Het verhaal van een studie van de geest

Rebecca Saxe wil weten hoe onze hersenen leren sociaal te zijn.

Om precies te zijn, Saxe, universitair hoofddocent cognitieve neurowetenschappen aan de afdeling Brain and Cognitive Sciences van MIT, heeft haar carrière opgebouwd door te proberen te begrijpen hoe we oordelen over de gedachten van andere mensen, een faculteit die Theory of Mind (ToM) wordt genoemd.

Onze hersenen voeren ToM-cognitie uit om te ontcijferen wat er achter een glimlach, een grimas, een hapering in iemands stem zit. Zoals Saxe schrijft, is ToM het mechanisme dat mensen gebruiken om de gemoedstoestand van een ander af te leiden en te redeneren. Om ToM te volgen, moest ze de kunst van functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI) beheersen. fMRI-scanners zijn omslachtig en lastig om goed te gebruiken, en hun resultaten zijn moeilijk te interpreteren. Maar Saxe is een virtuoos van de machine geworden, te beginnen toen ze als postdoc begon te worstelen met een probleem waarvan ze zegt dat het haar nog steeds verbaast.

Al vroeg in de ontwikkeling, legt ze uit, lijken menselijke hersenen een verzameling neuronen te zijn die erg lijkt op die van veel andere wezens. Maar dan krijgen we vermogens die geen parallellen hebben in het dierenrijk. Hoe? Wat gebeurt er in rijpende hersenen om het leven van de geest te creëren dat ons als mensen onderscheidt?

Dat is een grote vraag, het werk van je leven. Maar een nauwkeurige blik op slechts een van Saxe's experimenten, laat zien wat er nodig is om betekenis uit de metingen te destilleren - en biedt een kijkje in het beroepsleven van een wetenschapper aan de top van haar kunnen.

Saxe, een 33-jarige Canadees, worstelt al sinds de jaren negentig met hersens, beginnend als student aan Oxford. Ze begon zich te concentreren op het concept van ToM in de graduate school aan het MIT, werkend in het laboratorium van Nancy Kanwisher '80, PhD '86, waar ze de hersensystemen identificeerde die worden geactiveerd wanneer iemand denkt aan de gemoedstoestand van iemand anders. Cognitief neurowetenschapper Jon Simons van de Universiteit van Cambridge, die gespecialiseerd is in de studie van het geheugen, zegt dat Saxe doordachte experimenten heeft ontworpen die interessante en betrouwbare gegevens hebben opgeleverd. Het is verleidelijk om te denken dat grote wetenschap deze grote doorbraken zijn, zegt hij. [Maar] dit is de manier waarop goede wetenschap wordt gedaan. Het doet rigoureuze onderzoeken tot in de kleinste details die blijvende resultaten opleveren.

Saxe zette een belangrijke stap in 2005, toen ze zich begon af te vragen of ze kinderen vanaf vijf jaar zou kunnen bestuderen om te zien hoe het ToM-systeem zich in de loop van de tijd ontwikkelt. De wegversperring? In die tijd probeerden maar heel weinig onderzoekers ter wereld kinderen in een fMRI-machine te stoppen, waarbij mensen 40 minuten of langer stil moeten zitten. Maar een van die onderzoekers was Kevin Pelphrey, destijds aan de Duke University. Saxe schreef hem in oktober 2005 - blind, zegt ze - en stelde een experiment voor dat de hersenen van kinderen zou scannen terwijl ze verhalen verwerkten waarin de gedachten van mensen centraal stonden. Ik vertelde hem dat ik het experiment zou schrijven en dat jij de scans bij Duke kunt doen, herinnert ze zich. Pelphrey, die Saxe beschouwt als een van de meest genereuze medewerkers, zei zeker, kom maar langs, maar tegen februari. Dus Saxe had slechts enkele weken om haar idee te ontkiemen en om te zetten in een werkbaar protocol.

Ik en mijn vriend zaten aan de keukentafel, zegt ze, en ik schreef kleine verhaaltjes met de gedachten van mensen erin. Ze bedacht een tiental verhalen en voegde daar tekeningen aan toe. Onderwerpen zouden worden blootgesteld aan drie segmenten per verhaal gedurende 20 seconden elk: een beschrijving van een fysieke setting, met een handgetekende afbeelding om dit te illustreren; een beschrijving van menselijke karakters; en een mentaal segment dat informatie bood over wat er in hun hoofd omging. Om ervoor te zorgen dat de resultaten niet zouden worden beïnvloed door de reactie van een proefpersoon op de volgorde van de segmenten, zou elk kind in het onderzoek dezelfde verhalen horen, maar met de segmenten in verschillende volgorden. Nadat ze naar elk verhaal hadden geluisterd, kregen de kinderen een ja-of-nee-vraag waarbij ze moesten afleiden wat de hoofdpersoon vervolgens zou kunnen doen. Daarna, na een korte pauze, begon een ander verhaal, enzovoort, totdat de proefpersoon het volledige protocol van 12 afzonderlijke verhalen had doorlopen, in scansessies die ongeveer 40 minuten duurden.

Dagen nadat ze het experimentele ontwerp had voltooid, ging Saxe naar Duke. De eerste proefpersoon, een meisje van ongeveer 10 jaar oud, arriveerde halverwege de ochtend en het team zette haar in de scanner. In de controlekamer kon Saxe de twee kleine voetjes van het kind uit de mond van de machine zien steken. Toen de scanner zijn gebruikelijke brom en klik-klik-klik begon te laten klinken, was Saxe nerveus. Ze was zich er terdege van bewust dat elk nieuw experiment meerdere paden naar mislukking heeft, maar ze wist dat ze ook een fundamenteler risico liep. Sommige onderzoeken hadden gesuggereerd dat kinderen jonger dan vijf al ToM-inferenties kunnen maken. Er was dus een goede kans dat zij en haar medewerkers helemaal niets zouden vinden - de ToM-regio's bij deze kinderen zouden er net zo uit kunnen zien als die bij oudere mensen.

Het ergste was dat Saxe tijdens haar eerste scan niet kon controleren of ze iets interessants zou vinden. Hoewel fMRI-technologie in de volksmond wordt voorgesteld (of gevreesd) als een soort sonde die je kunt gebruiken om eenvoudig de inhoud van de gedachten van mensen te lezen, is de realiteit veel minder dramatisch en veel veeleisender van de onderzoeker.

Sommige problemen zijn puur technisch. fMRI-machines meten de hersenactiviteit alleen indirect. Wanneer neuronen vuren, zuigen ze zuurstof op om zich voor te bereiden om opnieuw te vuren. Dat roept een vraag op naar meer zuurstof - geleverd door bloed. Wanneer een deel van de hersenen om meer brandstof vraagt, verschuift de lokale verhouding van zuurstofrijk tot zuurstofarm bloed met een fractie. Zuurstofrijk bloed heeft andere magnetische eigenschappen dan de zuurstofarme versie, en fMRI-machines meten de resulterende kleine veranderingen in lokale magnetische velden.

Maar dat is geen sinecure. De hersenen verschuiven bij elke ademhaling en hartslag een beetje in de schedel, en mensen - vooral kinderen! - liggen geen uur lang stil. We hebben een wiebelende, pulserende, wiebelende machine die om vele redenen enorme hoeveelheden zuurstof verbruikt, en daarnaast proberen we een klein signaal te meten, zegt Saxe. Dan is er het timingprobleem: neurale activering duurt fracties van een seconde, maar veranderingen in het zuurstofgehalte in het bloed treden op gedurende zes seconden of meer - en de niveaus keren niet altijd terug naar hetzelfde basisgetal, wat de puinhoop nog groter maakt. Daarom, zegt Saxe, doen we aan bewegingscorrectie. We doen ruimtelijke afvlakking om een ​​deel van de ruis weg te werken. We filteren tijdelijk alles wat meer dan 10 minuten of langer duurt - de tijdschaal waarop artefacten zoals het opwarmen van de scanner in de gegevens zouden verschijnen. Het kost uren analyse om een ​​signaal te lokaliseren - allemaal om erachter te komen wat een meting zou kunnen betekenen.

Tegen het einde van de ochtend voltooide het eerste kind haar reeks verhalen, en toen herhaalde het team de reeks met het tweede en laatste onderwerp van de dag, een negenjarige jongen. Toen hij uit de scanner klom, maakte het grootste deel van de groep plannen om uit eten te gaan.

Saxe bleef achter. Nu begon de stoop-arbeidsfase van het experiment: het transformeren van de ruwe cijfers van de scan in een vorm die kon worden geanalyseerd. Uren verstreken. Saxe's collega's aten en kwamen terug. Ze bleef achter de computer. Tegen de late avond had ze de first-pass-verwerking voltooid. Bewegingsartefacten - verdwenen; machinegeluid - onder controle; frame na frame matchte prompt met neurale actie.

Wat ze zag, liet Saxe uitademen: ze had gegevens. Het team had aangetoond dat het mogelijk is om bruikbare bevindingen te krijgen van kinderen waarvan de meeste onderzoekers vonden dat ze te onhandig waren om te visualiseren. Belangrijker was dat Saxe en Pelphrey iets nieuws ontdekten toen ze scans verzamelden van proefpersonen vanaf zes jaar. De oudere kinderen leken veel op volwassenen, zegt Saxe. Hun ToM-regio's lichtten op toen ze een segment hoorden dat hen dwong na te denken over wat iemand anders dacht, maar niet tijdens de delen van de verhalen die alleen beschreven dat iemand iets deed. Maar de scans van de kleine kinderen waren anders. Hun hersengebieden reageerden op alles over mensen - niet alleen anekdotes over de mentale toestanden van mensen, maar alles waar mensen aanwezig waren.

Er zijn verschillende manieren om dat resultaat te verklaren, maar Saxe geeft de voorkeur aan wat ze een gek idee noemt: dat de hersenen beginnen met een algemeen vermogen om na te denken over sociale interactie, en zich vervolgens specialiseren. Haar team begon te ontdekken dat naarmate we ouder worden, onze hersenregio's sommige banen laten vallen om expert te worden in andere.

Deze claim is nog steeds voorlopig, maar later werk in Saxe's lab en elders heeft het versterkt. Nu, zegt Saxe, denken we dat we een ontwikkelingspatroon hebben. Nu willen we weten hoe en waarom deze ontwikkeling gebeurt en wat het kan veranderen. Om daar achter te komen, voert haar lab studies uit op verschillende paden naar ToM-specialisatie. De ene kijkt naar kinderen in het autismespectrum; een ander onderzoekt blinde kinderen, die de gedachten van anderen aangaan door te horen in plaats van te zien; en een derde doet onderzoek naar dove kinderen, van wie sommigen relatief laat in aanraking komen met taal als hun ouders niet weten hoe ze moeten tekenen. Geen enkele heeft nog definitieve resultaten opgeleverd.

Saxe is niet langer een footloose postdoc. Ze leidt nu een lab en is nog steeds niet gewend aan alles wat nodig is om op steeds grotere schaal wetenschap te bedrijven. Bij slechts één van de nieuwe onderzoeken zijn meer dan een dozijn onderzoekers betrokken, zegt ze. Er is een toon van verwondering - ongeloof eigenlijk - terwijl ze eraan toevoegt: vroeger was ik het gewoon die op mijn tafel tekende. Nu hebben we één persoon op 100 procent tijd nodig om dat project te volgen.

Maar terwijl ze dat zegt, grijnst ze. Zij en haar collega's publiceerden de resultaten van de Duke-studie in 2009, maar er is iets dat niet op de pagina is tegengekomen - een aspect van de wetenschap dat niet kan worden vastgelegd in een gevoelloze telling van de gegevens. Die nacht in North Carolina, dat eerste moment dat het werkte? ze zegt. Dat was spannend.

Een voorbeeldverhaal uit het ToM-experiment voor kinderen

Fysiek segment:
Achter de grote rode schuur aan de rand van het walnotenbos ligt de mooiste vijver in de buurt. Het is breed en diep en wordt overschaduwd door een oude eik. Er is van alles in die vijver: vissen en oude schoenen en verloren speelgoed en driewielers, en vele andere verrassingen.

Personensegment:
De oude meneer McFeeglebee is een grijze, gerimpelde oude boer, die grijze gerimpelde oude overalls draagt, en grijze gerimpelde oude laarzen. Hij heeft zijn hele leven op dit land gewoond, zelfs langer dan de meeste bomen. Little Georgie is de neef van Mr. McFeeglebee uit de stad.

Mentaal gedeelte:
Meneer McFeeglebee wil niet dat kleine jongens in de vijver vissen. Maar kleine Georgie doet alsof ze het niet merkt. Hij houdt zo veel van vissen en bovendien weet hij dat hij sneller kan rennen dan wie dan ook in de stad. Georgie besluit heel snel weg te rennen als meneer McFeeglebee hem ziet vissen.

Ondervragen:
Wat denk je? Vist kleine Georgie in de vijver? [pauze] Goed bezig! Tijd voor het volgende verhaal!

zich verstoppen