Hersenwetenschap

Hoe een artikel van Albert Einstein uitkomst biedt voor een hardnekkige controverse in de neurowetenschap

Beeld AP

Een artikel van Albert Einstein in The Times precies honderd jaar geleden biedt uitkomst voor een hardnekkige controverse in de neurowetenschap, zeggen filosoof Henk de Regt en neurowetenschapper Benjamin Drukarch.

Honderd jaar geleden stapte astronoom Arthur Eddington beladen met telescopen, lenzen en fotografische platen aan boord van het schip Anselm. Eindbestemming: het eiland Principe, voor de westkust van Afrika. Er was een zonsverduistering voorspeld. Hoewel het ’s ochtends zwaar onweerde konden Eddington en zijn assistent een aantal goede foto’s maken.

Deze foto’s zijn nu legendarisch, omdat ze het eerste bewijs vormden voor Einsteins relativiteitstheorie. Ze toonden aan dat het licht van sterren die achter de zon staan, door de zwaartekracht van de zon worden afgebogen.

De jubelstemming was de aanleiding voor dagblad The Times Einstein te vragen zijn relativiteitstheorie nog eens uit te leggen aan het grote publiek. In dat artikel legde Einstein niet alleen zijn relativiteit uit, maar maakte hij en passant onderscheid tussen twee verschillende soorten wetenschappelijke theorieën.

“Het onderscheid dat hij toen maakte wordt nu nog veel gebruikt door filosofen”, zegt Henk de Regt, hoogleraar wetenschapsfilosofie aan de Radbouduniversiteit in Nijmegen. De Regt en Benjamin Drukarch, die als neurofarmacoloog verbonden is aan het Amsterdam Universitair Medisch Centrum, denken dat Einsteins idee gebruikt kan worden voor het oplossen van een controverse in de neurowetenschap.

Hete pan

Die kwestie heeft te maken met hoe neuronen – zenuwcellen – werken. Zenuwen geven signalen in het lichaam door. De informatie van buiten ons lichaam wordt door de zenuwcellen vertaald naar lichamelijke reacties. Ze zijn ervoor verantwoordelijk dat je je hand terugtrekt als je een hete pan aanraakt, en dat je hart sneller gaat kloppen wanneer je je geliefde ziet.

In de biologieles, maar ook in de wetenschappelijke literatuur, worden die signalen omschreven als een elektrisch fenomeen. De zenuwcellen zijn een beetje als stroomkabels, wordt er dan gezegd: ze gebruiken elektriciteit om met elkaar te praten. Maar er zijn ook experimenten gedaan die suggereren dat zenuwcellen nog ándere talen gebruiken. Ze gebruiken warmte, licht en mechanische seintjes om signalen aan elkaar door te geven (zoals: ‘De pan is heet – trek je vinger terug’).

Die nieuwe vondsten passen echter niet zomaar in de bestaande theorie die alleen maar de ‘elektrische taal’ kan verklaren. Vandaar dat een alternatieve theorie is bedacht.

De Regt: “Het knettert tussen de wetenschappers. Niet iedereen staat open voor de nieuwe theorie, sommigen willen de nieuwe ideeën niet eens serieus nemen.” De gevestigde theorie is natuurlijk niet zonder reden zo wijdverbreid. Drukarch: “Het was een heel succesvolle theorie, omdat de bedenkers ervan, Alan Hodgkin en Andrew Huxley, veel experimenten heel aardig konden verklaren.” 

Voor hun experimenten gebruikten ze zenuwcellen van inktvissen, die veel groter zijn dan menselijke zenuwen, legt Drukarch uit. Daarmee kun je heel makkelijk experimenteren.

De theorie van Hodgkin en Huxley werd bevestigd door andere onderzoekers, zegt Drukarch. “Er vond een zelfversterkend effect plaats, omdat toen ook alleen maar instrumenten beschikbaar waren om elektrische verschijnselen goed waar te nemen. De techniek voor het meten van bijvoorbeeld mechanische verschijnselen liep erg achter. De technologie heeft in feite geholpen om het elektrische raamwerk in stand te houden.”

Barstjes

Toch waren er van begin af aan al barstjes in het raamwerk te vinden, leggen Drukarch en De Regt uit. Drukarch: “Toen Hodgkin en Huxley in 1963 de Nobelprijs wonnen voor hun onderzoek, refereerden ze er in hun toespraak in Stockholm al aan dat er onverklaarde aspecten waren die verder onderzoek vergden.

“Het is niet zo dat het oude model helemaal niet klopt. Het is belangrijk dat te beseffen. Elektriciteit speelt een heel belangrijke rol, maar zij is een manifestatie van een signaal dat uit veel componenten bestaat, en dat we voor een groot gedeelte nog niet goed in beeld hebben.”

De verschillende modellen lijken onverenigbaar, omdat ze verschillende kanten (elektrisch, thermisch, mechanisch) beschrijven van hetzelfde fenomeen (signaaloverdracht tussen zenuwcellen). De Regt en Drukarch betogen dat die intuïtie klopt: het streven naar een overkoepelende theorie is vruchteloos. De Regt: “Er zijn wel pogingen gedaan, maar je ziet dat het maken van zo’n overkoepelend model eigenlijk niet lukt omdat bepaalde onderdelen onverenigbaar zijn, en omdat de verschillende modellen verschillende idealisaties bevatten.”

Elk model bevat idealisaties. Een model is te zien als een versimpeling van de werkelijkheid, waarmee we een deel van de wereld kunnen begrijpen en er ook berekeningen op los kunnen laten. Hij legt dat uit aan de hand van verschillende modellen van water.

De Regt: “Water kennen we allemaal. Het heeft allerlei eigenschappen en kan zich op verschillende manieren gedragen. Als je het hebt over rivierstromen kun je water het beste zien als continue substantie, als een vloeistof. Daarmee kun je iets zeggen over turbulentie, bijvoorbeeld. Een andere eigenschap van water is dat een klontje suiker of wat zout erin oplost. En het oplossend vermogen kun je beter verklaren als je water beschouwt als losse deeltjes.”

Elk van de verschillende modellen van water zegt iets over hoe het zich gedraagt. Maar de verschillende modellen kunnen niet samengevoegd worden. Net zoals bij de zenuwcellen.

Drukarch: “De vergelijking met water gaat zelfs nog verder, want het ­elektrische model is een microscopische benadering.” Oftewel, een die kijkt naar moleculen in en om de zenuwcel. Het Hodgkin-Huxleymodel gaat uit van moleculaire ‘poortjes’ aan de buitenkant van de zenuwcellen die elektrisch geladen deeltjes door kunnen laten. “Het nieuwe model dat rekening houdt met warmte, is een macroscopische benadering die een signaal meer als een drukgolf beschouwt.” 

Uiteindelijk bestaat de theorie van zenuwcommunicatie uit een mozaïek van verschillende modellen, die elk een aspect van de communicatie, of een specifieke taal, uitlichten. De verschillende perspectieven kunnen allemaal nuttig zijn, ook al zijn ze niet te verenigen in één grote theorie.

Einstein

Terug naar Einstein. Waarom is het artikel van de wereldberoemde natuurkundige nuttig voor deze twist binnen de hersenwetenschap? 

De Regt: “Einstein introduceert een onderscheid tussen twee soorten theorieën, principiële theorieën aan de ene kant en constructieve theorieën aan de andere kant. Dat was een hele originele gedachte, een wetenschapsfilosofisch idee.”

“Constructieve theorieën beginnen met speculatie, bijvoorbeeld: er bestaan atomen. Dat volgt niet uit de waarneming of experimenten, het is meer theoretische speculatie over hoe de natuur op het diepste niveau in elkaar zit. En op basis van die speculatie kun je dan gaan redeneren. Als er atomen zijn en ze gedragen zich volgens de natuurwetten, dan kunnen we nieuwe wetten afleiden.”

Een principiële theorie gaat juist uit van de waarneming. Je observeert dat de natuur zich op een regelmatige manier gedraagt, en daaruit leid je algemene principes af – vandaar de naam. De relativiteitstheorie van Einstein die Eddington met zijn waarnemingen bewees, was zo’n theorie.

“De theorie van Hodgkin en Huxley was een constructieve theorie”, zegt De Regt. Die gaat uit van het idee dat neuronen werken als een elektrisch circuit, en daaruit worden wiskundige formules afgeleid die beschrijven hoe de neuronen precies met elkaar communiceren. De nieuwe theorie gaat echter uit van experimentele data, en leidt daar uit af dat zenuwcellen verschillende talen hebben.

Twee perspectieven

Wat moeten neurowetenschappers hier nou mee? De Regt: “We willen laten zien dat er twee perspectieven mogelijk zijn, afhankelijk van je interesse of de context. Het interessante is dat Einstein geen oplossing biedt. Hij zegt niet dat de ene benadering beter is dan de andere. En dat biedt ook weer ruimte om ermee verder te gaan.”

Einsteins onderscheid laat in de eerste plaats zien dat de twee modellen – het Hodgkin-Huxleymodel en het nieuwe model – onverenigbaar zijn omdat het twee verschillende soorten theorieën zijn. Aan de andere kant geeft het ook ruimte om te denken over de zenuwceltheorieën als over de mozaïektheorie van water: elk van de modellen belicht een ander aspect van de signaalverwerking van zenuwen. Drukarch: “Het onderscheid helpt de verschillende partijen in de discussie elkaar te begrijpen, en zo het debat te stimuleren. Je ziet nu dat de onderzoekers langs elkaar heen praten, omdat ze elkaars taal niet spreken.”

Lees ook:

Hoe een Britse quaker een ware ster van Einstein maakte

De zonsverduistering van 29 mei 1919 bevestigde de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein. Maar het was nog geen gelopen race.

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2019 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden