Informatieverwerking: ons brein is niet altijd nodig

Veel gedragswetenschappers stellen zich voor dat we leren door waarnemingen en ervaringen in ons brein vast te leggen in modellen. Zo’n model van informatieverwerking geeft weer hoe wij denken dat de wereld in elkaar steekt. We gebruiken het om te voorspellen wat er zal gebeuren als we iets doen.

Likken aan een ijsje bijvoorbeeld. Dat geeft een lekkere smaak in de mond, voorspelt zo’n model in ons hoofd, totdat we eens een vies groen ijsje eten. Dan passen we het model, onze kijk op de werkelijkheid aan. Onze voorspelling dat alle ijsjes een lekkere smaak geven, blijkt niet te kloppen. Dus we blijven voortaan van groene ijsjes af. Voor cognitieve processen zoals het leren van een taal hebben wetenschappers in de afgelopen eeuw tal van modellen opgesteld. Het brein wordt daarin niet zelden beschouwd als een soort computer. 

Informatieverwerking bij bewegingen

Ook motorisch zou kunnen werken met zo’n model van informatieverwerking. Psychologen spreken van een ‘interne representatie van de werkelijkheid’. Als we tegen een bal slaan of schoppen zouden onze hersenen dat model, deze interne representatie, gebruiken om de verwachte richting van de bal te voorspellen. Pakt de balbaan in werkelijkheid anders uit, dan stellen we op basis van deze feedback het model in ons hoofd een beetje bij. Elke keer dat we oefenen zouden onze hersenen dat bewegingsmodel iets verbeteren. Tenslotte hebben we in ons hoofd een perfect model dat onze bewegingen precies goed voorspelt.

Het klinkt plausibel. Maar laten we eens bedenken hoe dat bij werkt bij een profvoetballer die probeert een doelpunt te maken. Bij het stiften van een bal over de keeper voelt de aanvaller de stand van zijn benen en lichaamshouding. Op basis van een interne representatie voorspelt hij snelheid en richting van een schot. Zeilt het stiftje over de lat, dan moet de voetballer zijn romp en heupzwaai een klein beetje aanpassen. Als hij maar lang genoeg traint of doelbewust oefent in de termen van de Zweeds-Amerikaanse wetenschapper Anders Ericsson dan voorspelt het model in zijn hoofd het resultaat van zijn schot steeds beter. Uiteindelijk zeilt elk stiftje in het doel. 

Met ontelbare modellen raakt het brein overvol

Maar er zijn problemen met dat concept van een model in ons hoofd. We hebben gezien dat geen doelpunt ooit hetzelfde is. Daarom zou er in het hoofd van een voetballer een ontelbaar aantal modellen nodig zijn. Elk specifiek doelpunt kent zijn eigen specifieke omstandigheden. Voor elke andere beweging of zuchtje wind zou weer een ander model nodig zijn. Dat geldt ook voor elke tegenwerking van een verdediger, elke positie van de keeper. Het is een vreemde voorstelling van zaken, want ons brein zou overvol raken.

Bovenop de variabiliteit van de omstandigheden komt nog de waanzinnige complexiteit van het menselijk lichaam. Laten we opnieuw kijken naar een voetballer die probeert op het doel te schieten. Het menselijk been draait rond zes assen: drie in de heup, één in de knie en twee in de enkel. Dat resulteert al in enorm veel bewegingsmogelijkheden. Daarbovenop komen nog de 66 beenspieren die deze gewrichten besturen. En dan bestaat elke spier nog eens uit honderden microscopisch kleine motoreenheden. Die zijn elk weer opgebouwd uit spiervezels en aangestuurd door zenuwcellen. Duizelt het u al? We zoomen nog iets verder in. Want elk van die zenuwcellen zendt elektrische signalen uit via talloze geladen moleculen die het celmembraan in en uit stromen. De baan van een ruimtevoertuig berekenen is een makkie in vergelijking met het opstellen van een model voor de aansturing van een schietende voetballer.

Het probleem van de ontelbare vrijheidsgraden

Of we nu een bal raken of een deur openen: ons lichaam heeft eindeloos veel mogelijkheden om dat te doen. Bewegingswetenschapper Nikolai Bernstein benoemde dit probleem dat voor mens en dier een oneindig aantal oplossingen bestaan om een beweging uit te voeren. In de neurowetenschappen en onderzoek naar motorisch leren heet dit het probleem van de ontelbare vrijheidsgraden (degrees of freedom problem of motor equivalence problem). 

In de praktijk is duidelijk dat er allerlei bewegingen bestaan waarover ons brein niet de regie over voert. Onze ademhaling bijvoorbeeld, en allerlei reflexen. Bij een reflex nemen we iets waar en volgt er een reactie via een signaal door onze ruggengraat. Denk aan de terugtrekkende beweging van een hand die het vuur raakt (pijnreflex). Denk aan het optillen van ons been als we over een drempel struikelen. Of aan de voorwaartse schop die de dokter uitlokt met een tik van zijn hamertje op onze knie (kniereflex). 

Ook om te lopen is informatieverwerking in onze hersenen niet altijd nodig. Misschien is het dan ook geen toeval dat topvoetballers zoals de Uruguayaanse spits Luis Suarez hun intuïtieve spel beschrijven in de vorm van reflexen. Een kip zonder kop loopt niet voor niets nog even door.

Het model voor motorisch leren van Richard Schmidt

De Amerikaanse bewegingswetenschapper Richard Schmidt onderkende het probleem van de ontelbare modellen die nodig zouden zijn voor informatieverwerking in ons hoofd bij het motorisch leren. Misschien, bedacht hij, hebben mensen niet een apart model nodig voor elke beweging. In plaats daarvan zouden onze hersenen een algemeen programma kunnen gebruiken dat we aanpassen al naar gelang de omstandigheden.

We stellen ons een voetballer voor die een schot op doel wil lossen. Om hard en gericht te schieten zou de voetballer vanuit zijn brein eerst een signaaltje – een impuls – kunnen sturen naar zijn heup, dan naar zijn bovenbeen en dan naar zijn onderbeen. Zo zou een vloeiende keten ontstaan die zijn voet hard naar voren zwiept. Volgens het idee van Schmidt zou de volgorde van deze impulsen in de hersenen kunnen vastliggen. Als op een langspeelplaat die elke keer hetzelfde muziekje afdraait. Al naar gelang de omstandigheden zou dat aansturingsprogramma versneld of krachtiger kunnen worden afgespeeld. 

Niet alle motorische informatieverwerking gebeurt in ons brein

Toch lijkt het er niet op dat ons brein echt zo werkt. Lopen is in essentie een eenvoudige slingerbeweging. Dat bewijzen experimenten met speelgoedpoppetjes. Deze poppetjes bestaan uit een scharnier, het ‘heupgewricht’ en twee stijve rechte houtjes als ‘benen’. Zet zo’n poppetje boven aan een niet al te steile helling en het wandelt keurig ritmisch naar beneden. Lopen is een eenvoudige, zelfsturende beweging, waarvoor ons brein niet nodig is, tenminste niet altijd. 

Ons brein kan de regie over onze loopbewegingen wel voeren. Dat bewijzen gruwelijke experimenten met katten uit de jaren zestig van de vorige eeuw. Russische fysiologen hingen de dieren op aan een tuigje. Een stroomstootje in een specifiek deel van het brein bleek bij de katten een loopbeweging op te wekken.

Verandering in omgeving kan beweging aansturen

Maar ook een verandering in de omgeving kon de katten aan het lopen brengen. De wetenschappers bewezen dat door bij de katten de verbinding tussen de ruggengraat en het brein door te snijden. De arme dieren konden nu niet meer op hun poten staan. Toch maakten ze hangend in het tuigje nog wel een stappende loopbeweging wanneer hun poten in contact kwamen met een bewegende loopband. Op het moment dat de Russische wetenschappers de lopende band versnelden, schakelden de poten over van stappen naar een soort rennende pas. De conclusie? We kunnen ons loopritme aansturen vanuit ons brein, maar lopen is ook een reflex, een geautomatiseerde reactie op omgevingsverandering. Zowel de omgeving als het brein is in staat om kattenpoten in gang te zetten.

Informatieverwerking volgens Nikolai Bernstein

Het gruwelijke kattenexperiment sluit aan op het hiërarchische model van informatieverwerking van de Russische bewegingswetenschapper Nikolai Bernstein. Op het hoogste niveau van dat model heeft ons brein wel degelijk een belangrijke rol. Als we een doel willen bereiken, dan kan ons brein de opdracht geven. Om die opdracht uit te voeren moeten onze spieren en ledematen op de juiste manier samenwerken. Op dat tweede, lagere niveau is ons bewustzijn niet altijd nodig. Als een helling steiler wordt gaan onze benen vanzelf rennen, tenzij we zelf bewust ingrijpen. Als we struikelen, zoekt ons lichaam uit zichzelf razendsnel een nieuwe balans.

Synergieën leiden tot georkestreerde beweging

Nikolai Bernstein vond deze autonome samenwerking van onze ledematen bij een loopbeweging, struikelpartij of schot op doel zo belangrijk dat hij er een aparte term voor bedacht: synergieën. Leren bewegen was in zijn ogen het ontwikkelen van synergieën: het bewegen van verschillende spieren in onderlinge samenhang, elk op het juiste moment. Door spierbewegingen op elkaar af te stemmen, ontstaat uit een overvloed aan mogelijkheden één georkestreerde beweging. En dus niet een stereotiepe herhaling.

Synergieën zien we terug in de praktijk. In de typische manier waarop iemand een bal gooit bijvoorbeeld. Of in de kenmerkende loopbeweging waaraan we vrienden en bekenden vanaf een afstand herkennen. Bernstein heeft aangetoond dat synergieën weliswaar variabel zijn, maar stabiele resultaten opleveren. In de experimenten met hamersmeden hebben we gezien dat de hamer onder verschillende omstandigheden steeds op de juiste plek belandt. Dat gebeurt niet ondanks, maar dankzij de variatie in de bewegingen van de pols, elleboog en schouder. Schiet het ene gewricht uit het lood, door vermoeidheid of een onverwacht duwtje, dan zorgt de rest van de arm vanzelf voor correctie.

De zelfcorrigerende mechanismen in ons brein

De Italiaanse neurowetenschapper Emilio Bizzi toonde in een studie van eind jaren zeventig aan, dat impulsen vanuit het brein ook niet verklaren hoe apen hun arm bewegen in de richting van een lampje, in ruil voor een slokje sinaasappelsap. Zo’n reeks signalen vanuit de hersenen is voor de informatieverwerking geen realistisch model, omdat apen het lampje ook raken wanneer ze door een operatie hun armen niet kunnen voelen of zien. Volgens Bizzi is dat zelfherstellende mechanisme alleen te verklaren als onze armen werken als een soort zelfcorrigerend veersysteem, dat net als onze loopbewegingen niet alleen wordt aangestuurd vanuit ons brein.

Serieuze wetenschappers herzien hun theorieën in het licht van de feiten en Schmidt hoort in die categorie. Om het model van Bizzi de aansturing van bewegingen beter verklaart dan zijn eigen variabele aansturingsprogramma, bedacht hij een ingenieuze opstelling. Studenten moesten daarin hun hand richting een doel brengen, maar die beweging werd onverwacht werd verstoord. Denk aan een bokser die plotseling een duw krijgt tegen haar elleboog terwijl ze haar tegenstander op de neus probeert te raken. Wat blijkt? Zelfs met zo’n onverwachte verstoring komen mensen met hun hand nog dicht bij het doel. In de vergelijking met de bokser betekent het dat de vuist doel treft, zelfs als de arm bij de punch een tik krijgt van opzij.

Een systeem van veren treft doel

Schmidt noemt het in zijn studie ‘indrukwekkend’ dat alle resultaten uit zijn onderzoek de gedachte ondersteunen dat deze armbewegingen verklaarbaar zijn uit de mechanische eigenschappen van de arm zelf. Emilio Bizzi had gelijk. Net als bij katten en apen verklaart de aansturing vanuit het menselijk brein bewegingen slechts ten dele. Een deel van de informatieverwerking gebeurt in ons brein en niet in ons lichaam.

Een bewegende arm kunnen we ons voorstellen als een massa botten met spieren die werkt als een set veren. De veren in dat systeem springen bij verstoringen vanzelf terugs naar de uitgangspositie. Daar ligt de link met het de theorie van de externe focus van Gabriele Wulf. Het model van onze arm als een systeem van veren, robuust voor verstoringen, strookt immers perfect met haar theorie van de ingeperkte handelingsvrijheid. Als je zo’n systeem van veren op één plek vastzet, bijvoorbeeld bij de elleboog, dan haal je de automatische correctie eruit en daarmee de doelgerichtheid. Zo valt te begrijpen waarom sporters niet altijd gebaat zijn bij expliciete aanwijzingen