Intelligentie verklaard

Een reeks zwart-witfoto's wordt over het scherm uitgespreid, waarbij elk een dun plakje van mijn hersenen vastlegt. De grijswaardenfoto's zullen iedereen die een hersenscan heeft gezien bekend voorkomen, maar deze afbeeldingen zijn anders. Andrew Frew, een neurowetenschapper aan de Universiteit van Californië, Los Angeles, gebruikt een cursor om een ​​vierkantje te selecteren. Dunne strengen zoals spaghetti verschijnen, die de duizenden neurale vezels vertegenwoordigen die er doorheen gaan. Een paar muisklikken met de cursor en Frew verfijnt het vezelkanaal dat op het scherm wordt afgebeeld, waarbij eerst mijn oogzenuw wordt gemarkeerd, dan de vezels die door een deel van de hersenen gaan dat cruciaal is voor taal, en dan de bundels motorische en sensorische zenuwen die naar beneden gaan naar de hersenstam.

Frew geeft me een rondleiding door mijn witte stof - het weefsel dat de neuronen of zenuwcellen verbindt die grijze stof vormen. Iets over de draaiende, draaiende neurale draden die informatie tussen de neuronen vervoeren - hun individuele dikte misschien, of hun overvloed, of de specifieke paden die ze nemen van het ene deel van de hersenen naar het andere - kan, althans gedeeltelijk, de variaties verklaren in menselijke intelligentie.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van november 2009

• Zie de rest van het probleem
• Abonneren

Wetenschappers zoeken al meer dan twee eeuwen naar de bron van intelligentie - het algemene cognitieve vermogen dat vaak wordt gekwantificeerd in de vorm van IQ. Met de komst van technologieën zoals magnetische resonantie beeldvorming (MRI), zijn onderzoekers die zich vooral op grijze stof concentreren in staat om de delen van de hersenen in kaart te brengen die een rol lijken te spelen. Maar dit heeft hen slechts tot nu toe gebracht, en de focus op grijze materie heeft niet het hele verhaal verteld. Pas de laatste paar jaar, toen nieuwe variaties van MRI hun intrede deden in de witte stof van de hersenen, begon een dieper begrip te ontstaan. Wetenschappers kunnen nu de focus verleggen van bepaalde hersengebieden naar de verbindingen tussen die gebieden, zegt Sherif Karama, een psychiater en neurowetenschapper aan het Montreal Neurological Institute van de McGill University. Hun eerste bevindingen hebben Karama en anderen ertoe gebracht te geloven dat neurale bedrading en de manier waarop informatie door de hersenen wordt vervoerd, van cruciaal belang kan zijn voor IQ.

Tot voor kort bestudeerden slechts een paar wetenschappers hoe de hersenstructuur gerelateerd zou kunnen zijn aan IQ, deels omdat het idee van een biologische en genetische basis voor intelligentie al lang controversieel is. Aangezien mensen uit verschillende etnische groepen vaak verschillend scoren op intelligentietests, kunnen dergelijke onderzoeken racisme oproepen en zijn critici bang voor mogelijk misbruik, zoals discriminatie in het onderwijs of op het werk. Desalniettemin hebben nieuwe beeldvormingstechnieken soorten onderzoek mogelijk gemaakt die voorheen nooit mogelijk waren, en het aantal onderzoeksgroepen dat zich op deze vraag richt, groeit snel. Veel van deze groepen richten hun pijlen op witte stof.

Multimedia

• Bekijk video's van het brein van biomedisch redacteur Emily Singer.

De hoop is dat het vinden van de hersengebieden en circuits die betrokken zijn bij intelligentie, nieuw inzicht zal verschaffen in neurologische en psychiatrische ziekten die cognitie belemmeren, zoals de ziekte van Alzheimer en schizofrenie. Als je cognitieve achteruitgang wilt begrijpen, moet je begrijpen hoe cognitie zich manifesteert en samenbrengt in de hersenen, zegt Rex Jung, een neurowetenschapper bij het Mind Research Network in Albuquerque, NM. Het onderzoek kan ook het begrip van leerstoornissen zoals dyslexie en ADHD verbeteren, wat misschien kan leiden tot betere behandelingen. Maar andere potentiële toepassingen kunnen controversiëler zijn. Sommige wetenschappers stellen zich een dag voor waarop hersenscans worden gebruikt om het IQ te schatten. Sandra F. Witelson, een neurowetenschapper aan de Michael G. DeGroote School of Medicine aan de McMaster University in Ontario, zegt: Het is geen wilde gok om te zeggen dat hersenscans ergens in de toekomst deel zullen uitmaken van een groep hulpmiddelen die proberen aangeven welk niveau iemands bekwaamheid zal zijn.

Grote Hersenen
Neurowetenschapper Paul Thompson is een van die onderzoekers die hersenstructuur en IQ bestudeert, maar dat was niet wat hij van plan was toen hij zijn laboratorium aan de UCLA begon: hij concentreerde zich op de golf van veranderingen in de hersenen die kenmerkend zijn voor de ziekte van Alzheimer en schizofrenie. Omdat beide ziekten gepaard gaan met ernstige cognitieve gebreken, testten Thompson en zijn medewerkers de cognitieve functie bij hun proefpersonen. Toen ze nauwkeuriger gingen zoeken naar variabelen die correleerden met de hersenstructuur, ontdekten ze dat intelligentie een van de belangrijkste leek te zijn. IQ kwam naar voren als een sleutelfactor die bepaalt hoe de hersenen eruitzien, zegt Thompson.

Wetenschappers die intelligentie bestuderen, definiëren het meestal in vergelijkende termen, als een algemeen cognitief vermogen gemeten tegen een gemiddelde. Een kwantificeerbare algemene intelligentiefactor, bekend als g, kan statistisch worden afgeleid uit scores op een reeks intelligentietests. Hoewel sommige mensen duidelijk bepaalde talentgebieden hebben, zullen degenen die goed scoren op de ene test waarschijnlijk ook goed scoren op andere, wat wijst op een hogere G .

Onderzoekers moeten nog een eenvoudige neurale verklaring vinden voor G . In 2001 toonde Thompson aan dat het gecorreleerd is met het volume in de frontale cortex, een resultaat dat consistent is met een aantal onderzoeken die intelligentie hebben gekoppeld aan de totale hersengrootte. Maar grootte is een grove maatstaf: hoewel grotere hersenen gemiddeld slimmer zijn, is het niet duidelijk of dat komt omdat ze meer zenuwcellen, meer verbindingen tussen cellen of meer vezels hebben die neurale signalen dragen. Elk van deze factoren kan resulteren in grotere hersenen of dikkere cortex, maar geen van deze dingen is nodig voor grote intelligentie. Studies van het brein van Albert Einstein hebben bijvoorbeeld uitgewezen dat het een typisch formaat had, of zelfs een beetje aan de kleine kant. (Er ontbrak een rimpel in de inferieure pariëtale kwab, die zich achter de frontale cortex bevindt; sommigen hebben gespeculeerd dat deze gril de neuronen in die regio in staat stelde om effectiever te communiceren.)

Omdat structurele beeldvorming van de hersenen geavanceerder is geworden, hebben wetenschappers zich gericht op delen van de hersenen die betrokken zijn bij specifieke taken, waaronder sensorische verwerking, geheugen, aandacht en besluitvorming. Verschillende onderzoeken hebben echter verschillende gebieden met intelligentie in verband gebracht, waardoor het moeilijk is om tot een overkoepelende conclusie te komen over de anatomische basis ervan.

Maar wat als de sleutel tot intelligentie niet een afzonderlijk deel van de hersenen of het totale volume is, maar het netwerk waarover informatie wordt verzonden en geïntegreerd? In 2007 ontwikkelden Jung en Richard Haier, nu emeritus hoogleraar psychologie aan de Universiteit van Californië, Irvine, de eerste uitgebreide theorie op basis van neuroimaging over hoe de hersenen aanleiding geven tot intelligentie. Ze verzamelden informatie uit 37 gepubliceerde artikelen die beeldvorming hadden gebruikt om intelligentie te bestuderen, en brachten de hersengebieden in kaart die in ten minste een derde van de onderzoeken waren vastgesteld om een ​​netwerk van regio's te schetsen die de frontale en pariëtale lobben overspannen.

Het netwerk bestaat uit ongeveer 10 knooppunten, of clusters van cellen, die waren gekoppeld aan aandacht, werkgeheugen en gezichtsherkenning, naast andere cognitieve functies. Door bestaande theorieën toe te passen over hoe informatie in de hersenen stroomt, veronderstelden Jung en Haier dat neurale signalen zich verplaatsen van knooppunten nabij de achterkant van de hersenen, waar sensorische gegevens worden verzameld en gesynthetiseerd, naar die in de frontale kwabben, die verantwoordelijk zijn voor besluitvorming en planning. De verbindingen tussen deze knooppunten, zo betoogden ze, zijn net zo kritisch als de knooppunten zelf. Als de knooppunten van een netwerk niet effectief en efficiënt communiceren, dan zal het netwerk niet efficiënt functioneren, zegt Jung.

De theorie was provocerend, maar de gegevens die werden gebruikt om deze te ontwikkelen, hadden een grote beperking: de gepubliceerde onderzoeken waren voornamelijk gericht op grijze stof. Wat betreft de verbindende witte stof, hebben Jung en Haier de paden afgeleid van de locaties van de belangrijkste knooppunten en bestaande kaarten van neurale anatomie. Ze keken niet rechtstreeks naar de witte stof zelf, grotendeels omdat ze de technologie niet hadden om dit te doen.

verbindingen
In volume vormt grijze stof ongeveer de helft van het menselijk brein. De andere helft is witte stof, bestaande uit filamentachtige neurale projecties verpakt in een vettig materiaal dat myeline wordt genoemd; zo'n hoog aandeel witte stof lijkt uniek te zijn voor de mens. Terwijl we evolueerden van wormen naar mensen, zegt George Bartzokis, een professor in de psychiatrie aan de UCLA, nam het aantal niet-neurale cellen in de hersenen 50 keer meer toe dan het aantal neuronen. Hij voegt eraan toe: Mijn hypothese is altijd geweest dat ons cognitieve vermogen niet het aantal neuronen is, dat enorm kan verschillen tussen mensen, maar eerder de kwaliteit van onze verbindingen.

Dankzij hun isolatielaag, die lekkage van elektrische impulsen voorkomt, kunnen gemyeliniseerde zenuwvezels signalen ongeveer 100 keer zo snel verzenden als niet-gemyeliniseerde zenuwvezels. De myeline maakt het ook mogelijk om meer informatie per seconde te verzenden door de wachttijd tussen signalen te verkorten. Het resultaat is dat neuronen 3000 keer zoveel informatie kunnen verwerken als anders mogelijk zou zijn. Dat vermogen is volgens Bartzokis cruciaal voor het spreken en verwerken van taal.

Het type MRI dat doorgaans wordt gebruikt voor medische scans, toont niet de fijnere details van de witte stof van de hersenen. Maar met een techniek genaamd diffusion tensor imaging (DTI), die de magneet van de scanner gebruikt om de beweging van watermoleculen in de hersenen te volgen, hebben wetenschappers manieren ontwikkeld om neurale bedrading in detail in kaart te brengen. Terwijl water willekeurig in het meeste hersenweefsel beweegt, stroomt het langs de geïsoleerde neurale vezels als stroom door een draad.

De meeste DTI-scans breken het MRI-beeld op in kleine gebieden en meten de diffusie van watermoleculen door elk ervan in zes tot twaalf richtingen, wat voldoende is voor het detecteren van dikke bundels neurale vezels. Maar plaatsen waar bedrading overlapt, verschijnen als een waas. Nieuwere varianten van diffusiebeeldvorming meten diffusie in 50 tot 500 richtingen. Computeralgoritmen synthetiseren deze gegevens in een driedimensionaal beeld dat de meest waarschijnlijke paden van zenuwvezels door elk gebied laat zien, en voegen vervolgens de informatie van meerdere punten samen om een ​​bedradingskaart te maken.

De sterkte van het diffusiesignaal - de mate waarin het een duidelijke richting aangeeft - wordt gebruikt om te meten hoe georganiseerd de vezels van de witte stof zijn. Een sterker diffusiesignaal kan wijzen op meer vezels of dikkere myeline; wetenschappers weten het nog niet. Maar de nieuwere diffusie-beeldvormingsmethoden hebben een sterke correlatie onthuld tussen de sterkte van dit signaal - wat onderzoekers de integriteit van de witte stof noemen - en prestaties op een standaard IQ-test. DTI blijkt een van de meest gevoelige MRI-metingen te zijn die we hebben voor de cognitieve functie, zegt Vincent Schmithorst, een neurowetenschapper in het Cincinnati Children's Hospital.

Thompson verwijst naar zijn verspreidingskaarten als afbeeldingen van mentale snelheid. Eerder onderzoek heeft IQ herhaaldelijk gekoppeld aan verwerkingssnelheid, en andere onderzoeken tonen aan dat verwerkingssnelheid op zijn beurt nauw verbonden is met de kwaliteit van iemands witte stof. Betekent dit dat intelligentie wordt bepaald door hoe snel de hersenen werken? Zo ja, betekent het vinden van de sleutel tot verwerkingssnelheid in de hersenen dat onderzoekers eindelijk het geheim van intelligentie hebben gevonden?

In werkelijkheid is snelheid waarschijnlijk niet de enige bepalende factor voor IQ. Een van de dingen die belangrijk zijn voor IQ is de functie van de frontaalkwab, die betrokken is bij planning, besluitvorming en het wegen van bewijs, zegt Thompson. Ik zou niet denken dat die vaardigheden volledig afhankelijk zijn van mentale snelheid.

Sommige van de nieuwste theorieën over intelligentie suggereren dat de cruciale factor misschien is hoe efficiënt informatie door de hersenen beweegt, in plaats van hoe snel. In een recent onderzoek onder leiding van Martijn P. van den Heuvel, een neurowetenschapper aan het Universitair Medisch Centrum Utrecht, in Nederland, definieerden onderzoekers efficiëntie als het aantal verbindingen dat nodig is om van het ene knooppunt naar het andere te gaan, zowel in specifieke hersengebieden als in alle boven de hersenen. Net zoals een rechtstreekse vlucht van Parijs naar Chicago als efficiënter zou worden beschouwd dan een vlucht met een tussenstop in Londen, zou een directe verbinding tussen twee delen van de hersenen efficiënter zijn dan een indirecte route.

Diffusie plotten: Watermoleculen in de hersenen diffunderen langs neurale draden, waardoor wetenschappers in wezen schakelschema's kunnen maken. Eerst worden de meest waarschijnlijke diffusierichtingen berekend voor elke twee kubieke millimeter patch van de hersenen, waarbij voor elk punt 3D-vormen worden gegenereerd, zoals hierboven weergegeven. Gespecialiseerde software berekent op basis van deze vormen het pad van neurale draden. Deze methode kan overlappende draden onderscheiden, terwijl conventionelere beeldvorming dat niet kan.

Van den Heuvel en collega's ontdekten dat mensen met een bovennormaal IQ van 120 en hoger de meest efficiënte hersennetwerken hadden. Onze hypothese is dat IQ gaat over hoe het menselijk brein verschillende soorten informatie kan integreren, hoe gemakkelijk het informatie van het ene hersengebied naar het andere kan krijgen, zegt Van den Heuvel. Deze activiteitspatronen worden sterk beïnvloed door de structuren van de witte stof in de hersenen, hoe de hersenen met elkaar verbonden zijn.

Richard Haier en zijn medewerkers werken nu aan een nieuwe methode om de informatiestroom rond de hersenen te meten met behulp van magneto-encefalografie of MEG. MEG meet de magnetische fluctuaties rond neuronen terwijl ze vuren, waardoor wetenschappers de milliseconde-schaal opeenvolging van neurale signalering in de hersenen kunnen volgen terwijl mensen verschillende taken uitvoeren, zoals het indrukken van een knop als reactie op een licht. Onderzoekers hopen erachter te komen hoe de stroom van deze signalen verschilt met intelligentie - of slimmere mensen bijvoorbeeld dezelfde volgorde volgen, maar sneller, of dat hun hersenen een paar stappen in een circuit overslaan. Als je de timing van de knooppunten en netwerken optelt, zegt Jung, dan hebben we het echt over hoe de hersenen in realtime werken.

IQ verbeteren
Als witte stof een sleutelrol speelt bij intelligentie, is er dan een manier om dit te verbeteren? Geeft het ons manieren om onszelf slimmer te maken, of om mensen te helpen met neurologische en psychiatrische aandoeningen die cognitieve vaardigheden aantasten?

Waarschijnlijk is de kwaliteit van witte stof op zijn minst gedeeltelijk genetisch bepaald en daarom moeilijk te veranderen. De grootte van het corpus callosum, de dikke stukken witte stof die de twee hersenhelften met elkaar verbinden, is voor ongeveer 95 procent genetisch bepaald. En ongeveer 85 procent van de variatie in witte stof in de wandbeenkwabben, die betrokken zijn bij logische en visueel-ruimtelijke vaardigheden, kan volgens Thompson worden toegeschreven aan genetica. Maar slechts ongeveer 45 procent van de variatie in de temporale kwabben, die een centrale rol spelen bij leren en geheugen, lijkt te worden geërfd.

Thompson probeert nu specifieke genen te identificeren die verband houden met de kwaliteit van witte stof. De topkandidaat tot nu toe is een gen voor een eiwit genaamd BDNF, dat celgroei bevordert. Mensen met één variatie hebben beter georganiseerde vezels, zegt hij.

Maar ook omgevingsfactoren spelen een rol. Knaagdieren die in een stimulerende omgeving zijn grootgebracht, hebben meer witte stof. En onderzoek suggereert dat het schijnbare IQ-verschil tussen mensen die als baby borstvoeding en flesvoeding kregen, kan ontstaan ​​omdat moedermelk omega-3 vetzuren bevat, vetzuren die betrokken zijn bij de productie van myeline; als gevolg daarvan bevat sommige babyvoeding nu deze verbindingen.

Er blijft hoop voor degenen die lang geleden het stadium van de babyvoeding hebben gepasseerd. Hoewel het volwassen brein niet zo kneedbaar is als een jong brein, en daarom minder gemakkelijk wordt beïnvloed door omgevingsfactoren, groeit het bewijs dat het volwassen brein nog steeds opmerkelijk plastisch is. Wetenschappers hebben witte stof nog niet voldoende bestudeerd om te weten hoe ze deze direct kunnen verbeteren, vooral bij gezonde mensen. Maar van lichaamsbeweging, voeding en mentale activiteit is aangetoond dat ze de gezondheid van de hersenen verbeteren en het risico op dementie verminderen, een aandoening die in verband is gebracht met schade aan de witte stof. En andere studies hebben aangetoond dat slechts een paar maanden oefenen van een nieuwe vaardigheid bepaalde delen van de hersenen kan vergroten, inclusief delen van de frontale cortex die betrokken zijn bij motorische planning en delen van de temporale kwabben die visuele, auditieve, tactiele en interne fysiologische integreren. informatie. Soortgelijke onderzoeken naar manieren om de kwaliteit van witte stof te verbeteren zijn aan de gang.

Hoewel het fascinerend was om naar beelden van mijn eigen witte stof te kijken, was het niet erg verhelderend. De scan gaf me geen indicatie van hoe efficiënt of flexibel mijn mentale processen zijn. En de onderzoekers vertelden me dat zelfs de meest scherpzinnige neuroanatomist niet in staat zou zijn om een ​​algemeen beeld van mijn cognitieve vermogens af te leiden uit mijn hersenscan.

Door meer te leren over de rol van witte stof bij intelligentie, krijgen wetenschappers een vollediger beeld van hoe de anatomie van de hersenen de cognitie beïnvloedt. Het zou kunnen helpen verklaren hoe verschillend gestructureerde hersenen hetzelfde IQ kunnen produceren, of dat bepaalde patronen - dikke witte stof hier, een groot deel grijze stof daar - verband houden met bepaalde cognitieve sterke en zwakke punten. Een van de belangrijkste bevindingen van het laatste decennium van onderzoek naar intelligentie is het feit dat de hersenen op verschillende manieren dezelfde IQ-score kunnen genereren, zegt Haier. Intelligentie wordt gekenmerkt door individuele verschillen in leren, geheugen en aandacht en hoe deze zijn geïntegreerd in elk individu. Haier voorziet een dag waarop hersenscans leraren kunnen wijzen op de cognitieve sterke en zwakke punten van elke leerling, zodat lessen individueel kunnen worden aangepast. Het is misschien mogelijk om vrijwel dezelfde informatie af te leiden uit uitgebreide cognitieve tests, maar dergelijke tests zijn zeldzaam omdat ze duur en tijdrovend zijn. Een hersenscan van een kwartier kan daarentegen veel breder worden toegepast.

Hoewel het nog niet mogelijk is om iemands IQ te schatten op basis van een hersenscan, zeggen sommige wetenschappers dat die dag misschien niet ver meer is. Voor een heel eenvoudig voorbeeld, zegt Haier, stel dat de totale hoeveelheid grijze stof in verschillende gebieden een goede correlatie is met IQ, en deze correlatie wordt beter als we extra scaninformatie toevoegen - misschien de hoeveelheid witte stof in andere gebieden of de hoeveelheid van activering in bepaalde gebieden terwijl een probleem is opgelost. We weten nog niet welke combinatie van hersenparameters het meest voorspellend zal zijn voor psychometrische IQ of andere intelligentiefactoren of mentale vermogens, maar we weten hoe we dat kunnen achterhalen. Zodra er financiering beschikbaar is om zeer grote monsters met meerdere technieken te scannen en iedereen te testen met een reeks psychometrische metingen, is het slechts een kwestie van tijd.

Dat kan een zegen zijn voor artsen die werken met Alzheimerpatiënten of anderen die lijden aan ziekten die cognitieve schade veroorzaken. Sommige experts vrezen echter dat het het gevoel zal creëren dat de capaciteiten van mensen volledig vooraf bepaald zijn. Wetenschappers die in het veld werken, beweren dat het gebruik van een hersenscan om intelligentie te kwantificeren echt niet anders is dan het gebruik van een gestandaardiseerde test zoals de SAT. Maar omdat een hersenscan een fysieke eigenschap meet, baart het waarschijnlijk nog meer zorgen dan de huidige testmethoden. Als je iemands IQ kunt schatten op basis van een hersenscan, zelfs als het niet meer voorspellend is dan een SAT [score], geeft dat de illusie dat zijn of haar toekomst vaststaat, zegt Karama.

In werkelijkheid is het nog niet duidelijk dat hersenscans beter zouden zijn dan SAT-scores bij het voorspellen van iemands cognitieve functie - of succes op school, carrière of leven. Hun waarde hangt af van wat we ermee doen. Misschien zullen, net als bij de SAT, trainingen worden ontwikkeld om mensen te helpen hun scores te verbeteren - om beter gebruik te maken van het netwerk van verbindingen in hun hersenen. Zegt UCLA's Frew, het is niet alleen de tool. Het is hoe goed we het gebruiken.

Emily Singer is Technologie beoordeling 's senior redacteur voor biogeneeskunde.

zich verstoppen