het gebruik van werktuigen is een essentieel onderdeel van ons dagelijkse leven. maar hoe komt het dat we sommige werktuigen bijna even goed controleren als onze eigen ledematen? doorheen de evolutie werd een mechanisme in de hersenen ontwikkeld – het lichaamsschema – dat ons in staat stelt om werktuigen te gebruiken alsof ze werkelijk deel uit maken van ons lichaam.
Werktuigen als ledematen
Wie herinnert zich Inspector Gadget nog, het tekenfilmpersonage dat te pas en te onpas verbazingwekkende werktuigen uit zijn lichaam laat verschijnen, zoals een telefoon, een hamer of een helikopter? Schoenveters binden met ‘gadget arms’ zonder je te moeten bukken, een ingebouwde drilboor in je vingers: handig is het wel, al die werktuigen zo meteen ‘bij de hand’. Het gebruik van werktuigen kan het dagelijkse leven oneindig veel gemakkelijker maken. Meer zelfs, mechanische hulpmiddelen laten ons toe om tal van manipulaties uit te voeren die anders volstrekt onmogelijk zouden zijn. Zaag maar eens een stuk hout door zonder zaag. Of probeer een schroef in te draaien zonder schroevendraaier. Tennisspelers kunnen door middel van een tennisracket hun arm als het ware ‘verlengen’ en hun racket zo goed beheersen dat ze zonder probleem een bal laten versnellen tot meer dan 150 km per uur, terwijl ze die toch perfect op het terrein plaatsen. Hartchirurgen maken met een indrukwekkende nauwkeurigheid en efficiëntie gebruik van scalpels en naalden.
Het lichaamsschema is niet alleen belangrijk voor het uitvoeren van bewegingen, maar ook voor het lokaliseren van sensorische prikkels
In tegenstelling tot ons ‘lichaamsbeeld’ (een bewust en vooral visueel bepaald ‘buitenzicht’ op ons lichaam) is het lichaamsschema een overwegend onbewuste representatie, die vooral gebruikt wordt voor de controle van allerhande bewegingen. Zelfs eenvoudige bewegingen zoals het grijpen van een koffiekop vereisen een precies samenspel, waarbij de gewrichten van schouder, elleboog, pols en vinger in de juiste verhouding tot elkaar komen te staan om het doelwit te grijpen. Dit is geen gemakkelijke taak: de arm alleen al telt meer dan vijftig spieren, en elke spier moet op het juiste moment met de juiste kracht worden geactiveerd. De nodige spieractiviteit is overigens niet alleen afhankelijk van de positie van de koffiekop, maar ook van de positie en de houding van de eigen arm. Hiervoor is het lichaamsschema essentieel: zo kunnen onze hersenen bijhouden of onze rechterarm aan het hoofd krabt of ontspannen op de keukentafel rust, en op basis van die informatie de meest efficiënte beweging naar het doelwit berekenen. Het lichaamsschema is niet alleen belangrijk voor het uitvoeren van bewegingen, maar ook voor het lokaliseren van sensorische prikkels. Bijvoorbeeld: als een vlieg op onze grote teen landt, veroorzaakt die een ‘tactiel’ signaal. Dankzij dit signaal herkennen onze hersenen automatisch de locatie. We kunnen, zelfs met de ogen dicht, aanduiden waar de vlieg zich bevond. Het plaatsen van sensorische prikkels in de ruimte is belangrijk om op de juiste plaats te kunnen krabben als onze huid jeukt, of de juiste arm weg te trekken als we een hete kookplaat raken.
Zoals we allen weten is het lichaam geen constant object doorheen de tijd, maar verandert het gradueel door groei, gewichtsveranderingen of fysieke training. Dergelijke uiterlijke ‘morfologische’ veranderingen lijken relatief weinig invloed te hebben op de efficiëntie waarmee we ons lichaam gebruiken. Dit suggereert dat ook het onderliggende lichaamsschema binnen de hersenen voortdurend gemodificeerd wordt. Lange tijd werd vermoed dat leren werken met werktuigen op een gelijkaardige manier kan zorgen voor veranderingen in het lichaamsschema.
Deze hypothese werd recent bevestigd in een interessant experiment over het uitvoeren van acties met of zonder werktuigen. In een eerste stap moesten proefpersonen verschillende objecten op een afstand van 35 cm op een natuurlijke manier grijpen. Daarna werden ze getraind om dezelfde objecten op dezelfde posities te grijpen, maar nu met een 40 cm lange mechanische tang die als een verlenging van de voorarm werkte. In eerste instantie veroorzaakte het gebruik van de tang een vertraging van de beweging, maar na een relatief korte training (minder dan vijftig bewegingen) leerden de proefpersonen het object zeer accuraat en efficiënt te grijpen met de tang. Het meest interessante resultaat was echter dat hoe efficiënter de proefpersonen werden met de tang, hoe minder efficiënt hun grijpgedrag werd zonder de tang. Na de training bleek grijpen met natuurlijke grip veel langzamer te gaan, alsof de proefpersonen minder vertrouwen hadden in hun beweging. Enkele minuten grijpen met de tang leek te leiden tot een snelle wijziging van het lichaamsschema, alsof de rechterarm ook echt langer geworden was. Meer nog, de training met de tang had niet alleen implicaties voor het uitvoeren van de beweging, maar ook voor de lokalisatie van tactiele stimuli op de arm. Voor en na de training met de tang werden de proefpersonen geblinddoekt en geprikkeld door een lichte aanraking ter hoogte van hun elleboog, pols of de top van de wijsvinger. Vervolgens werd hen gevraagd om een paar centimeter boven de arm aan te duiden waar zij de aanraking gevoeld hadden. Merkwaardig genoeg leidde de grijptraining met de tang ook tot een significante overschatting van de lengte van de voorarm. Dit resultaat wijst erop dat zelfs een relatief kortstondig gebruik van een werktuig kan leiden tot een uiterst snelle verandering van het lichaamsschema. Die verandering bleek ten minste tien tot vijftien minuten aan te houden.
Zelfs een relatief kortstondig gebruik van een werktuig kan leiden tot een uiterst snelle verandering van het lichaamsschema
Lang werd aangenomen dat het gebruik van werktuigen een overwegend menselijke eigenschap is. Het werk van primatologen als Jane Goodall heeft echter aangetoond dat ook chimpansees – de ons meest verwante primaten – gebruikmaken van hulpmiddelen die behoorlijk complex zijn. Bijna vijftig jaar geleden observeerde Goodall bij in het wild levende chimpansees het gebruik van takjes of twijgen om termieten te vangen uit een termietenhoop. Vandaag is een assortiment van ongeveer twintig verschillende werktuigen bekend die door chimpanseefamilies worden gebruikt bij het verzamelen van voedsel, het verzorgen van hygiëne of sociale interacties. Die technologie is soms van een indrukwekkende complexiteit. Chimpansees gebruiken bijvoorbeeld voorwerpen die aan emmer en spons, hamers en boren doen denken, en die bovendien in een welbepaalde volgorde gebruikt worden om een doel te bereiken. Zo zijn ze in staat om voorwerpen als hamer en aambeeld te combineren om op een zeer efficiënte wijze een noot te kraken. Het gebruik van werktuigen lijkt bovendien niet te berusten op toeval (omdat er toevallig een steen in de buurt ligt), of louter een gevolg van imitatie te zijn (omdat andere apen het doen). Chimpansees lijken veeleer doelbewust te kiezen voor hun werktuig in functie van de benodigde eigenschappen. Voor het kraken van noten wordt een steen gezocht die voldoende hard is en niet splintert. Ook het gewicht van de steen wordt geëvalueerd, en de aap zal de voorkeur geven aan een kleine maar zware steen in plaats van een grote lichte steen. Dit suggereert dat de aap begrijpt dat het gewicht en niet de grootte de essentiële eigenschap is voor het efficiënt kraken van een noot. Het gebruik van een reeks voorwerpen in een welbepaalde volgorde, de combinatie van complementaire voorwerpen en de bewuste keuze van het meest geschikte voorwerp voor een bepaalde taak, tonen aan dat wilde apen werktuigen doelbewust gebruiken.
Zoals eerder bij mensen werd ook bij apen aangetoond dat het gebruik van werktuigen het lichaamsschema kan veranderen. Voor dit experiment moesten apen over een periode van twee weken leren om met een korte hark nootjesdichter naar zich toe te trekken, die anders onbereikbaar waren. Voorafgaand aan deze leerfase werd de activiteit gemeten van bimodale visueel-tactiele neuronen, een speciale soort hersencellen die actief zijn als de hand van de aap aangeraakt wordt of als een voorwerp (bijvoorbeeld een noot) dicht bij de hand gezien wordt. Een voorwerp ver weg van de hand veroorzaakt echter geen activiteit in de cellen. Die bimodale cellen zijn vooral belangrijk om visuele informatie over de omgeving rond de hand en tactiele informatie op de hand te integreren. Ze werken als het ware als een ‘schijnwerper’ voor de hand, die grijpbare voorwerpen in de ruimte op en rond de hand opspoort. Als de hand zich verplaatst, zal ook die schijnwerper zich mee verplaatsen. Merkwaardig genoeg veroorzaakte de training met de hark een sterke verandering in het activiteitenpatroon van de ‘schijnwerper’-cellen. Eens de aap had geleerd ook nootjes te bereiken die voordien onbereikbaar waren, bleken die cellen ook de ruimte te vergroten waarin de aanwezigheid van een grijpbaar voorwerp geregistreerd werd. Niet alleen voorwerpen dicht bij de hand veroorzaakten nu activiteit, maar ook de aanwezigheid van voorwerpen dicht bij het einde van de hark leidde tot een sterke ontlading van de cellen. Met andere woorden, het werktuig leek daadwerkelijk te worden geïntegreerd in het lichaamsschema van de hand van de aap.
Welk deel van de hersenen stelt de mens in staat om werktuigen op zo’n flexibele wijze te gebruiken en uit te vinden?
Ondanks de gelijkenissen in werktuiggebruik bij de aap en bij de mens, vertonen door de mens gehanteerde werktuigen toch een veel grotere graad van complexiteit. Inderdaad, apen werken (tot nu toe) nog niet met een elektrische boor en ze gebruiken ook geen mixer voor de soep. Mensen zijn er dan ook stukken beter in om de causaliteit tussen een werktuig en een specifiek doel te begrijpen en dit op een abstracter niveau te benaderen. Hetzelfde doel kan door verschillende functioneel equivalente middelen worden bereikt. Een stukje kaas kunnen we evengoed naar de mond brengen met een vork, een mes, een tandenstoker of een tang. Anderzijds kan eenzelfde werktuig ook voor verschillende doeleinden worden gebruikt. Een schroevendraaier kunnen we zowel gebruiken voor het aanspannen van een schroef als voor het openen van een potje verf. Maar welk deel van de hersenen stelt nu de mens in staat om werktuigen op zo’n flexibele wijze te gebruiken en uit te vinden? Welk deel van de hersenen verschilt zodanig tussen mens en aap? Een antwoord krijgen op die vragen bleek een uiterst moeilijke wetenschappelijke uitdaging, temeer omdat de hersenen van de twee soorten danig verschillen.
Onlangs echter werd een uiterst elegant experiment opgezet en uitgevoerd dat onderzoekers in staat stelde om hersenactiviteit te meten tijdens het gebruik van werktuigen bij zowel mens als aap. Hiervoor werd magnetische-resonantiebeeldvorming (MRI) toegepast. Mens en aap werden in de MRI-scanner geplaatst om beelden van de hersenen te maken terwijl ze naar filmpjes keken die grijpbewegingen met of zonder werktuig toonden. Op het eerste gezicht verbaast het misschien dat de onderzoekers ervoor kozen om werktuiggebruik bij mens en aap te onderzoeken alleen door hen naar filmpjes van bewegingen te laten kijken. Hoe kan het motorische lichaamsschema binnen de hersenen worden onderzocht op basis van filmpjes kijken?
Het antwoord ligt bij de zogenaamde spiegelneuronen, waarover zowel aap als mens beschikken. Spiegelneuronen zijn hersencellen die actief zijn wanneer men een specifieke beweging uitvoert, maar ook wanneer men kijkt hoe diezelfde beweging uitgevoerd wordt door iemand anders. Een kind ziet bijvoorbeeld hoe zijn of haar mama in de handen klapt. In de hersenen van het kind zal niet alleen het visuele systeem reageren, maar zal eveneens, via de spiegelneuronen, het motorische systeem de geobserveerde beweging (handenklappen) ‘simuleren’ of nadoen. Die onbewuste en bijna automatische activiteit van motorische gebieden laat het kind toe om het handenklappen makkelijk te imiteren, omdat het intuïtief begrijpt welke spieren moeten worden geactiveerd. Tegenwoordig wordt gedacht dat spiegelneuronen niet alleen belangrijk zijn voor het exact nadoen van bewegingen, maar ook voor het begrijpen van intenties, emoties en sociaal gedrag. Een voetganger die aan een zebrapad staat, attent naar de auto’s kijkt en al een stap in de richting van de rijbaan zet, geeft aan dat hij de straat wil oversteken. Een andere passant die op dezelfde plaats wat rondkijkt en af en toe naar zijn horloge kijkt, geeft eerder aan dat hij op iemand wacht. Die intenties van andere personen begrijpen wij binnen een mum van tijd omdat spiegelneuronen de geobserveerde acties vertalen naar ons eigen lichaam. Acteurs maken nog intenser gebruik van dit mechanisme, zodat wij gevoelens zoals vreugde, verdriet of pijn van hun gezicht en lichaamstaal kunnen lezen. Net zoals bij het ‘spiegelen’ van geobserveerde bewegingen zullen bij de waarnemer ook geobserveerde emoties het emotionele systeem binnen de hersenen activeren; alsof de waarnemer zelf droevig of gelukkig is.
Voor het onderzoek naar werktuiggebruik vertrokken de onderzoekers dan ook van de hypothese dat op basis van dit mechanisme het observeren van filmpjes van bewegingen met of zonder werktuigen, eveneens hersengebieden kan activeren die typisch zijn voor het plannen en uitvoeren van motorische acties. De resultaten toonden overtuigend aan dat zowel bij mensen als bij apen het observeren van hoe manipulaties van objecten (met een hand, hark, tang of andere werktuigen) voldoende is om gelijkaardige hersengebieden te activeren als wanneer men die bewegingen zelf zou uitvoeren. Merkwaardig genoeg werd alleen bij mensen een gebied binnen de hersenen gevonden dat specifiek geactiveerd werd als acties met werktuigen getoond worden. Die specifieke ‘werktuigregio’ werd gelokaliseerd in het voorste gedeelte van de inferieure pariëtale kwab, en alleen in de linkerhersenhelft. Bij de aap kon men geen gebied met een vergelijkbare lokalisatie of eigenschappen aantonen, zelfs niet nadat ze gedurende zes tot acht weken een training ondergingen om het gebruik van de hark of de tang te leren.
Met die resultaten levert de studie dan ook de eerste inzichten in het mogelijke verschil tussen mens en aap, waarbij mensen circa 1,5 miljoen jaar geleden een nieuwe hersenfunctie ontwikkelden om het causale verband tussen een bepaald doel en een werktuig te kunnen vatten. Die functie blijkt bij apen veel minder sterk ontwikkeld te zijn. Verder onderzoek is ongetwijfeld noodzakelijk, omdat in de huidige studie alleen hersenactiviteit gemeten werd tijdens het observeren van werktuiggebruik. Bovendien werden bij de studie eerder typisch menselijke werktuigen gebruikt, wat mogelijk ook een effect kan hebben gehad.
Evidentie voor een specifieke ‘werktuigregio’ komt eveneens vanuit studies met neurologische patiënten. Sommige mensen met een hersentrauma of na een beroerte verliezen immers specifiek de vaardigheid om werktuigen juist te gebruiken. Zo kan het gebeuren dat patiënten papier proberen te knippen terwijl de schaar nog dicht is, soep proberen te eten met een vork, de telefoon omgekeerd houden bij het telefoneren, of een perforator dicht duwen zonder het papier ertussen te steken. Die problemen bij het gebruik van werktuigen (ook ‘ideationale apraxie’ genoemd) kunnen verschillende oorzaken hebben, maar het is een symptoom dat vaak optreedt bij patiënten met een letsel van de pariëtale kwab in de linkerhemisfeer (dus dicht bij de eerder beschreven typisch menselijke ‘werktuigregio’).
Het gebruik van werktuigen is ongetwijfeld een essentieel onderdeel van ons dagelijkse leven. Doorheen de evolutie werd dan ook een merkwaardig mechanisme in de hersenen ontwikkeld, dat ons in staat stelt om werktuigen te gebruiken alsof ze werkelijk deel uit maken van ons lichaam. Zowel bij mensen als bij apen bestaat een ‘lichaamsschema’ in de hersenen dat kan worden aangepast door met werktuigen te werken. De juiste keuze van voorwerpen in functie van een welbepaalde taak vergt een sterk inzicht in de principiële werkwijze van een werktuig, een eigenschap die vooral bij mensen bestaat. Een specifieke hersenregio, gevonden bij de mens en niet bij de aap, lijkt hierin gespecialiseerd en heeft ertoe geleid dat het gebruik van werktuigen een enorme vooruitgang gekend heeft, van het eerste gebruik van bewerkte stenen tot de ontwikkeling van een vliegtuig.
L. Cardinali et al, ‘Tool-use induces morphological updating of the body schema’ in: Current Biology, 2009, 478-479.
R. Peeters, L. Simone, K. Nelissen, M. Fabbri-Destro, W. Vanduffel, G. Rizzolatti, G.A. Orban, ‘The representation of tool use in humans and monkeys: common and uniquely human features’ in: Journal of Neuroscience, 2009, 29(37), 11523-39.
Nici Wenderoth en Kaat Alaerts zijn als bewegingswetenschappers verbonden aan de KU Leuven.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License