2

Het lerende brein

De opkomst van educational neuroscience

Hoe maak je een moeilijke rekensom? Waarom kunnen we zo makkelijk een tweede taal leren als we jong zijn, maar niet meer als we ouder zijn? Waarom zijn sommige kinderen slimmer dan andere? We begrijpen inmiddels steeds beter dat al deze vaardigheden te maken hebben met de werking van specifieke gebieden in de hersenen. In de laatste paar jaar is er steeds meer aandacht geweest voor de kennis over de hersenen enerzijds, en wat we van jongeren verwachten op school anderzijds. Dit heeft geleid tot een geheel nieuw onderzoeksveld, dat ‘educational neuroscience’ wordt genoemd. Het mooie van deze nieuwe stroming is dat er wordt geprobeerd om ideeën van leerkrachten, leerlingen, onderwijsdeskundigen en hersenwetenschappers samen te voegen, om zo gezamenlijk te proberen de leersituatie op scholen zoveel mogelijk aan te passen aan de mogelijkheden van de adolescent.

Suzanne zit nu op de havo en haalde tot vorig jaar goede cijfers. Het afgelopen jaar is het helaas wat minder goed gegaan. Suzanne wil wel graag over, maar als ze thuiskomt van school zijn er vaak andere dingen die haar aandacht vragen. Eerst even bellen met haar vriendin, nog even op de msn, een nieuw truitje kopen bij de H&M , en ’s avonds is er alweer hockeytraining. Leren voor het proefwerk van natuurkunde gaat dan even tussendoor. En, helemaal vergeten, de opdracht voor Engels moet ook nog af, bovendien is er morgen een discussiebijeenkomst voor geschiedenis die ze nog moet voorbereiden. Als ze zich voor een van de opdrachten inzet lukt het eigenlijk heel goed, maar alles bij elkaar wordt het soms wat veel. Het lukt niet eens om het allemaal in haar agenda op te schrijven, laat staan uit te vinden wat al die krabbels ook alweer betekenen. Toch wordt er op school van haar verwacht dat ze een zelfstandige planning maakt van haar schoolwerk, want dan kan ze alvast oefenen voor de zelfstandigheid die wordt vereist bij een vervolgopleiding. Suzanne wil wel, maar het lijkt wel of haar hersenen nog niet goed meewerken.

En dat is nu ook precies het probleem. Natuurlijk, door nieuwe ervaringen kun je ervoor zorgen dat de hersenen zich ontwikkelen en je kunt de hersenen ook trainen, maar we weten nu ook dat in de adolescentie de hersenen nog volop in ontwikkeling zijn. Er is daarom ook een limiet aan hoeveel zelfstandigheid je van het adolescentenbrein kunt verwachten. Juist díe hersengebieden die belangrijk zijn voor het maken van een goede planning, hebben in de adolescentie hun volwassenenstatus nog niet bereikt. Deze rijpen nog en de communicatie tussen deze verschillende hersengebieden is nog niet optimaal. Dus als Suzanne zelfstandig haar schoolwerk moet plannen, en dat bovendien moet combineren met veel afleiding buiten school, kunnen haar hersenen dat simpelweg nog niet aan. Het is erg jammer als zij blijft zitten terwijl ze wel slim genoeg is om over te gaan; het loopt mis op de zelfstandige planning. In dit hoofdstuk bespreken we wat er allemaal nodig is voor een goede planning, welke hersengebieden hierbij betrokken zijn en hoe deze hersengebieden rijpen.

De frontale cortex: de regulator van de cognitieve vermogens

Voor het maken van een goede planning is een aantal cognitieve vermogens nodig. Dit zijn de zogenaamde kennisvermogens, die ons in staat stellen om toekomstige doelen te bereiken en intelligent gedrag uit te voeren. Om de werking van en veranderingen in cognitieve vermogens te begrijpen richten we ons in dit hoofdstuk op de cortex – de buitenste gekronkelde laag van de grote hersenen (zie ook hoofdstuk 1).

Sommige hersengebieden hebben een enkele, heel specifieke functie; zo is bijvoorbeeld een gebied in de onderste hersenen (de hypothalamus) belangrijk voor het reguleren van ons bioritme. Bij de cortex is dit wat ingewikkelder. Veel functies die door de cortex worden gestuurd, maken gebruik van verschillende subgebieden binnen de cortex, voornamelijk omdat deze functies zo complex zijn. Om een goede planning te maken moet je allerlei verschillende vaardigheden hebben. Als we teruggaan naar het voorbeeld van Suzanne dan wordt duidelijk dat zij veel dingen tegelijk moet kunnen om haar dagelijkse schoolwerk af te krijgen. Ze moet ervoor zorgen dat ze goed opschrijft in haar agenda wat er van haar verwacht wordt. Daarvoor is het nodig de belangrijkste informatie te halen uit een mogelijk breed geformuleerde opdracht. Het is dan belangrijk niet afgeleid te raken door iets anders wat in de klas gebeurt (pratende medescholieren, of een schoolbel die afgaat), want dan is ze de opdracht alweer kwijt. Daarnaast moet zij ervoor zorgen dat zij tijdens het maken van haar huiswerk haar aandacht niet laat verslappen (geconcentreerd werken), en onbelangrijke afleidingen negeren (sms’jes die binnenkomen). Ten slotte is het nodig om flexibel tussen verschillende opdrachten te kunnen wisselen. Als ze voor vijf vakken huiswerk moet maken dan kan zij het zich niet veroorloven om tot elf uur ’s avonds met de eerste opdracht bezig te zijn. Al met al is plannen dus een behoorlijk complexe aangelegenheid, waarvoor je in staat moet zijn om prioriteiten tegen elkaar af te wegen en afleidingen te weerstaan, zodat je je langetermijndoelen kunt bereiken. Hier is dan ook een groot aantal hersengebieden voor nodig.

Plannen vraagt een goede samenwerking tussen verschillende controlefuncties.

Goed plannen wordt voor een groot gedeelte gestuurd door de frontale cortex. Dit gedeelte van het brein zit vooraan in onze schedel en bestrijkt ongeveer een derde van de cortex. Het is dus een flink groot gebied, met ook weer veel subgebieden en connecties.

Omdat de cortices zo groot zijn, maken we vaak gebruik van aanduidingen die de plaats in de cortex weergeven. De eerste plaatsbepaling betreft de superior-inferior-bepaling, waarbij superior ‘bovenste’ betekent en inferior ‘onderste’. De tweede plaatsbepaling is de ventraal-dorsaal-bepaling, waarbij ventraal verwijst naar ‘tot de buikzijde behorend’ en ‘dorsaal’ naar ‘aan de rugkant gelegen’. De derde plaatsbepaling is de anterior-posterior-bepaling, waarbij ‘anterior’ verwijst naar ‘naar voren toe’ en posterior naar ‘naar achteren toe’. De laatste plaatsbepaling, ten slotte, is de mediaal-lateraal-bepaling, waarbij ‘mediaal’ verwijst naar ‘aan de binnenzijde’ en ‘lateraal’ naar ‘aan de buitenzijde’.

Illustraties van plaatsaanduiding in de hersenen: superior versus inferior, dorsaal versus ventraal, anterior versus posterior en mediaal versus lateraal.

Binnen de frontale kwab maken we een onderscheid tussen drie gebieden: de motorische frontale cortex, de laterale frontale cortex en de mediale frontale cortex. Deze gebieden zijn op verschillende plekken gelokaliseerd en hebben ook een verschillende functie. De motorische cortex ligt bijvoorbeeld wat meer naar achteren en is belangrijk voor het in gang zetten en uitvoeren van motorische handelingen (de naam zegt het al). De laterale cortex zit meer voor in het hoofd dan de motorische cortex en is belangrijk voor het plannen van gedrag, het toepassen van regels en het volgen van instructies. Dit gebied is ook belangrijk voor het leren van nieuwe informatie. De mediale cortex is gelegen onder de laterale cortex. De mediale cortex is vooral van belang voor planning en doelgerichte handelingen, maar dan met name bij emotievolle beslissingen (hoofdstuk 3) en sociale beslissingen (hoofdstuk 4).

Illustratie van de verschillende subgebieden in de frontale cortex.

De frontale cortex herbergt dus een groot aantal planningsfuncties. Deze planningsfuncties worden vaak geschaard onder de naam ‘controlefuncties’. Deze term is eigenlijk een parapluterm voor functies die belangrijk zijn voor doelgericht gedrag. Denk bijvoorbeeld aan het kunnen onthouden van een route, of opletten in de klas als er achter je gepraat wordt. Dit zijn allemaal vaardigheden die een bepaalde mate van controle vragen, en die beter worden uitgevoerd door volwassenen dan door jongeren. Onze kennis over de hersengebieden die belangrijk zijn voor planning en controlefuncties is gebaseerd op drie onderzoeksmethoden: patiëntenonderzoek, apenonderzoek en hersenscantechnieken.

Planning na hersenbeschadiging

Vanwege zijn locatie (voor in het hoofd) is de frontale cortex een hersengebied waar beschadiging het vaakst voorkomt. Logischerwijs hebben deze beschadigingen grote gevolgen voor dagelijkse handelingen. Echter, de frontale cortex is groot en heterogeen en daarom heeft beschadiging aan verschillende gebieden in de frontale cortex een steeds verschillende uitwerking op gedrag, afhankelijk van de locatie van de beschadiging. Omdat dit hoofdstuk betrekking heeft op het lerende brein zullen we ons vooral richten op de functies van het buitenste gedeelte van de frontale cortex (de laterale frontale cortex), want beschadiging aan dit hersengebied heeft de belangrijkste gevolgen voor planning en het opnemen van nieuwe kennis. Wat gebeurt er dan bij beschadiging aan dit hersengebied?

We weten op basis van patiëntonderzoek dat het buitenste gedeelte van de frontale cortex, de laterale frontale cortex, belangrijk is voor het oplossen van problemen, informatie vasthouden in je geheugen, of het op tijd kunnen stoppen van ongepast gedrag. Omdat patiënten met laterale frontale cortexbeschadiging dit moeilijk vinden, maken zij vaak ongepaste opmerkingen, simpelweg omdat zij niet de remming hebben om dit tegen te houden. Zij hebben ook moeite met het begrijpen van grapjes met een clou, maar kunnen weer wel lachen om simpele slapstick humor. Bij de eerste is het nodig om informatie over situaties samen te voegen, terwijl dat bij slapstickhumor niet zo is.

Een van de belangrijkste kenmerken van patiënten met schade aan de laterale frontale cortex is dat zij moeite hebben met het verwerken van sturing (of feedback) uit de omgeving. Met andere woorden; als iemand kritiek heeft op een plan en aangeeft dat het vanaf nu allemaal anders moet, dan kunnen patiënten met laterale frontale cortexbeschadiging hun gedrag minder goed bijstellen. Zij blijven ‘hangen’ in het oude gedrag en kunnen niet flexibel wisselen. Zoals we hieronder zullen zien is het leren van sturing/feedback ook een functie die zich nog sterk ontwikkelt in de adolescentie; dit is belangrijke informatie als we denken aan het belang van sturing in de schoolsituatie. Wanneer je gewend bent om een opdracht of een taak op een bepaalde manier uit te voeren, dan geeft dat houvast. Als de invulling van de opdracht opeens compleet verandert, dan is het voor adolescenten moeilijk om de oude manier af te leren en de nieuwe manier aan te leren. Dit kan bijvoorbeeld het geval zijn als zij een andere leerkracht krijgen die op een nieuwe manier lesgeeft, maar ook als het lesmateriaal verandert.

Planning in het apenbrein: single-cell recording

Hoe weten we nu precies hoe een bepaald hersengebied bijdraagt aan cognitief functioneren? Veel van onze kennis over hoe de hersenen werken is gebaseerd op apenonderzoek. Hoewel niet door iedereen op prijs gesteld, hebben deze experimenten ons veel geleerd over waar in de hersenen bepaalde functies zijn gehuisvest. Een beroemdheid op het gebied van apenonderzoek, Patricia Goldman-Rakic, heeft de rol van de laterale frontale cortex onderzocht bij apen. Hiervoor maakte zij gebruik van een experiment waarbij apen geleerd werd dat een bepaalde keuze kon leiden tot een beloning, zoals een stukje appel of appelsap. De apen kregen een plaatje te zien aan de linkerkant of de rechterkant van een computerscherm. Daarna werd een kruisje getoond in het midden van het scherm, en zij moesten naar het kruisje blijven kijken tot het van kleur veranderde. Vervolgens moesten ze naar de tegenovergestelde locatie kijken van waar het plaatje eerder was getoond. Dus, als het plaatje aan de linkerkant van het scherm werd getoond dan keek de aap eerst naar links (waar het plaatje verscheen), vervolgens keek hij naar het midden van het scherm waar een kruisje stond. Als het kruisje van kleur veranderde keek de aap vervolgens naar de rechterkant van het scherm en kreeg hij de beloning. Je kunt uiteraard niet simpelweg aan de aap uitleggen wat de instructie is om een beloning te krijgen. Een aap moet daarom soms maanden getraind worden voor het zo’n experiment kan uitvoeren.

Om uit te zoeken hoe de hersenen werken tijdens deze taak maten Patricia Goldman-Rakic en collega’s de activiteit in neuronen in de laterale frontale cortex. Deze methode heet ‘single-cell recording’ en wordt gebruikt om verschillen in voltage of stroom te meten in een zenuwcel. Om de micro-elektrodes die deze verschillen meten in te brengen wordt de aap tijdelijk verdoofd, en wordt de elektrode geplaatst in het specifieke hersendeel waar onderzoekers in geïnteresseerd zijn, in dit geval de laterale frontale cortex. De micro-elektrode meet vervolgens de activiteit in de cel. Single-cell recording is waarschijnlijk de meest specifieke meetmethode die we ter beschikking hebben, maar een probleem is dat we maar in een heel klein gebied kunnen meten. Er kan gekeken worden naar activiteit in maximaal vijftig cellen tegelijk, en dat is nog steeds maar in een zeer klein gedeelte van het brein.

In de aapexperimenten van Goldman-Rakic waren de onderzoekers geïnteresseerd in het verschil in de activiteit van de cellen als de tijd tussen het eerste plaatje en de veranderingen in de kleur van het kruisje varieerde. Door de veranderingen moest de aap namelijk langer de locatie van het plaatje onthouden. Bijvoorbeeld, als het kruisje meteen van kleur veranderde nadat het eerste plaatje was getoond, dan was het gemakkelijk voor de aap om meteen de oogbeweging naar de andere kant te maken. Maar als het kruisje langere tijd zwart bleef, bijvoorbeeld zes of twaalf seconden, dan moest de aap gedurende deze tijd onthouden waar het plaatje in eerste instantie was verschenen en wat de tegenovergestelde oogbeweging moest zijn. De variatie in deze tijd resulteerde in meer activatie in de cellen in de laterale prefrontale cortex. Oftewel, langere tijd onthouden leidde tot meer activiteit in dit hersengebied (of weer anders gezegd; doordat dit hersengebied actief werd kon de informatie langer worden onthouden). Het vasthouden van informatie gedurende een bepaalde periode wordt ook wel werkgeheugen genoemd en is een van de belangrijkste controlefuncties.

Een kijkje in het mensenbrein tijdens planning

Ook bij mensen is de laterale prefrontale cortex belangrijk voor werkgeheugen en andere controlefuncties. Met behulp van hersenscantechnieken, zoals fMRI, is de werking van de frontale cortex uitvoerig in kaart gebracht. Dit onderzoek heeft met name geleid tot de ontdekking dat verschillende gebieden in de frontale cortex verschillende functies hebben, een ontdekking die moeilijk was vast te stellen met patiëntonderzoek, of op basis van single-cell recordings bij apen.

De onderzoeken met hersenscantechnieken zijn met name belangrijk geweest om te onderzoeken wat kinderen en adolescenten wel of niet kunnen en welke hersengebieden hierin meespelen. We weten bijvoorbeeld dat in sommige delen van de frontale cortex de hoeveelheid hersencellen (grijze stof) langzamer verandert dan in andere gebieden. Deze structurele verandering heeft weer grote gevolgen voor hoe kinderen informatie onthouden of plannen. We weten pas sinds kort hoe de hersengebieden die belangrijk zijn voor planning en het uitvoeren van een bepaalde taak werken in de kindertijd en adolescentie. In dit hoofdstuk worden een aantal van deze functies beschreven in relatie tot het zich ontwikkelende brein.

We zullen in dit hoofdstuk zien dat de meeste probleemoplossingfuncties zich ontwikkelen tussen vier en twaalf jaar (de periode dat kinderen op de basisschool zitten). Dit is ook terug te zien in de redeneervaardigheden van kinderen en jongeren; we zien hier namelijk een enorme toename tijdens de basisschooltijd. Maar veel van de functies rijpen nog tot in de adolescentie, zoals planning en flexibiliteit. Niet zo wonderbaarlijk als we weten dat de frontale cortex nog vervolmaakt wordt tot we twintig tot vijfentwintig jaar zijn. We weten nu steeds meer over de hersengebieden die belangrijk zijn voor de ontwikkeling van deze functies en hoe deze met elkaar samenwerken. Het is belangrijk om hier rekening mee te houden als je goede sturing wilt geven. Als je op jonge leeftijd goed een taal kunt leren, omdat je hersenen er dan rijp voor zijn, dan heeft het veel zin om deze periode hiervoor te gebruiken. Maar als de hersengebieden die belangrijk zijn voor plannen nog niet gerijpt zijn als je veertien bent, heeft het niet zo veel zin om van een veertienjarige adolescent te vragen om uit te komen met zijn zakgeld, ook al kan hij al wel goed rekenen.

Een paar punten moeten we wel in ons achterhoofd houden. In de onderstaande onderzoeken is gebruikgemaakt van laboratoriumtaken, waarbij gemiddeld twintig tot vijfentwintig deelnemers per leeftijdsgroep zijn getest. Onderzoekers proberen deze deelnemers zo te selecteren dat ze een goede afspiegeling vormen van de bevolking, maar dat is met deze steekproeven veel moeilijker dan wanneer er honderd of tweehonderd kinderen worden gemeten. De taken die worden gebruikt in het laboratorium zijn daarbij niet altijd even makkelijk te vertalen naar de complexe planning die wordt gevraagd in het dagelijks leven. Zo is er bij een laboratoriumtaak vaak een specifieke instructie, zijn deelnemers erg gemotiveerd om het goed te doen, en is er nauwelijks afleiding van buitenaf. Maar dat in ons achterhoofd houdend, zijn we enthousiast over de kennis die onderzoek naar hersenontwikkeling bij adolescenten tot nu toe aan inzichten heeft opgeleverd. Hieronder staan deze beschreven per functie.

Werkgeheugen: out of sight out of mind?

Wanneer een achttien maanden oude baby wordt gevraagd om een pop of auto die zojuist onder een van twee dozen verstopt is, te pakken, dan zal de baby de juiste plek vrij goed kunnen aanwijzen. Maar als de tijd tussen het verstoppen en het mogen zoeken langer wordt, bijvoorbeeld tien seconden of twintig seconden, dan zal de baby niet meer weten waar het speelgoed verstopt zit. Dit komt doordat het werkgeheugen nog niet goed ontwikkeld is. De grootste veranderingen in het werkgeheugen vinden plaats in de jonge kindertijd. In tegenstelling tot de traditionele veronderstelling dat het werkgeheugen uitontwikkeld is rond tien jaar, weten onderzoekers nu echter dat het werkgeheugen nog verbeterd wordt in de adolescentie. Hoeveel veranderingen er plaatsvinden in de adolescentie hangt af van hoe moeilijk de werkgeheugenopdracht is.

Een manier om werkgeheugen te meten is door de tijd tussen het aanbieden van informatie en het terughalen van informatie te variëren, zoals ook wordt gedaan bij apenonderzoek en bij eerdergenoemd babyonderzoek. In deze taken worden bijvoorbeeld één voor één drie locaties getoond op het scherm, en de deelnemer wordt gevraagd om deze drie locaties in dezelfde volgorde aan te wijzen, na een vertraging van vijf, tien of vijftien seconden. Iedereen, volwassenen en kinderen, vindt het moeilijker om de taak uit te voeren na een vertraging van vijftien ten opzichte van vijf seconden. Maar jongere kinderen hebben relatief meer moeite met de vijftien-secondentaak dan volwassenen, terwijl zij de vijf-secondentaak net zo goed kunnen uitvoeren. Op basis van deze bevindingen wordt geconcludeerd dat het werkgeheugen van jongere kinderen een minder grote capaciteit heeft. Wanneer kinderen een jaar of twaalf zijn kunnen ze deze taak net zo goed uitvoeren als volwassenen.

Een tweede manier om werkgeheugen te onderzoeken is door niet de tijd, maar de hoeveelheid informatie die iemand moet onthouden te variëren. Een voorbeeld: je doet mee aan een spelprogramma waarin je vier voorwerpen krijgt te zien, die vervolgens achter een scherm verdwijnen. Vervolgens wordt je gevraagd deze voorwerpen uit je hoofd op te noemen. Dit is niet zo’n moeilijke opdracht, maar als het aantal voorwerpen acht is, of tien, dan wordt de opdracht wel wat ingewikkelder. Je werkgeheugen moet nu immers acht in plaats van vier voorwerpen onthouden. Het werkt hetzelfde met een werkgeheugentaak in het laboratorium. Als je de volgorde van vier locaties op een computerscherm moet onthouden is dit nog vrij goed te doen, maar als het aantal locaties toeneemt dan wordt de opgave al veel moeilijker. Hetzelfde kan het geval zijn als je tien willekeurige woorden moet onthouden, of plaatjes van objecten. Ook hier zien we dat iedereen het moeilijk vindt om meerdere locaties, woorden of plaatjes te onthouden, maar kinderen maken relatief meer fouten dan volwassenen als het aantal locaties, woorden of plaatjes toeneemt. Om deze reden is het voor jonge kinderen ook moeilijk om meer opdrachten tegelijk te moeten onthouden, of een lange boodschappenlijst. Onderzoekers hebben bij de twee bovenstaande werkgeheugentaken (waarbij of de tijd tussen de voorwerpen en het terughalen wordt gevarieerd, of het aantal voorwerpen wordt gevarieerd) nog leeftijdsgerelateerde veranderingen geconstateerd tot vijftien jaar. Hoewel de veranderingen tussen twaalf en vijftien wel kleiner werden, waren vijftienjarige adolescenten nog steeds niet op volwassenenniveau.

In bovenstaande onderzoeken zijn de leeftijdsverschillen dus vrij klein, maar deze worden veel groter als je deelnemers in een onderzoek vraagt om de informatie in het werkgeheugen te reorganiseren. Dit type werkgeheugen wordt gemeten met de zogenaamde manipulatietaak. Je kunt dit doen door iemand te vragen om een willekeurige reeks letters te onthouden, zoals P-B-F-N, gedurende zes seconden, om vervolgens de letters weer hardop terug te zeggen. Dat is lastig, maar zal niet heel veel moeite kosten. Als je aan diegene echter vraagt om de letters na zes seconden te herhalen in de volgorde van het alfabet, dan zal dat beduidend meer moeite kosten.

Deze vorm van werkgeheugen, waarbij je moet werken met informatie in je gedachten, kost kinderen en jongeren veel meer moeite dan volwassenen. Dit heeft te maken met de werking van verschillende subgebieden in de frontale cortex die op elkaar afgestemd moeten worden en met elkaar moeten leren communiceren. De vaardigheid om informatie in je gedachten te manipuleren, of om ermee te werken in je gedachten, ontwikkelt dan ook nog tot ver in de adolescentie. Deze vorm van werkgeheugen speelt een belangrijke rol bij verschillende vaardigheden op school, denk maar aan het uitvoeren van een lastige rekensom waarbij getallen moeten worden gemanipuleerd. Of denk aan het uitstippelen van een werkschema, waarbij je rekening moet houden met begin- en eindtijden van lesuren, wanneer er tijd is om je lunch te eten, en je nog op tijd moet zijn om ’s middags te gaan voetballen. Deze planning vraagt veel van het werkgeheugen, en vooral van de manipulatie van informatie in het werkgeheugen.

Het gebied dat belangrijk is voor het werkgeheugen bij apen, de laterale prefrontale cortex, is ook bij mensen belangrijk voor het succesvol uitvoeren van een werkgeheugentaak. Verschillende onderzoeken hebben laten zien dat activiteit in dit hersengebied toeneemt als informatie gedurende een langere tijd moet worden vastgehouden in het geheugen, of als het aantal locaties of plaatjes dat moet worden onthouden toeneemt. Je succes op een werkgeheugentaak hangt direct samen met de mate van activiteit in het hersengebied. Dat wil zeggen, mensen waarbij dit hersengebied harder werkt, doen het beter op de werkgeheugentaak. We hebben dus vrij sterke aanwijzingen dat dit gebied verantwoordelijk is voor een stevig werkgeheugen.

Het blijkt niet zoveel uit te maken om welk type informatie het gaat, de laterale prefrontale cortex is actief bij zowel het onthouden van locaties, plaatjes, cijfers of objecten. Maar, het blijkt wel uit te maken wat voor soort werkgeheugen wordt aangesproken, namelijk of je informatie alleen hoeft vast te houden in gedachten, of dat je daadwerkelijk moet werken met deze informatie. Als informatie alleen hoeft te worden vastgehouden (je hoeft niets met de informatie te doen behalve het te onthouden), dan wordt activatie gezien in de ventrale (onderste) laterale prefrontale cortex. Echter, wanneer er in gedachten met informatie moet worden gewerkt (zoals bij het alfabetiseren), dan zien we activatie in de dorsale (bovenste) laterale prefrontale cortex. Dit onderscheid is belangrijk, want we weten dat de structurele rijping van de hersenen eerder plaatsvindt voor het ventrale gedeelte dan voor het dorsale gedeelte. In ons eigen laboratorium hebben we daarom onderzocht welke hersengebieden actief zijn bij kinderen als ze plaatjes van objecten (zoals een klok, een huis, een schoen of een hond) moeten onthouden gedurende zes seconden. We vergeleken dit met hersenactiviteit wanneer zij de plaatjes in omgekeerde volgorde moesten reproduceren. Kinderen tot twaalf jaar hadden veel moeite met de manipulatietaak, en hun dorsale laterale prefrontale cortex was minder actief dan bij vijftien- tot zestienjarigen en volwassenen. We menen daarom dat adolescenten vooral meer moeite hebben met werkgeheugen manipulatie omdat het dorsale gebied van de laterale frontale cortex langzamer rijpt.

 

Hersengebieden die samenwerken tijdens het uitvoeren van een werkgeheugenopdracht.

 

In een laboratorium in Zweden doen Torkel Klingberg en collega’s al jaren onderzoek naar de relatie tussen de toename in werkgeheugencapaciteit bij kinderen en de ontwikkeling van de hersenen. Zij maken vooral gebruik van taken waarbij deelnemers de locatie van plaatjes op het computerscherm moeten onthouden en ze vergelijken het slagingspercentage op deze taak met hersenactiviteit bij kinderen van acht tot achttien jaar. Deze studies laten zien dat de hersengebieden die belangrijk zijn voor locatiegerelateerd werkgeheugen bij volwassenen (de laterale prefrontale cortex, in samenwerking met de parietale cortex, die meer achter in het hoofd zit en belangrijk is voor ruimtelijke organisatie), steeds actiever worden naarmate kinderen ouder worden. Met geavanceerde meetmethoden onderzochten zij ook of de banen tussen deze hersengebieden belangrijk waren voor het uitvoeren van de taak. En inderdaad: hoe sterker de connecties tussen deze hersengebieden, hoe beter de werkgeheugenprestatie.

 

Illustratie van een item in een werkgeheugentaak waarbij deelnemers plaatjes moeten omkeren in hun geheugen en een reactie

moeten geven op een van deze plaatjes (links). De dorsolaterale prefrontale cortex speelt hierbij een belangrijke rol (rechtsboven) n dit hersengebied is tijdens de werkgeheugenopdracht minder actief bij acht- tot twaalfjarige kinderen dan bij volwassenen (rechtsonder). Gebaseerd op resultaten uit Crone et al. (PNAS, 2006).

 

 

Inhibitie: op tijd stoppen

 

Je fietst met behoorlijk wat haast naar school of naar je werk, je steekt daarom snel het kruispunt over maar opeens springt het stoplicht op oranje. Je moet nu snel remmen voordat het licht op rood springt. Of: je bent op bezoek bij je buurvrouw en de telefoon gaat. Je hand gaat al richting de telefoon, maar op tijd realiseer je je dat je niet thuis bent. Of: je bent in Engeland en nog net kun je de neiging onderdrukken om aan de rechterkant van de weg te gaan rijden. In al deze voorbeelden is er sprake van inhibitie, oftewel het remmen of stoppen van je gedrag. Op tijd ons gedrag kunnen remmen is van cruciaal belang voor veilig en sociaal aangepast gedrag, maar is vooral moeilijk als je opeens iets anders moet doen dan je gewend bent (zoals links rijden) of als je al flink op weg bent om een beweging uit te voeren (zoals bij het veranderende stoplicht).

Kinderen hebben meer moeite met het remmen of stoppen van gedrag dan volwassenen. Het Amerikaanse spelletje ‘Simon says:’ (de Amerikaanse versie van ‘commando pinkelen’) is hier een goed voorbeeld van. Bij dit spelletje krijgen kinderen de instructie om een handeling uit te voeren, maar alleen als de instructie wordt voorafgegaan door ‘Simon zegt:’ Bijvoorbeeld, bij de instructie ‘Simon zegt: klap in je handen’, klapt iedereen in zijn handen. Bij de instructie ‘Simon zegt: stamp met je voeten’, stampt iedereen met zijn voeten. Bij de instructie ‘schud je hoofd’ is het de bedoeling dat je niets doet, want er werd geen ‘Simon zegt:’ voor gezegd. Het is moeilijk om deze instructie niet uit te voeren, omdat je zo gewend bent om te doen wat er wordt gezegd en de beweging is als het ware al in gang gezet voor je beseft dat het dit keer niet de bedoeling is. Vooral kinderen hebben hier veel moeite mee.

 

Remmen en stoppen is volop onderzocht in de ontwikkelingspsychologie. Onderzoekers gebruiken hiervoor computertaken omdat ze heel precies willen meten wanneer kinderen en volwassenen wel en niet kunnen remmen, of inhiberen. In de ‘go/no go-taak’ wordt aan een deelnemer gevraagd om op een knop te drukken als een bepaald plaatje wordt getoond, bijvoorbeeld een rode hond. De hond wordt steeds achter elkaar getoond en er moet daarom ook steeds op de knop worden gedrukt. Maar als de hond blauw is, dan mag juist niet worden gedrukt. Dit vinden jonge kinderen heel moeilijk; soms lukt het ze om niet te drukken bij de blauwe hond, maar vaak gaan ze de mist in. Vooral kleuters zijn hier erg slecht in, maar ook basisschoolkinderen tot een jaar of twaalf hebben meer moeite om hun gedrag te remmen dan volwassenen.

De go/no go-taak meet op een simpele manier het inhibitievermogen (het vermogen te remmen), maar heeft ook een aantal problemen. De uitkomstmaat voor het meten van inhibitie is het aantal commissiefouten, dit is het aantal keer dat je toch op de knop drukt als de blauwe hond verschijnt. Maar als je weinig fouten wilt maken kun je bijvoorbeeld ook de strategie gebruiken om steeds heel langzaam te reageren, want als je langzamer reageert op alle honden dan maak je ook minder commissiefouten als je de blauwe hond ziet. Daarom weten we niet of minder commissiefouten betekent dat iemand beter kan inhiberen of dat iemand gedurende de hele taak de langzame-reactiestrategie gebruikt.

Onderzoekers hebben om deze reden gezocht naar meer geavanceerde manieren om inhibitie te meten, en dit heeft geleid tot de ontwikkeling van de ‘stop-signaal-taak’. Onderzoekers wilden namelijk graag weten hoe lang iemand nodig heeft om te kunnen stoppen. Maar hoe meet je een snelheid van stoppen als er niet op een knop wordt gedrukt? Daar hebben de onderzoekers een slim trucje op bedacht. Bij een stop-signaal-taak wordt de deelnemer gevraagd om te reageren op groene pijlen die naar links of naar rechts wijzen door met de wijsvingers op een linker- of rechterknop te drukken. Dit moet heel snel gebeuren, en daarom wordt het reageren automatisch. Maar als de pijl rood wordt, mag er niet gereageerd worden (net als bij een stoplicht). Dit is makkelijk als de pijl meteen rood wordt, maar het wordt veel moeilijker als de pijl eerst een tijd groen blijft en wanneer je al bijna op de knop hebt gedrukt en de pijl dan pas rood wordt. Dit is te vergelijken met een stoplicht dat oranje wordt als je nog ver van het kruispunt verwijderd bent, of een stoplicht dat oranje wordt als je net begint over te steken. Door de tijd tussen de aanbieding van de pijl en het rood laten worden van de pijl te variëren kunnen onderzoekers erachter komen hoeveel tijd iemand nodig heeft om nog succesvol te kunnen stoppen. Deze tijd wordt de Stop Signaal Reactie Tijd ( SSRT ) genoemd. Deze SSRT is traag tussen vier en acht jaar. Maar, de SSRT is nog niet op volwassenenniveau tot ten minste twaalf tot veertien jaar. Tot deze leeftijd hebben jongeren meer moeite met stoppen dan volwassenen.

Wanneer iemand een beschadiging heeft aan het ventrale gedeelte van de laterale prefrontale cortex (in een gebied dat iets onder het gebied zit dat belangrijk is voor het vasthouden van informatie in het werkgeheugen) dan leidt dit ook tot grote moeite met stoppen. Gezonde volwassenen laten activiteit zien in dit gebied van de hersenen wanneer een go/no go-taak of een stop-signaal-taak wordt uitgevoerd. Dit gebied wordt daarom het inhibitiegebied genoemd.

 

Een aantal onderzoekers heeft onderzocht hoe het inhibitiegebied zich ontwikkelt tussen acht tot twaalf jaar en achttien tot vijfentwintig jaar. De belangrijkste bevinding is dat wanneer acht- tot twaalfjarige kinderen een go/no go-taak maken tijdens een f MRI -scan, zij minder activiteit laten zien in het ventrale gedeelte van de laterale prefrontale cortex dan volwassenen. Dit betekent waarschijnlijk dat dit gedeelte van de hersenen bij deze kinderen nog niet goed ontwikkeld is. Interessant is dat deze kinderen wel vaak activatie laten zien in een ander gedeelte van de prefrontale cortex, zoals in het dorsale gedeelte van de prefrontale cortex. Dus mogelijk moeten ze een beroep doen op andere gebieden omdat het gebied dat belangrijk is voor inhibitie bij hen nog niet goed gerijpt is.

 

Illustratie van een go/no go-taak, waarbij een reactie moet worden gegeven op go-items (hier de witte hond), maar de reactie geremd moet worden op no go-items (hier de grijze hond). De ventrolaterale prefrontale cortex speelt een belangrijke rol bij het remmen van reacties (rechtsboven), maar is minder actief bij kinderen dan bij volwassenen tijdens deze taak (rechtsonder). Gebaseerd op resultaten uit Casey et al. (TICS, 2005) en Durston et al. (DevelopmentalScience, 2002).

 

Tijdens de adolescentie (tussen twaalf en achttien jaar) verandert deze kindermanier van hersenactiviteit in de volwassenenhersenactiviteit, in het bijzonder doordat het ventraal-laterale deel van de prefrontale cortex steeds verder rijpt. Wanneer dezelfde kinderen een paar jaar later opnieuw worden getest, werkt de ventraal-laterale frontale cortex beter bij het stoppen. Het inhibitiegebied gaat blijkbaar steeds beter werken als kinderen ouder worden en daardoor kunnen ze met de jaren beter hun gedrag remmen.

Ook al weten we dat de hersengebieden die belangrijk zijn voor inhibitie een grote verandering ondergaan tussen twaalf en achttien jaar, we weten nog niet precies wat het tijdsverloop is van deze verandering. Het is nog onbekend wanneer de ventraal-laterale frontale cortex op volwassenenniveau werkt. Maar we moeten er wel rekening mee houden dat op twaalfjarige leeftijd, en in de jaren erna, adolescenten nog niet zo goed hun gedrag kunnen remmen als volwassenen, simpelweg omdat hun hersenen hier nog niet klaar voor zijn. Je kunt daarom niet verwachten dat adolescenten in een drukke klas al net zo goed informatie kunnen filteren als volwassenen. Voor hen is het nog moeilijk om de automatische neiging om te reageren op opmerkingen van klasgenoten te onderdrukken.

 

Hierboven spraken we steeds over afleidingen van buitenaf die genegeerd moesten worden. Maar soms zit de afleiding ook al in een opdracht zelf en er moet daarom een onderdeel van de opdracht onderdrukt worden. De leesinhibitietaak is een goed voorbeeld van een opdracht waar de afleiding in zit. Woorden lezen gaat ontzettend snel en is eigenlijk een automatisch proces. Het is daarom ook moeilijk om de betekenis van deze woorden te negeren. Dit is het kenmerk van de beroemde Stroop-taak, die vernoemd is naar de Amerikaanse psycholoog John Ridley Stroop die deze taak ontwikkelde in 1935. Bij deze taak is het de bedoeling dat iemand de kleur van een woord opleest. De truc zit hem in de volgende moeilijkheid: het woord dat wordt gepresenteerd is ook een kleur. Bijvoorbeeld, het woord ROOD of GROEN wordt gepresenteerd in dezelfde kleur ( ROOD in de inktkleur rood) of in een andere kleur ( GROEN in de inktkleur geel). Als de kleur benoemd moet worden maar het woord zegt iets anders, is het erg moeilijk om niet te lezen wat er staat. Het lezen is namelijk geautomatiseerd; we zijn zo gewend om te lezen, dat we dit niet kunnen onderdrukken.

Het proces heet ‘interferentie’ en gebeurt continu om ons heen. Wanneer we ons verspreken bijvoorbeeld, dan is dit vaak het gevolg van interferentie. Dit gebeurt vaak bij het door elkaar halen van namen van familieleden, of wanneer een nieuwe liefde per ongeluk met de naam van een ex-geliefde wordt aangesproken. Patiënten met schade aan de frontale cortex, maar ook kinderen hebben veel moeite om in de Strooptaak de leesreactie te onderdrukken. Onderzoekers hebben bij deze taak gemeten hoe de hersenen werken bij kinderen en adolescenten als zij deze taak uitvoeren en hier werd een belangrijke ontdekking gedaan.

 

Illustratie van een Stroop-taak, waarbij de kleur van de inkt benoemd moet worden, ongeacht de tekst waarin deze gedrukt staat.

Wanneer de tekst en de inktkleur verschillen, is er sprake van interferentie. De dorsolaterale prefrontale cortex speelt een belangrijke rol bij het onderdrukken van interferentie (rechtsboven) en dit gebied is actiever tijdens interferentiewoorden naarmate deelnemers ouder zijn.Gebaseerd op resultaten uit Adleman et al. (Neuroimage, 2002).

 

De hersengebieden die belangrijk zijn voor het succesvol uitvoeren van de Strooptaak bij volwassenen (de dorsaal laterale frontale cortex) blijven veranderen tot ver in de adolescentie; veranderingen zijn zichtbaar tot twintig jaar. Specifiek werd gekeken naar de relatie tussen de leeftijd van deelnemers tussen zeven en vijfentwintig jaar, en de mate van activiteit in de laterale frontale cortex tijdens de interferentiewoordparen (bijvoorbeeld het woord BLAUW geprint in de kleur groen, waarbij de kleur groen benoemd moest worden). Er was een lineaire toename in de mate van activiteit in dit hersengebied tot aan tweeëntwintig jaar. Dus, hoe ouder de adolescent, hoe beter hij irrelevante informatie kan onderdrukken doordat hij meer activiteit heeft in de laterale frontale cortex. Deze veranderingen waren het sterkst aan de linkerkant van de hersenen, waarschijnlijk omdat deze taak een beroep doet op taalprocessen, die aan de linkerkant huizen. Hoewel adolescenten als zij twaalf tot veertien jaar zijn al vrij goed zijn in het remmen van hun handelingen (zoals bij het stoplichtvoorbeeld), hebben ze dus nog veel problemen met het onderdrukken van interferentie. Zo zal Suzanne het moeilijk vinden om woordjes Frans te onthouden als de radio aanstaat. Hoewel adolescenten lijken uit te blinken in multitasken (telefoneren, msn’en en huiswerk doen tegelijk), blijkt uit deze onderzoeken dat het adolescentenbrein nog niet helemaal in staat is om verschillende taken tegelijk uit te voeren, zij hebben namelijk meer last van interferentie .

 

Flexibiliteit en plannen: snel aanpassen aan een veranderende omgeving

 

Flexibiliteit is waarschijnlijk de belangrijkste controlefunctie. Immers, vaak moeten we onze plannen aanpassen omdat er iets onverwachts gebeurt wat opeens onze aandacht vraagt. Als je bijvoorbeeld net besluit de deur uit te gaan om boodschappen te doen en de telefoon gaat. We moeten flexibel wisselen tussen het eerste plan (de deur uitgaan) en het tweede plan (de telefoon opnemen). Deze flexibiliteit hebben we nodig wanneer we allerlei nieuwe vaardigheden leren, zoals wiskunde of een nieuw computerprogramma. Hierbij maken we continu gebruik van feedback over ons eigen gedrag. We horen wat wel en niet goed was en we passen aan wat we deden. Het leren van feedback is daarom ontzettend belangrijk voor leren op school. Flexibiliteit wordt vooral op de proef gesteld als de handeling die je moet uitvoeren anders is dan je gewend bent.

 

Patiënten met beschadiging aan de frontale cortex hebben vooral veel moeite met deze aanpassingen. Ze zijn gewend om handelingen uit te voeren zoals ze die kennen en ze kunnen moeilijk wisselen naar ander, onverwacht gedrag. Wanneer aan een frontale cortexpatiënt bijvoorbeeld wordt gevraagd om met de achterkant van een haarborstel een spijker in de muur te slaan kan dit deze patiënt, ondanks de simpele instructie, wel eens meer problemen opleveren dan verwacht. Hij begrijpt de opdracht wel, maar hij is geneigd om, zodra hij de haarborstel in zijn hand heeft, zijn haar te gaan kammen. Dat komt omdat de handeling van haar kammen met een haarborstel zo geautomatiseerd is dat hij deze moeilijk kan onderdrukken.

De rol van flexibiliteit is veel onderzocht met experimenten waarbij deelnemers regels moeten toepassen (bijvoorbeeld, reageer steeds op een kleur) en hier feedback over krijgen (goed of fout). Nadat de deelnemer een tijd volgens de kleurregel heeft gereageerd, wisselt de regel onaangekondigd. Het is de bedoeling dat de deelnemer de ‘feedback’ gebruikt om de nieuwe regel te vinden. Zij krijgen bijvoorbeeld negatieve feedback van de proefleider als ze op de kleur van een plaatje reageren (namelijk, de proefleider geeft aan dat het antwoord fout is), maar positieve feedback als ze op de vorm reageren (hier geeft de proefleider aan dat het antwoord goed is). De originele versie van deze taak heet de Wisconsin Card Sorting Task en is ontwikkeld in 1948. Er zijn echter vele nieuwe en aangepaste versies ontwikkeld van deze taak, waarmee werd geprobeerd verschillende vormen van flexibiliteit te meten. Een belangrijke bevinding bij deze experimenten is dat patiënten met schade aan de frontale cortex zoals verwacht meer moeite hebben om flexibel te wisselen naar een nieuwe regel. Echter, zij kunnen de proefleider wel vertellen wat de nieuwe regel moet zijn. Het lijkt erop dat hun handelingen niet luisteren naar de kennis die zij over de taak hebben. Dit kan komen doordat de kennis over de taak in een ander hersengebied gerepresenteerd is dan de handelingen die worden vereist.

Jonge kinderen lijken in hun gedrag veel op patiënten met schade aan de frontale cortex, zij hebben ook moeite met flexibel wisselen tussen regels. Als aan een driejarige bijvoorbeeld wordt verteld om plaatjes te sorteren op vorm (de bloemen gaan op de bloemenstapel en de vrachtwagens gaan op de vrachtwagenstapel), dan kunnen zij deze taak vrij goed uitvoeren. Toevallig is het zo dat de plaatjes soms rood en soms blauw zijn, maar daar hoeven ze niet op te letten. Nu wisselt de opdracht en wordt de driejarige gevraagd om niet meer te letten op de bloemen en de vrachtwagens, maar op de kleur van het plaatje. De rode plaatjes gaan op de rode stapel en de blauwe plaatjes gaan op de blauwe stapel. De driejarige kan deze regelwisseling goed begrijpen en kan deze ook uitleggen aan de proefleider (‘nu ga ik letten op kleur, rood gaat bij rood en blauw gaat bij blauw’). Maar als de taak moet worden uitgevoerd, dan blijven zij sorteren op basis van de eerder aangeleerde regel (bloemen bij bloemen, vrachtwagens bij vrachtwagens). Dit is heel opmerkelijk, omdat ze wel begrijpen wat de nieuwe regel is. Er is als het ware een tweedeling tussen weten en doen, net als bij patiënten met schade aan de frontale cortex. Vierjarige en vijfjarige kinderen kunnen deze taak al veel beter uitvoeren. Dit betekent dat een belangrijke verandering plaatsvindt in flexibiliteit in de vroege kindertijd. Toch blijkt dat volledige flexibiliteit nog niet is ontwikkeld tot op zijn minst vijftien jaar.

De verschillen tussen vijftienjarigen en volwassenen zijn veel minder groot dan de verschillen tussen driejarigen en volwassenen, maar nog steeds blijven adolescenten vaker ‘hangen’ in de regel die voorheen correct was.

 

De hersengebieden die belangrijk zijn voor flexibiliteit hebben we in het Leidse laboratorium nader bekeken. We weten op basis van f MRI -bevindingen dat er twee hersengebieden in de frontale cortex belangrijk zijn wanneer volwassenen leren van feedback over hun eigen gedrag. Beide gebieden zijn gehuisvest in de frontale cortex. Maar hoe ontwikkelen die zich eigenlijk en hoe communiceren ze met elkaar?

In ons eigen laboratorium onderzochten we hoe acht- tot elfjarige kinderen, veertien- tot vijftienjarige adolescenten en jongvolwassenen leerden van feedback over hun eigen gedrag als ze flexibel moesten wisselen tussen regels. Feedback die aangaf dat het voorafgaande gedrag fout was, activeerde de twee hersengebieden in de frontale cortex die te maken hebben met doelgericht gedrag. Namelijk, de dorsale laterale prefrontale cortex en een gebied in het midden van de frontale cortex, de anterior cingulate cortex genaamd. Het laatste gebied wordt ook wel het alarmgebied van de hersenen genoemd, omdat het actief wordt als mensen fouten maken. Belangrijk was dat een aantal gebieden die een rol spelen bij de taak al vroeg een volwassen niveau bereikten. Maar de dorsale laterale prefrontale cortex en de anterior cingulate cortex waren nog niet op volwassenenniveau bij veertien- en vijftienjarigen. Dus, de gebieden die belangrijk zijn voor doelgericht gedrag bij volwassenen zijn bij jongeren nog steeds in groei tot in de late adolescentie. Er is echter wel een lichtpuntje: hoewel jongeren minder hersenactiviteit lieten zien na het krijgen van negatieve feedback, bleek dat zij juist meer hersenactiviteit vertoonden dan volwassenen na het krijgen van positieve feedback. Blijkbaar zijn de hersenen van jongeren meer gericht op het krijgen van stimulans en bevestiging, maar kunnen zij minder met straffen en afkeuring.

 

Illustratie van feedback in een flexibiliteitstaak, waarbij deelnemers van regel moeten wisselen als ze negatieve feedback krijgen (links). Bij het krijgen van negatieve feedback worden de dorsolaterale prefrontale cortex en de anterior cingulate cortex actief (boven), die een belangrijke rol spelen bij het aanpassen van je gedrag. De mate van activiteit in deze gebieden neemt nog toe gedurende de adolescentie. Gebaseerd op resultaten uit Crone et al. (CABN, 2008).

 

Hoe zit het dan in de hersenen van Suzanne? Als zij op dinsdag voor het bord wordt gehaald bij wiskunde om haar sommen uit te schrijven, wenst ze dat ze de dag ervoor een wat betere planning had gemaakt. Hoewel haar schrift leeg is, probeert ze toch maar wat. Terwijl ze de som uitschrijft krijgt ze van de leraar te horen dat oplossing A niet goed is. Over een paar jaar zal haar frontale cortex hard genoeg werken om te weten dat ze som B dan op een andere manier moet oplossen, maar op dit moment zijn haar hersenen hier nog niet optimaal op ingesteld; bij som B gaat ze weer in de fout. Teleurgesteld gaat Suzanne terug naar haar plaats. Haar klasgenoot wordt vervolgens gevraagd om som C en D op te lossen. Ook deze klasgenoot heeft gisteren haar prioriteiten niet bij wiskunde gelegd en ook zij moet op goed geluk aan de gang. De klasgenoot zit echter op een beter spoor; som C weet zij correct op te lossen. De leerkracht prijst haar hiervoor en zegt haar dat ze de som helemaal goed heeft gemaakt. Nu gaat haar frontale cortex hard aan de slag, dit betekent dat ze som D op dezelfde manier moet oplossen. Met succes, zij maakt de som foutloos en iedereen is tevreden. Het heeft dus meer effect om te prijzen voor wat goed is gedaan dan afkeuring te tonen voor wat niet goed is gedaan, want de hersenen van pubers reageren sterker op positieve signalen.

 

Rekenen: goochelen met getallen

 

Sam zit in de brugklas en heeft het erg naar zijn zin. De overgang van de basisschool naar de middelbare school is hem alles meegevallen en ook de hoeveelheid huiswerk is goed te doen. Hij vindt Engels het leukst, hier is hij goed in omdat hij vaak naar Amerikaanse series kijkt op tv. In tegenstelling tot Engels háát hij wiskunde! Rekenen was op de lagere school al niet zijn favoriete vak, maar toen hielp de meester hem nog wel eens met de moeilijke opgaven. De wiskundeleraar op de middelbare school is helemaal niet zo aardig, hij vindt dat Sam beter zijn best moet doen of bijles moet nemen. Maar waar moet hij die tijd vandaan halen? Sam bewaart zijn huiswerk voor wiskunde daarom ook altijd tot het laatst, waardoor het vaak gebeurt dat hij er helemaal niet meer aan toe komt. Het liefst zou hij wiskunde nu meteen uit zijn lessenpakket gooien.

Rekenen is waarschijnlijk een van de grootste struikelblokken in het onderwijs, zoals het voorbeeld van Sam illustreert. Opmerkelijk genoeg is er over de hersengebieden die belangrijk zijn voor rekenen heel weinig bekend. Dit is waarschijnlijk omdat het zo’n complexe vaardigheid is. Het is belangrijk om nummers te herkennen, te weten hoe deze in relatie tot elkaar staan, een ruimtelijke voorstelling te kunnen maken van hoeveelheden en complexe manipulaties op deze getallen te kunnen uitvoeren om tot een nieuwe uitkomst te komen. Onderzoekers houden zich op dit moment bezig met vragen als: is er een hersengebied dat belangrijk is voor het begrip van cijfers? Waardoor ontwikkelt de vaardigheid om met getallen om te kunnen gaan? Welke hersengebieden zorgen ervoor dat we een rekensom kunnen uitvoeren? Zijn er bepaalde risicofactoren waarom iemand wel of niet goed leert rekenen? Zijn er bepaalde periodes in de ontwikkeling waarin het makkelijker of moeilijker is om te leren rekenen? Voor jongens als Sam is het belangrijk dat er op dit soort vragen een antwoord wordt gevonden.

De eerste stapjes in de richting van deze antwoorden worden nu gezet. We weten op basis van onderzoek bij volwassenen, dat we voor het uitvoeren van simpele optel- en aftreksommen een beroep doen op de parietale cortex. Dit is een gebied achter in het brein dat ook belangrijk is voor ruimtelijke representatie (zoals de weg vinden). Zowel beschadiging aan de frontale cortex als aan de parietale cortex kan zorgen voor grote problemen met rekenen. Het is nog niet goed bekend wat de precieze rol is van beide gebieden bij het uitvoeren van rekensommen, maar het meeste bewijs toont aan dat getallen gerepresenteerd worden in de parietale cortex en dat de frontale cortex belangrijk is voor het actief houden van deze getallen in gedachten. De onderlinge verbindingen tussen deze gebieden zijn daarom ook heel belangrijk. Deze zijn nog onderhevig aan veranderingen tot ver in de adolescentie.

Wanneer jongeren tussen de acht tot zeventien jaar wordt gevraagd om simpele sommen te maken in een f MRI -scanner, gebruiken ze de parietale cortex ook, maar minder sterk dan volwassenen. In tegenstelling tot volwassenen maken jongeren bij deze simpele sommen wel gebruik van de frontale cortex, mogelijk omdat zij een groter beroep moeten doen op controlefuncties (zoals werkgeheugen) om de rekensom uit te voeren. Hoe jonger, hoe meer er een beroep wordt gedaan op de frontale cortex. Hoe ouder, hoe meer er een beroep wordt gedaan op de parietale cortex. We denken dat dit betekent dat als je ouder wordt, het uitvoeren van simpele rekensommen steeds meer geautomatiseerd verloopt. Als je echter jong bent, moet de frontale cortex nog hard werken om te helpen de rekensom op te lossen. We weten nog niet goed hoe het zit met complexe rekensommen, maar mogelijk kunnen adolescenten deze pas goed uitvoeren als hun frontale cortex hier rijp voor is. Hier moeten onderzoekers nog veel over ontdekken. Tot die tijd moet Sam nog even doorbijten, en hopelijk krijgt hij de hulp en sturing van de wiskundeleraar die hij duidelijk nog nodig heeft.

 

Illustratie van hersengebieden die belangrijk zijn bij rekenen, namelijk de frontale cortex en de parietale cortex (linksboven). Deze hersengebieden worden actief als deelnemers wordt gevraagd om rekensommen te maken in de mri-scanner (rechtsboven). De activiteit in de frontale cortex neemt af naarmate deelnemers ouder worden,maar de activiteit in de parietale cortex neemt toe met toenemende leeftijd.Gebaseerd op resultaten uit Rivera et al. (CerebralCortex, 2005).

 

Taal: timing is belangrijk

 

Hoewel Sam moeite heeft met wiskunde, is hij steengoed in het leren van nieuwe talen. Hij sprak al een aardig woordje Engels voor hij aan de middelbare school begon, maar daar ontdekte hij dat hij ook andere talen goed kan leren; hij heeft zelfs een 9 als eindcijfer voor Frans. Bestaat er dan toch zoiets als een wiskunde- of een taalknobbeltje in de hersenen? Werkt Sams wiskundeknobbel gewoon minder goed dan zijn taalknobbel? Het idee van knobbeltjes is wat te simplistisch, maar onderzoeken tonen wel aan dat er, naast een hersennetwerk voor wiskunde, ook een apart hersennetwerk voor taal bestaat.

Rond 1860 deed de Franse arts Paul Broca onderzoek naar het brein en hij deed een bijzondere ontdekking over de lokalisatie van een taalgebied. Hij probeerde erachter te komen hoe mensen een taal leren. Hiervoor deed hij onderzoek naar patiënten met afasie; een aandoening die ertoe leidt dat mensen moeite hebben om te spreken. Een van zijn patiënten had een ernstige vorm van afasie, hij kon alleen ‘tan tan’ zeggen, terwijl hij wel begrip had van wat er om hem heen gebeurde. Patiënt ‘Tan’ overleed in 1861 en Broca deed vervolgens postmortem onderzoek in de hersenen van Tan. Een groot gedeelte van de linkerfrontale hersenhelft bleek beschadigd. Deze ontdekking leidde ertoe dat dit gedeelte van de hersenen werd gekarakteriseerd als belangrijk voor het spreken van taal ( Broca’s gebied genaamd). Een interessant gegeven is dat een ander gebied in het brein, achter in de temporale kwab, belangrijk is voor het begrijpen van taal, maar niet voor het spreken ervan. Met andere woorden, patiënten met beschadiging aan dit hersengebied (Wernickes gebied genaamd, naar de Duitse anatoom Carl Wernicke) kunnen vloeiend woorden uitspreken, alleen hebben deze woorden geen coherente betekenis. Taal wordt dus gerepresenteerd in verschillende gebieden van de hersenen die met elkaar samenwerken.

 

Hersengebieden die belangrijk zijn voor taalproductie en taalbegrip.

 

Het leren van taal is een uiterst complex proces dat gedeeltelijk geautomatiseerd verloopt en gedeeltelijk bewust wordt aangeleerd. We beginnen al heel vroeg met het leren van taal. Rond één jaar zeggen baby’s de eerste woordjes, tussen anderhalf en twee jaar is er een enorme toename in het aantal woorden dat kinderen leren (de vocabulary burst genaamd). In deze tijd leren kinderen tussen zeven en negen nieuwe woorden per dag. Rond drie jaar kunnen de meeste kinderen grammaticaal correcte zinnetjes maken van ongeveer vijf woordjes. Dit is ook de tijd dat de taalverwerking vooral in de linkerhemisfeer plaatsvindt. Voor deze tijd gebruiken kinderen nog beide hemisferen om taal te sturen. Het is duidelijk dat adolescenten al heel goed zijn in taal en dat het leren hiervan al veel eerder plaatsvindt. Omdat taal zo mooi de aanwezigheid van gevoelige periodes illustreert, wil ik er hier toch iets meer over zeggen.

Een gevoelige periode (of een kritische periode) is een tijd waarin kinderen makkelijker informatie leren. Jonge kinderen kunnen bijvoorbeeld gemakkelijker een nieuwe taal leren dan volwassenen, omdat zij een gevoelige periode hebben voor taalontwikkeling. Deze gevoelige periode komt voort uit reorganisatie van cellen en de structuur in het brein, waarin de hersengebieden die belangrijk zijn voor het leren van een taal extra flexibel zijn. De precieze mechanismen zijn nog onbekend, maar onderzoekers vermoeden dat dit komt door een toename in synaptogenesis in de temporaalcortex. De gevoelige periode is een periode waarin er een overproductie is aan grijze stof, die later weer afneemt zodat de gebieden hun functies effectiever gaan uitvoeren. Onderzoekers denken dat deze veranderingen samenhangen met de vaardigheid om een taal zonder accent te leren spreken. Dit betekent dat je in die periode optimaal gebruik kunt maken van dit hersengebied: tot zeven jaar kun je accentloos een tweede taal aanleren, maar vanaf acht tot tien jaar wordt dit steeds moeilijker.

Kinderen die tussen vier en zes jaar geïsoleerd zijn opgegroeid en geen toegang hebben tot gesproken of gebarentaal, blijken niet in staat om volzinnen te leren. Ons brein is wellicht klaar om een taal te leren bij de geboorte, maar de omgeving moet het brein vervolgens wel stimuleren om werkelijk de taal aan te leren. Dit wordt geïllustreerd in de trieste geschiedenis van Genie, een meisje dat in Los Angeles opgroeide in de jaren zestig. Op 4 november 1970 werd Genie gevonden, zij was toen dertien jaar oud, was 1,37 lang en woog 30 kilo. Genies moeder was blind en haar vader leed aan een ernstige depressie. Toen Genie twintig maanden oud was vertelde een arts de ouders dat Genie wat langzamer ontwikkelde dan andere kinderen. Op dat moment besloot haar vader dat zij mentaal geretardeerd was, en heeft hij haar tot haar dertiende opgesloten onder erbarmelijke omstandigheden. Zij leefde in totaal isolement en er werd nauwelijks met haar gecommuniceerd. Zij leerde niet lopen en kon geen vast voedsel doorslikken. Toen Genie dertien jaar was, besloot haar moeder bij haar vader weg te gaan en ging ze naar een instantie voor blinde personen om een uitkering aan te vragen; zij nam Genie mee. De maatschappelijk werker van de instantie dacht dat zij zes of zeven jaar oud was. Op het moment dat ontdekt werd dat Genie bijna veertien was, werd direct vastgesteld dat zij ernstig mishandeld en verwaarloosd was. Genie kon niet praten, maar kon wel enkele korte zinnetjes spreken zoals ‘stop it’ of ‘no more’.

Nadat hulpverleners zich over haar ontfermd hadden is Genie lange tijd begeleid door taaldeskundigen en psychologen. Genie kwam in een gastgezin terecht en ging naar speciale scholen. Zij leerde vriendschappen te sluiten met mensen in haar omgeving, om te spreken en zelfs te zingen. Maar ze heeft nooit geleerd taal te spreken zoals andere kinderen, haar zinnen bleven kort, en grammatica was heel moeilijk voor haar. Zij sprak zinnen als ‘Apple sauce buy store’ of ‘John come happy, John not come sad’. Onderzoekers concludeerden uit dit ongebruikelijke veldexperiment dat er een gevoelige periode is voor de ontwikkeling van taal. Genie kon nog wel andere vaardigheden aanleren, zoals lopen en springen, en intenties van andere personen begrijpen. Zij leerde ook veel nieuwe woorden en begreep wat anderen tegen haar zeiden. Grammatica moet echter jong zijn aangeleerd om het goed te kunnen toepassen. Genie woont nu in een verpleegtehuis voor ouderen in Californië.

Er is dus een periode in de ontwikkeling van kinderen waarin hun hersenen het meest optimaal functioneren om een taal te leren. Te vroeg aanleren heeft meestal geen zin, omdat de hersenen er dan nog niet ‘klaar’ voor zijn, maar te laat is ook schadelijk want dan is de gevoelige periode voorbij. Hetzelfde geldt voor het aanleren van een tweede taal. Na de gevoelige periode is het nog wel mogelijk om een tweede taal te leren, maar niet meer accentloos.

Er worden nu op basisscholen programma’s aangeboden om kinderen al jong in aanraking te laten komen met de Engelse taal. De effectiviteit van deze programma’s moet nog onderzocht worden, maar het is heel goed mogelijk dat de kinderen die op deze jonge leeftijd al Engels leren dit later accentloos kunnen spreken. Dit laatste kan natuurlijk alleen als de leraar of lerares de taal ook accentloos kan spreken, want anders leren de kinderen de taal op dezelfde manier te spreken als de leerkracht.

 

Ten slotte: wat maakt een brein intelligent?

 

Intelligentie is een uiterst complex begrip. Het bestaat uit verschillende deelprocessen, en er bestaan veel verschillende tests om intelligentie in kaart te brengen. Volgens twee Nederlandse onderzoekers – Wilma Resing en Pieter Drenth – moet intelligentie omschreven worden als ‘een conglomeraat van verstandelijke vermogens, processen, en vaardigheden’. Enkele deelvaardigheden die zij onderscheiden zijn:

 

1 – abstract kunnen denken,

2 – relaties ontdekken,

3 – problemen oplossen,

4 – regels ontdekken in ongeordend materiaal,

5 – met bestaande kennis nieuwe problemen oplossen,

6 – zelfstandig werken en leren zonder instructie nodig te hebben,

7 – flexibel aanpassen aan vereisten van de omgeving.

 

Het idee hierbij is dat intelligentie bestaat uit een aantal onafhankelijke factoren die samen een algemene intelligentie vormen.

Anderen, zoals Howard Gardner, spraken naar aanleiding van onderzoek niet alleen over meerdere deelprocessen die samen intelligentie vormen, maar ook over meerdere vormen van intelligentie. Zij veronderstelden dat iemand in de ene vorm van intelligentie heel sterk kan zijn en in de andere vorm juist niet. Gardner onderscheidde naast de gebruikelijke cognitieve vaardigheden (zoals taal, wiskunde en ruimtelijk inzicht) ook interpersoonlijke vaardigheden als vormen van intelligentie, zoals muziek, lichaamsbeheersing, zelfkennis, en kennis over natuur en milieu.

Weer andere onderzoekers beweerden dat het niet eerlijk is om intelligentie te meten met taken die een beroep doen op verbale vaardigheden omdat deze afhankelijk zijn van de scholing die iemand heeft gekregen. John Raven ontwikkelde met betrekking tot deze bewering de Raven Progressive Matrices-test, die alleen een beroep doet op algemene, cultuurvrije vaardigheden. Met cultuurvrij wordt bedoeld dat de test even moeilijk is voor kinderen uit Nederland, Amerika, Marokko en Zimbabwe, omdat het moeilijkheidsniveau niet wordt bepaald door eerdere leerervaringen of omstandigheden. In deze test is het de bedoeling dat de deelnemer een matrix met een missend element aanvult, door een van zes of acht antwoordmogelijkheden te kiezen. Volgens Raven kon op deze manier de intelligentie van verschillende culturen met elkaar vergeleken worden, of kon intelligentie in kaart worden gebracht van kinderen die geëmigreerd waren naar een ander land of doof waren.

Het is duidelijk dat er verschillende meningen bestaan over wat intelligentie precies is en hoe het gemeten moet worden, terwijl iemands intelligentie tegelijkertijd zo bepalend is voor schoolkeuzes en selectieprocedures. Hoe is dit mogelijk als we niet eens weten hoe we het moeten meten?

Gelukkig bestaan er ook overeenkomsten in de overtuigingen van wetenschappers over het begrip intelligentie. Over het algemeen wordt gesteld dat het begrip verschillende deelprocessen moet meten, het moet een stabiele waarde opleveren die op verschillende meetmomenten dezelfde uitslag moet geven, en er moet een hoge samenhang zijn met probleemoplossende vaardigheden.

Een veelgebruikte test om intelligentie bij kinderen, adolescenten en volwassenen vast te stellen is de Wechsler Intelligence Scale. Deze test bestaat uit elf subtests, waarvan zes tests een beroep doen op verbale vaardigheden, en vijf tests een beroep doen op performale (uitvoerende) vaardigheden. Zo kunnen een verbaal en een performaal intelligentiequotiënt ( IQ ) worden berekend die samen het algemene IQ opleveren (gemiddelde score is 100). Er zijn verschillende tests voor volwassenen en voor kinderen, en binnen iedere leeftijdsgroep kunnen de scores van een individu vergeleken worden met de scores van een normgroep.

 

Een groot longitudinaal onderzoek aan het National Institute for Health in de Verenigde Staten heeft gemeten hoe intelligentie samenhangt met hersenontwikkeling. Ongeveer tweehonderd tot driehonderd deelnemers tussen acht en achttien jaar werden gedurende een aantal jaren gevolgd. Er werden van de deelnemers ten minste twee hersenscans per individu gemaakt met ongeveer twee jaar tijd tussen de eerste en de tweede meting. Voor al deze kinderen en jongeren werd hun IQ bepaald op basis van de Wechsler Intelligence Scale for Children. Op basis van de scores op deze test werden zij ingedeeld in drie groepen: ‘superieure intelligentie’ (gemiddeld IQ tussen 121 en 149), ‘hoge intelligentie’ (gemiddeld IQ tussen 109 en 120) en ‘gemiddelde intelligentie’ (gemiddeld IQ tussen 83 en 108).

 

Grijze-stofontwikkeling in de frontale cortex voor kinderen met gemiddelde, hoge en superieure intelligentie. Voor kinderen met superieure intelligentie piekt de grijze stofdikte later dan voor kinderen met gemiddelde of hoge intelligentie. Gebaseerd op resultaten uit Shaw et al. (Nature, 2006).

 

De onderzoekers maten de dikte van de gehele cortex (hoeveelheid grijze en witte stof) gedurende verschillende fasen van de ontwikkeling, en voor de drie intelligentie groepen. Zij vonden, net als eerdere onderzoekers, dat met name de frontale cortex nog aan het rijpen is gedurende de adolescentie (dus: hoe ouder, hoe rijper de frontale cortex). Dit betekent dat er bij de jonge kinderen nog een toename is in de hoeveelheid grijze stof (meer gebruiksstof) en in de adolescentie een afname (meer efficiëntie). Maar zij vonden ook een opmerkelijk resultaat voor de drie intelligentiegroepen. Namelijk, hoe intelligenter het kind, hoe later de rijping van de frontale cortex plaatsvond. In de superieure intelligentie groep vond de piek in grijze stof pas plaats tussen elf en veertien jaar, terwijl voor de groepen met gemiddelde intelligentie deze piek al eerder plaatsvond. In eerste instantie lijkt deze bevinding tegenintuïtief, want de hersenen van minder intelligente kinderen leken meer op de hersenen van volwassenen dan de hersenen van superieur intelligente kinderen. Toch is dat niet zo gek. De superieur intelligente kinderen kunnen langer gebruikmaken van een grote hoeveelheid grijze stof, en deze leeftijdsfase kan mogelijk een gevoelige periode zijn voor de ontwikkeling van intelligentie. Dit betekent dat er verschillen zijn tussen kinderen in het tijdstip waarop zij het beste nieuwe informatie tot zich kunnen nemen en hoe lang de hersenen nog aan het rijpen zijn. Het ene kind leert misschien makkelijker om staartdelingen te maken als hij elf is, terwijl het andere kind dit pas goed kan leren als hij dertien is. Dit hoeft niet te betekenen dat het elfjarige kind slimmer is; het is goed mogelijk dat deze kinderen op achttienjarige leeftijd even slim zijn, maar dat de dertienjarige een laatbloeier is. Zijn hersenen ontwikkelen in een ander tempo, en maken een latere of langere ‘groeispurt’ door dan de hersenen van de elfjarige. Er is jammer genoeg op dit moment weinig ruimte voor deze individuele afstemming in het onderwijs. Meestal is dit niet zo erg; als jongeren wat achterblijven op wiskunde of natuurkunde worden ze wat bijgespijkerd, of wellicht doen ze het weer wel goed op andere vakken. Het is echter wel problematisch bij tests waarop toekomstige schooltrajecten worden gebaseerd, zoals de Cito-toets. Omdat deze tests altijd op een vast tijdstip worden afgenomen, is het mogelijk dat jongeren naar het verkeerde schooltype worden gestuurd, simpelweg omdat zij laatbloeiers zijn en hun hersenen wat later in de ‘groeispurt’ komen.

 

Samengevat

 

We hebben hierboven gezien dat hersengebieden die belangrijk zijn voor controlefuncties nog ontwikkelen tot in de adolescentie. Ook bestaan er gevoelige periodes in de ontwikkeling, waarin het makkelijker is om een bepaalde vaardigheid aan te leren. Deze periodes zijn vooral in kaart gebracht voor het leren van taal, maar waarschijnlijk zijn deze periodes er ook voor de andere functies die hierboven staan beschreven, zoals werkgeheugen of flexibiliteit.

We hebben ook ontdekt dat verschillende gebieden verschillende ontwikkelingstrajecten volgen. Het is goed om een vaardigheid aan te leren in een gevoelige periode, maar het heeft niet zo veel zin om vaardigheden aan te leren op momenten dat de hersenen daar nog niet klaar voor zijn. Het is overigens niet zo dat een volwassenenbrein niet meer flexibel is. We kunnen als volwassenen ook nog steeds nieuwe informatie leren, maar het gaat niet zo snel meer als bij jongeren.

Een van de open vragen in het onderzoek naar de rijping van hersengebieden blijft de controverse tussen rijping en oefening. We veronderstellen dat kinderen bepaalde hersengebieden nog niet goed gebruiken omdat de zenuwcellen nog niet efficiënt genoeg werken, of omdat de connecties nog niet zijn gelegd. Anderzijds is het mogelijk dat kinderen simpelweg minder oefening hebben gehad dan volwassenen. Zou het mogelijk zijn om kinderen met heel veel oefening net zo goed te laten presteren als volwassenen? Deze vragen zijn moeilijk te beantwoorden, maar roepen op hun beurt ook weer spannende vragen op over de flexibiliteit van het brein. Zoals een atleet zijn lichaam traint, zo is het misschien ook mogelijk om je hersenen te trainen en superieur te worden in werkgeheugen of flexibiliteit.

Als het mogelijk is om je werkgeheugen te trainen, en als er een optimale periode is om werkgeheugen te trainen, dan zou je daar veel aan kunnen hebben, want werkgeheugen is belangrijk voor bijna alle schoolvaardigheden. Tegelijkertijd weten we ook dat we niet van iedereen een Mozart kunnen maken, dus welke hersengebieden precies wel en niet te trainen zijn, daar komen we in de toekomst pas achter. Onder andere deze vragen worden momenteel onderzocht in het Leidse Brain & Development Laboratorium.

 

In dit hoofdstuk heb ik geprobeerd uit te leggen wat we weten over het zich ontwikkelende adolescentenbrein, en hoe we deze informatie kunnen relateren aan wat we van adolescenten kunnen verwachten in het klaslokaal. Het is belangrijk om in de toekomst onze resultaten goed te communiceren met leerkrachten, want helaas heeft de opkomst van educational neuroscience ook geleid tot het ontstaan van zogenaamde neuromythen. Een neuromythe is gebaseerd op een verkeerd geïnterpreteerde bevinding uit hersenonderzoek. Een voorbeeld hiervan zijn zogenaamde trainingsprogramma’s voor de hersenen die erop gericht zijn om het brein sneller en beter te maken, maar die op geen enkele manier wetenschappelijk zijn onderbouwd.

De interesse van leerkrachten om te leren over het zich ontwikkelende brein is overduidelijk, leerkrachten zoeken naar informatie hierover en wetenschappers kunnen ouders en leerkrachten enthousiast maken voor wetenschappelijk onderzoek. In de toekomst zouden leerkrachten, ouders en wetenschappers nog dichter bij elkaar kunnen komen door discussiebijeenkomsten en informatiedagen. De eerste stappen hiertoe worden momenteel gezet.

 

In dit hoofdstuk kwam cognitief functioneren alleen aan de orde in een gecontroleerde situatie. Het mag overduidelijk zijn dat we in het dagelijkse leven in onze keuzes en beslissingen worden beïnvloed en soms zelfs worden gestuurd door emoties, vrienden en familie. Deze invloeden zijn zeer belangrijk in de adolescentie en ook terug te voeren op veranderingen in het brein, en daarom is het emotionele brein de focus van het volgende hoofdstuk.