnieken indirect aangetoond, uiteraard niet op de directe manier met geïmplanteerde elektroden. Dankzij het werk van Rizzolatti, Ramachandran en hun collega’s wordt het systeem van spiegelneuronen tegenwoordig gezien als een primitieve neurale versie van het je verplaatsen in een ander. Het zou ten dele verklaren waarom je kunt gaan huilen als je op tv iemand ziet huilen, of waarom je zo intens kunt meeleven met een spannende voetbalwedstrijd die je ziet. Door hun specifieke ‘zien-is-doen’-functie, zijn spiegelneuronen ook belangrijk bij het imiteren van gedrag.
Lerende spiegelneuronen
Meer en meer onderzoekers gingen zich het afgelopen decennium met spiegelneuronen bezighouden. Daniel Glaser, een cognitiewetenschapper van het University College London toonde vorig jaar voor het eerst aan dat je spiegelneuronen kunt trainen (Cerebral Cortex, december 2004). Hoe beter iemand bepaalde bewegingen zelf beheerst, hoe meer zijn spiegelneuronen vuren alleen al bij het kijken naar die bewegingen. Glaser selecteerde een groep balletdansers van het London Royal Ballet, een groep experts in capoeira – een Braziliaanse combinatie van muziek, dans, acrobatiek en gevecht – en een controlegroep van mensen die geen van beide bewegingskunsten beheersten.
Gelegen in een fMRI-scanner keken de proefpersonen naar videobeelden van ballet en capoeira. De scanner registreerde waar in hun hoofd de activiteit plaatsvond. Bij proefpersonen die een bepaalde ballet- of capoeirabeweging zelf konden uitvoeren, vuurden de spiegelneuronen in de premotorcortex meer dan wanneer de proefpersonen de beweging zelf nooit hadden uitgevoerd. Spiegelneuronen bij de controlegroep vuurden even zwak bij balletbewegingen als bij capoeirabewegingen, en in beide gevallen veel minder dan bij de experts. Het lijkt er dus op dat hersenen die goed getraind zijn in het uitvoeren van specifieke bewegingen al extra worden getraind bij het kijken naar de bekende beweging, niet alleen bij het zelf uitvoeren. Je eigen, neuraal verankerde bewegingspatroon beïnvloedt hoe je bewegingen van anderen waarneemt.
Vroege diagnose
Als je spiegelneuronen kunt trainen, kan Ramachandran dat effect dan niet gebruiken voor een therapie bij autisten? Hij heeft een paar ideeën om dat te onderzoeken. Bij de beter functionerende autisten gaat hij kijken of zij via biofeedback kunnen leren om zelf actief de mu-golf te onderdrukken. Dat idee is gebaseerd op het feit dat proefpersonen alleen door te denken aan de beweging die bij het computerspel ‘Pong’ nodig is, na vier tot zes uur trainen via hun eigen geregistreerde mu-golf het computerspel kunnen spelen. Bij ‘Pong’ moet de speler een balletje tegen de wand terugslaan, een klassiek, zeer eenvoudig computerspel.
Ramachandran is een liefhebber van slimme, eenvoudige experimenten. Zijn spiegelexperiment om fantoompijn te behandelen is daarvan een voorbeeld. “Studenten zeggen wel eens dat ze in deze tijd geen grote ontdekkingen meer kunnen doen zonder dure apparaten en gedetailleerde kwantitatieve methoden. Onzin!” schrijft hij in Phantoms in the brain. “Iemand die open staat voor nieuwe ideeën kan ook zonder de meest geavanceerde apparatuur grote doorbraken ontdekken in de geneeskunde.” Hij ziet zichzelf graag als een soort lowtech neurodetective in een meer en meer hightech wordende geneeskunde.
Telefonisch spreekt hij over één van die verbluffend eenvoudige experimenten: “Ik vermoed ook dat autistische baby’s niet hun tong uitsteken als vader of moeder de tong naar de baby uitsteekt. Gewone baby’s kunnen dat wel doen. En daar zijn de spiegelneuronen voor nodig. Is het niet kunnen uitsteken van de tong misschien een diagnostisch instrument om te voorspellen of het kind inderdaad autisme ontwikkelt?” Voor zover Ramachandran weet heeft niemand die bedrieglijk simpele vraag ooit eerder onderzocht. Zeker bij de beter functionerende autisten is de diagnose niet al meteen vanaf de geboorte duidelijk, meestal pas tussen het derde en vierde levensjaar.
En hij heeft nog een andere aanpak in gedachten om uit te zoeken of hij een test voor vroegtijdige diagnose kan ontwikkelen. “Wij gaan nu onderzoeken of die mu-golf wel of niet is onderdrukt bij hele jonge tweelingen die genetisch een hoge kans hebben op autisme”, zegt Ramachandran. “Als blijkt dat de mu-golf een voorspellende waarde voor autisme heeft, dan hebben we een diagnostisch instrument gevonden. Hoe eerder de diagnose bekend is, hoe beter.”
Naar de sterren reiken
Spiegelneuronen zijn betrokken bij beweging, inlevingsvermogen, begrijpen van bedoelingen en empathie. Daar houdt het waarschijnlijk nog niet op.
Ramachandran vermoedt dat spiegelneuronen ook belangrijk zijn bij het begrijpen van metaforen. “Een aap kan een nootje pakken, en dan vuren de spiegelneuronen. Ook bij een aap die een andere aap een nootje ziet pakken, vuren de spiegelneuronen. Hij begrijpt wat er gebeurt. Maar alleen de mens kan naar de sterren reiken. Letterlijk, maar toch vooral ook figuurlijk. Alleen de mens kan begrijpen wat die uitdrukking betekent. Ik denk dat de abstracte functie van het begrijpen van een metafoor ook te maken heeft met het systeem van spiegelneuronen.”
Is er dan iets concreets wat daar op wijst? Ja, meent Ramachandran. “Geef een autist twintig metaforen. Negentien ervan begrijpt hij niet. Zelfs de beter functionerende autisten. Neem de uitdrukking ‘hou jezelf in de hand’. Een autistisch kind pakt dan zichzelf beet. Het neemt de uitdrukking letterlijk. En wij hebben nu net laten zien dat de spiegelneuronen bij autisten niet goed functioneren.”
Met zijn medewerkers is hij al druk bezig met experimenten op het gebied van het begrijpen van metaforen bij autisten. “Het is nog niet gepubliceerd, maar het lijkt erop dat we ook het probleem van het niet begrijpen van metaforen kunnen koppelen aan spiegelneuronen”, zegt hij. “Zelfs bij de beter functionerende autisten. Bij de slecht functionerende autisten zullen die effecten nog veel sterker zijn, maar deze categorie is juist moeilijk te onderzoeken omdat ze maar moeilijk stil blijven zitten. Lastig als je ze met een EEG of MEG wilt onderzoeken.”
Grip op glibberige vragen
Hij heeft ze niet zelf ontdekt, de spiegelneuronen. Maar Ramachandran springt wel voor ze op de bres. “Hoe ontstaat vooruitgang in de wetenschap?” klinkt het retorisch aan de andere kant van de lijn. “Meestal vind je precieze antwoorden op saaie, ja bijna triviale vragen”, gaat hij verder. “Of je krijgt vage antwoorden op grote vragen. Zoals de vragen over het ontstaan van cultuur en het verklaren van het bewustzijn. Maar soms, heel soms, vind je precieze antwoorden op grote vragen. Dan heb je in de roos geschoten.”
Hij spreekt opgewonden. “De ontdekking van DNA was zo’n voorbeeld. Het bood een precies antwoord op grote vragen als het ontstaan van erfelijkheid en de productie van enzymen. Alle vragen van de biologie hebben er mee te maken. Ik denk dat spiegelneuronen dezelfde belofte in zich dragen voor enkele hoger cognitieve functies. Precieze antwoorden op vage vragen. Hoe ontstaat empathie? Hoe kunnen we begrijpen wat er zich in het hoofd van een ander afspeelt? Hoe ontstaat imitatiegedrag? Hoe begrijpen we een metafoor? Tot de ontdekking van spiegelneuronen waren dat allemaal duistere vragen. Natuurlijk, we hebben nog lang geen volledige antwoorden op die vragen, maar spiegelneuronen geven ons wel de experimentele handvaten waarmee we meer en meer grip krijgen op die glibberige vragen.”
Informatie:
http://psy.ucsd.edu/chip/ramabio.html Thuispagina van Vilayanur Ramachandran
www.bbc.co.uk/radio4/reith2003/ Ramachandrans Reith Lectures, gehouden in 2003 voor de BBC. Ook in boekvorm uitgegeven: The emerging mind, Profile Books, 2003, ISBN 1861973039
www.pbs.org/wgbh/nova/sciencenow/3204/01.html Een aardig filmpje over de rol van spiegelneuronen, met Glaser, Rizzolatti en Ramachandran aan het woord.
Phantoms in the brain – Probing the mysteries of the human mind. V.S. Ramachandran en Sandra Blakeslee. Perennial, 1999
