Het stille zesde zintuig

Proprioceptie is het mysterieuze vermogen van het lichaam om onze ledematen te lokaliseren, zelfs in het donker. We beginnen het nu pas te begrijpen.

Het Highlight by Vox-logo

Sana, een tengere 31-jarige Franse vrouw met krullend bruin haar, zit vastgebonden op een stoel in het Clinical Center van de National Institutes of Health. Voor haar een bureau. Om haar heen volgden 12 infraroodcamera's elke beweging. De test gaat bijna beginnen.

Op het bureau staat een zwarte cilinder rechtop. Het is bedekt met een zilverkleurige plastic bal. Dit is de uitdaging: ze wordt gevraagd om haar neus aan te raken en vervolgens de bal voor haar aan te raken. Eenvoudig. Ze raakt haar neus aan. Ze raakt de bal aan.



Nu komt het moeilijkste.

Een laborant vertelt haar haar ogen te sluiten. Hij legt haar vinger op de bal en beweegt hem dan terug naar haar neus. Hij laat los en vraagt ​​Sana het zelf te doen terwijl ze haar ogen dicht houdt.

Plots is het alsof de locatie van de bal uit haar geheugen is gewist. Ze tast rond en zwaait haar arm wijd naar links en rechts. Als ze de bal weet aan te raken, lijkt het een ongeluk. Ze worstelt om haar neus op haar gezicht te vinden en mist een paar keer ronduit.

Het is alsof ik verdwaald ben, zegt ze, door een tolk. Als haar ogen gesloten zijn, weet ze niet waar haar lichaam zich in de ruimte bevindt.

welke films komen er uit in 2021

Probeer deze taak voor jezelf. Zet een drinkglas voor je neer. Raak de bovenkant een paar keer aan met je ogen open. Probeer het dan met je ogen dicht te vinden. Grote kans dat je het nog kunt.

Als we onze ogen sluiten, verdwijnt ons gevoel van de wereld en de plaats van ons lichaam daarin niet. Er blijft een onzichtbare indruk achter. Dit zintuig wordt proprioceptie genoemd (uitgesproken als pro-pree-o-ception); het is een besef van waar onze ledematen zijn en hoe ons lichaam in de ruimte is gepositioneerd. En net als de andere zintuigen - zien, horen, enzovoort - helpt het onze hersenen om door de wereld te navigeren. Wetenschappers noemen het soms ons zesde zintuig.

Proprioceptie verschilt op een belangrijke manier van de andere: het gaat nooit uit, behalve in zeer zeldzame gevallen. We weten wat stilte is als we onze oren bedekken, we weten wat duisternis is als we onze ogen sluiten.

Sana is een van de weinige mensen in de hele wereld die weet hoe het is als het proprioceptieve zintuig is uitgeschakeld. Een andere is haar oudere zus, Sawsen, 36, die in augustus ook de testen onderging bij de NIH. Ook zij heeft moeite om in het donker haar neus te vinden.

Thuis, zegt Sawsen, als de stroom uitvalt en ze staat op, val ik op de grond. Het gevoel is even moeilijk voor te stellen als te beschrijven. Het is alsof je een blinddoek hebt en iemand je meerdere keren heeft gedraaid, en dan wordt je gevraagd om in een richting te gaan. De eerste paar seconden weet je niet in welke richting je gaat. Pure desoriëntatie.

De zussen, wiens achternaam ik om privacyredenen niet gebruik, delen ook een andere nieuwsgierigheid: ze kunnen niet veel voelen van de dingen die ze aanraken. Zelfs met mijn ogen open, als ik het balletje aanraak, voel ik het niet, zegt Sawsen.

Van alle zintuigen worden aanraking en proprioceptie misschien wel het minst begrepen. Maar in het afgelopen decennium hebben neurowetenschappers enorme doorbraken gemaakt die onthullen hoe aanraking en proprioceptie werken. Dat heeft tot hoopvolle inzichten geleid die zouden kunnen leiden tot betere manieren om pijn te behandelen en betere prothesen voor geamputeerden. Het heeft ons ook een vollediger begrip gegeven van wat het betekent om mens te zijn en de wereld door een lichaam te ervaren.

Sana, Sawsen en een handvol vergelijkbare patiënten zijn ideale onderwerpen voor wetenschappers die aanraking en proprioceptie bestuderen. Er is niets ongewoons aan hun spieren of hun hersenen. Ze missen gewoon een klein, maar enorm belangrijk ding: een receptor ter grootte van een molecuul die fungeert als de deur waardoor fysieke krachten het zenuwstelsel binnenkomen en opstijgen naar het bewustzijn. De receptor heet piëzo2 en werd pas 10 jaar geleden ontdekt.

Het ontbrekende molecuul laat ze in wezen achter zonder de ogen van het proprioceptieve systeem. Het zorgt er ook voor dat hun huid bepaalde specifieke sensaties niet kan voelen.

Een vrouw - noch Sana noch Sawsen - die werd geboren zonder werkende piëzo2-receptoren, kan geen object voor haar vinden terwijl ze geblinddoekt is in deze video, die voor het eerst werd gepubliceerd naast een onderzoek in de New England Journal of Medicine . De vrouw was een van de eerste patiënten zonder piëzo2 die het NIH vond en testte.

New England Journal of Medicine

Deze patiënten zijn zeldzaam - het NIH-team en hun collega's over de hele wereld hebben slechts 18 gevallen geïdentificeerd, waarvan de eerste twee gedocumenteerd in de New England Journal of Medicine in 2016. Ze zijn het equivalent van het identificeren van de eerste blinde of de eerste dove persoon, zegt Alexander Chesler, een neurowetenschapper bij de NIH die met Sana, Sawsen en de anderen heeft gewerkt. Hier zijn mensen die, gebaseerd op wat we destijds van het molecuul begrepen, blind zouden zijn.

De effecten van de aandoening kunnen het moeilijk maken voor mensen om hun lichaam onder controle te houden, vooral wanneer hun gezichtsvermogen is afgesloten. En de symptomen van deze zeldzame genetische aandoening worden vaak verkeerd gediagnosticeerd of worden jarenlang niet gediagnosticeerd.

Door ze te bestuderen, kunnen neurowetenschappers de essentiële functies van aanraking en het proprioceptieve systeem onderzoeken, en ook leren over het opmerkelijke aanpassingsvermogen van de hersenen.

De grote kracht van een klein molecuul

Carsten Bönnemann is een detective van neurologische medische mysteries. Wanneer kinderen neurologische aandoeningen hebben die moeilijk te diagnosticeren zijn, duikt hij in om te proberen de zaak op te lossen. We zoeken naar het onverklaarbare, zegt Bönnemann, een kinderneuroloog bij het National Institute of Neurological Disorders and Stroke.

In 2015 bracht zo'n mysterie hem naar Calgary, Canada, om een ​​18-jarige vrouw met een vreemde aandoening te onderzoeken. Ze kon lopen - ze leerde rond de leeftijd van 7 - maar alleen als ze naar haar voeten keek. Als ze haar ogen sloot terwijl ze stond, zou ze op de grond instorten. Het was alsof haar gezichtsvermogen de kracht bevatte om een ​​geheime schakelaar om te zetten en haar controle te geven over het lichaamsdeel waar ze naar keek. Uit het zicht was haar lichaam buiten haar controle.

droegen vikingen helmen met horens?

En toen ik haar onderzocht, realiseerde ik me dat ze geen ... proprioceptie had, zegt Bönnemann. Toen haar ogen gesloten waren, had ze niet het gevoel dat haar artsen haar vingers zachtjes omhoog of omlaag bewogen. Maar de afwezigheid van bewustzijn zat niet alleen in haar vingergewrichten. Ze had geen gevoel van beweging in haar ellebogen, haar schouders, haar heupen - in geen enkel gewricht in haar lichaam.

Hoewel het vaak niet in ons bewustzijn is, heeft proprioceptie nog steeds een cruciale functie. Als je gecoördineerd wilt bewegen, moet je op elk moment weten waar je lichaam is, zegt Adam Hantman, een neurowetenschapper aan het Howard Hughes Medical Institute die proprioceptie bestudeert. Je zou naar je ledematen kunnen kijken, maar dat betekent dat je niet naar andere dingen kunt kijken. Proprioceptie zorgt ervoor dat onze ogen aandacht kunnen besteden aan wat er buiten ons lichaam gebeurt.

Om de diagnose te stellen, heeft het team van Bönnemann het volledige genoom van het meisje gesequenced en een mutatie gevonden op genen die coderen voor een aanraakreceptor genaamd piëzo2. In 2015 was piezo2 nog nieuw voor de wetenschap.

Daarvoor wisten wetenschappers al lang dat er allerlei speciale zenuwen worden ingezet om de buitenwereld waar te nemen. Als zenuwen de draden zijn die informatie van de wereld naar onze hersenen verzenden, zijn deze receptoren de schakelaars - het eerste tandwiel in de biologische machine - waar de elektrische signalen vandaan komen.

De historische ontdekking van piëzo2 vond plaats in het Scripps Research Institute, waar onderzoekers jarenlang cellen hadden geprikt met kleine glazen sondes. (Als je erop drukt, produceert de piëzo-receptor een kleine elektrische stroom. Piezo is Grieks voor drukken.) De onderzoekers vonden twee receptoren: piëzo1 en piëzo2. Wanneer cellen die deze receptoren bevatten worden uitgerekt, gaan de receptoren open, laten ionen binnen en veroorzaken een elektrische puls.

Piezo1 is betrokken bij de ingebouwde bloeddrukbewakingssystemen , evenals andere interne systemen die afhankelijk zijn van drukdetectie. Piezo2, onthulde verder onderzoek, is een molecuul dat cruciaal is voor zowel aanraking als proprioceptie, een poort waardoor mechanische krachten hun reis naar ons bewustzijn beginnen.

In 2015 begonnen wetenschappers er net achter te komen wat piezo2 deed bij muizen, laat staan ​​bij mensen. Bönnemann moest studeren, en hij keerde terug naar de NIH in Bethesda, Maryland, en e-mailde Chesler, die muizen bestudeerde waarvan de genen waren gemodificeerd om piëzo2 te missen. Bönnemann e-mailde hem over de patiënt, evenals een ander - een 8-jarig meisje in San Diego - waarvan zij hadden vastgesteld dat ze de mutatie hadden.

En daardoor viel ik eigenlijk van mijn stoel en rende naar zijn kantoor, zegt Chesler. Ik had nooit de kans gehad om mijn muizen te vragen hoe hun leven was, hoe hun ervaring was, hen vragen te stellen.

Onze mysterieuze tastzin, uitgelegd

Sana en Sawsen werden, net als de eerste patiënt van Bönnemann, geboren met een genetische mutatie waardoor hun piëzo2-genen niet meer functioneren. En daardoor hebben ze levenslange beperkingen met hun proprioceptie, aanraking en beweging. Beide vrouwen kunnen een stukje alleen lopen, maar gebruiken elektrische rolstoelen om zich te verplaatsen. Beiden wonen zelfstandig. Sana is klinisch psycholoog en Sawsen leidt een kamp voor kinderen met een handicap.

Ze kennen het leven met proprioceptie niet, wat het voor hen moeilijk maakt om zelfs maar te beschrijven wat ze missen. Ik heb geen goede vergelijkingen, want ik ben altijd zo geweest, zegt Sana.

Van de weinige gevallen van mensen zonder proprioceptie in de medische geschiedenisliteratuur was de meest bekende van Ian Waterman , een Britse man wiens neuronen die aanraking en proprioceptie voelen beschadigd zijn door een infectie. Het liet hem zonder enig gevoel of proprioceptie van de nek naar beneden, hoewel hij zijn lichaam nog steeds kon bewegen. Het was een limbo zonder ledematen, de neuroloog Jonathan Cole schreef in een medische biografie van Waterman.

Waterman had duidelijk zenuwbeschadiging. Maar tot ongeveer een jaar geleden wisten Sana en Sawsen nooit echt wat er met hen aan de hand was. Vervolgens testten ze positief op een mutatie op hun piëzo2-genen, en dat leidde hen naar Bonneman en Chesler's lopende onderzoek naar hoe piëzo2 functioneert in het menselijk lichaam. Tot nu toe hebben de onderzoekers een tiental patiënten gezien met niet-functionele piëzo2-receptoren.

Aanraking is een zeer gecompliceerd zintuig, omdat er zoveel vormen van zijn, die elk afhankelijk zijn van enigszins verschillende systemen van zenuwen en receptoren.

Christina Animashaun / Vox

Alleen al het waarderen van alle dingen die we kunnen voelen, kan een gevoel van ontzag opwekken. Als een van ons achter je sloop en een haartje bewoog, zou je het meteen weten, zegt Chesler. Dit is een van de meest verbazingwekkende biologische machines.

In veel opzichten is de zintuiglijke informatie die we van ons lichaam krijgen veel gevarieerder dan de informatie die we van onze ogen, oren en mond krijgen.

Warmte- en koudegevoelens werken bijvoorbeeld op andere zenuwen dan lichte aanrakingssensaties, en gebruiken verschillende receptoren (waarvan sommige ook alleen onlangs ontdekt). Pijn, jeuk en druk zijn ook verschillend. Er zijn ook enkele aanrakingssensaties die afhankelijk zijn van de context. Bedenk hoe het gevoel van een lichte aanraking van een T-shirt op je lichaam uit je bewustzijn verdwijnt naarmate je het langer draagt. Of hoe tijdens een zonnebrand het dragen van dat T-shirt ineens ondraaglijk wordt.

Zonder piëzo2 kunnen de zussen geen lichte, zachte aanraking voelen, vooral niet op hun handen en vingers. Sawsen vertelt me ​​​​dat wanneer ze haar hand in een portemonnee steekt, ik mijn hand uit de tas zal halen omdat ik denk dat ik iets vast heb, en mijn hand is leeg, zegt ze. Ze kan de voorwerpen niet voelen en ze weet niet waar haar hand is. Dus een portemonnee kan net zo goed een zwart gat zijn als ze er niet direct in kijkt.

Maar de zussen kunnen warmte en kou voelen. Ze kunnen druk voelen. En ze zijn niet immuun voor pijn. Ze kunnen vooral scherpe sensaties voelen.

Sawsen heeft scherpschieten als hobby opgepakt (om stress te verlichten) en heeft de trekker van het wapen uitgerust met een rechthoekig stuk met harde randen. Als ze haar vinger in de rand graaft, kan ze het voelen.

Dat soort knijpende pijn moet zijn reis naar het zenuwstelsel beginnen via een andere receptor dan piëzo2. Dus als je geknepen wordt, dat gevoel, begrijpen we op moleculair niveau niet wat er gebeurt om je neuronen te activeren, zegt Chesler. Dat is verrassend. Hoe de acute pijn van het stappen op een LEGO-steentje precies ons zenuwstelsel binnendringt, is anno 2019 nog steeds een wetenschappelijk mysterie.

Ze kunnen dat soort pijn voelen, maar ze kunnen niet een andere geroepen voelen tactiele allodynie. Dat is wanneer lichte aanrakingssensaties, die normaal aangenaam zijn, pijnlijk worden. (In het laboratorium creëren onderzoekers tactiele allodynie door de huid te wrijven met capsaïcine - de pittige chemische stof in hete pepers.)

Nog een mysterie: de patiënten kunnen voelen wanneer hun huid met haar wordt gestreeld, zoals op hun armen. Maar vreemd genoeg lijken ze geen individuele haarbewegingen te voelen. We weten niet hoe ze het doen, zegt Chesler. Dat wil zeggen: de neurowetenschap begrijpt niet helemaal hoe deze sensatie in het lichaam wordt gegenereerd.

Het zijn deze inzichten die kunnen leiden tot enkele praktische resultaten van dit onderzoek: namelijk nieuwe manieren om pijn te behandelen. Wetenschappers hopen door het identificeren van de receptoren die fysieke sensaties in ons lichaam brengen, ze kunnen leren om ze te vergroten, ze misschien uit te schakelen als ze pijn veroorzaken.

Dat is de droom van pijnonderzoek, zegt Chesler. Kunnen we afstand nemen van deze echt grove manieren om naar pijn te kijken, en het op een meer mechanisch niveau begrijpen? Als je bijvoorbeeld de receptor niet kent die verantwoordelijk is voor scherpe pijn, kun je geen medicijn ontwerpen om het uit te schakelen.

De mysteries van proprioceptie

Aanraken is ingewikkeld. Proprioceptie is misschien nog meer het geval. Maar door het te bestuderen, kunnen onderzoekers ontdekkingen en toepassingen opleveren die ver buiten het menselijk lichaam reiken.

Diep in al onze spieren bevinden zich vezels die spierspoeltjes worden genoemd: dit is een bundel vezels en zenuwen die spierrek registreren. Op de zenuwuiteinden van de spierspoeltjes, ja, je vindt piezo2. Wanneer de spieren worden uitgerekt, trekken andere spieren samen, en piëzo2 verzendt vervolgens al die informatie naar uw ruggenmerg om te bepalen waar uw ledematen zijn.

Wat verbazingwekkend is, is hoe elke spier in je lichaam deze informatie de hele tijd uitzendt. Je zenuwstelsel verwerkt op de een of andere manier die enorme hoeveelheid gegevens zonder enig bewust werk van onze kant. Hoe kan het ooit bewust zijn? Je zou gek worden van een overdaad aan informatie.

democraten zullen veel verliezen in 2018

Bedenk wat er nodig is om rechtop te zitten. Alle spieren in je rug moeten de juiste informatie doorgeven, zodat je alle botten van je wervelkolom op één lijn kunt houden. De piëzo2-loze patiënten hebben dat niet. Ze hebben een scoliotische houding omdat ze niet de spieren in hun rug hebben die hun hersenen vertellen hoe ze hun ruggengraat moeten uitlijnen. (Veel van deze patiënten, zo is mij verteld, zijn voor de geboorte ook slecht gepositioneerd in de baarmoeder, of worden geboren met een heupverplaatsing - zo fundamenteel is een zintuiglijke proprioceptie.)

Bij gebrek aan de primaire input voor proprioceptie, moeten Sana en Sawsen zich hard concentreren om niet gedesoriënteerd te raken. Soms, zegt Sana, zal alleen haar haar dat in de weg zit van haar ogen ervoor zorgen dat ze zich niet meer kan oriënteren op waar haar lichaam is. Hetzelfde kan gebeuren als iemand te dicht bij haar gezicht komt, waardoor haar perifere zicht wordt geblokkeerd. Wat betekent dat ze zich extra moet concentreren als ze iemand wil kussen.

Het is nog steeds een diep mysterie hoe de hersenen alle bronnen van proprioceptieve informatie zo moeiteloos samenbrengen.

Het meest verbazingwekkende hieraan is hoe uiterst flexibel het is, zegt Adam Hantman, een neurowetenschapper aan het Howard Hughes Medical Institute die proprioceptie bestudeert. Je kunt me vragen om een ​​kopje uit te reiken en te zeggen: 'Doe het niet zoals je het ooit eerder hebt gedaan', en zonder te oefenen, zou ik mijn hand ondersteboven kunnen ronddraaien en achter mijn rug kunnen leggen en bereik die beker. Ik heb die actie nog nooit eerder in mijn leven gedaan, en ik zou het zonder oefening kunnen doen.

En er zijn zoveel mooie complicaties in dit onderzoek dat nog steeds niet goed wordt begrepen door wetenschappers.

Wetenschappers beschouwen aanraking en proprioceptie over het algemeen als verschillende systemen. Maar tot op zekere hoogte kunnen ze elkaar overlappen, zegt Joriene De Nooij, neurologisch onderzoeker die proprioceptie studeert aan Columbia University. Receptoren in de huid dragen bij aan ons begrip van waar onze ledematen zijn. Als je loopt, zijn er al deze drukreceptoren in je voeten die elke keer dat je een stap zet, worden geactiveerd, zegt ze. En dat geeft onze hersenen ook informatie over waar het lichaam zich bevindt.

We hebben zoveel input in ons sensorische systeem die ons feedback geeft en onze geest oriënteert op wat ons lichaam aan het doen is. Door te leren hoe het brein dit voor elkaar krijgt - wat zijn de algoritmen die het gebruikt om deze modellen te bouwen en te gebruiken - kunnen we betere machines maken, zegt Hantman.

Het kan met name onderzoekers helpen betere protheses te maken die direct worden aangestuurd door het zenuwstelsel van een geamputeerde. De machines zijn redelijk goed in het opnemen van een signaal uit de hersenen en het laten bewegen van de protheses, zegt hij. Maar we zijn er echt niet in geslaagd om de cirkel rond te maken en zintuiglijke informatie terug te krijgen.

De hersenen doen ook nog iets met proprioceptie dat onderzoekers heel graag willen begrijpen: hoe het compenseert bij verlies, zoals in de gevallen van Sana en Sawsen.

Het meest opmerkelijke wat de hersenen kunnen doen

De spierspoeltjes en andere zenuwuiteinden verklaren hoe proprioceptie in het lichaam werkt. Maar nog vreemder is hoe het zich in onze geest manifesteert.

Ik blijf maar denken aan wat er gebeurt als ik mijn ogen sluit en naar iets reik. Er staat een glas voor me op mijn bureau. Ik kan het nog steeds met mijn ogen dicht vastpakken. Ik probeer me te concentreren op de gedachte waar het glas zich in de ruimte bevindt en het te ontleden: wat ervaar ik precies op dit moment?

Christina Animashaun / Vox

Het is alsof je een dagdroom probeert te beschrijven. Je weet dat het er is. Het lijkt echt. Maar het heeft geen vorm. Het is bewustzijn, zegt Ardem Patapoutian, een neurowetenschappelijk onderzoeker bij Scripps, wiens lab voor het eerst de piëzo-receptoren ontdekte. Een fysiek aspect van bewustzijn, zegt hij, wordt gedeeltelijk geïnformeerd en gevormd door proprioceptie.

Bij het rapporteren van dit verhaal ben ik gaan denken aan het proces waarmee de hersenen bewustzijn creëren als een soort tovenaar of goochelaar die een drankje roert. De tovenaar neemt sensorische input van ons lichaam: zoals aanraking, temperatuur, gezamenlijk bewustzijn, vermengt het met onze gedachten, onze emoties en onze herinneringen, onze voorspellingen over de wereld, en gooit het in de ketel om ons bewustzijn te genereren. Een heel zelfgevoel komt voort uit deze ongelijksoortige delen. Het is meer dan de som der delen, en enkelvoud.

Maar het is niet zo dat als je een ingrediënt mist, het drankje bederft. Sana en Sawsen missen informatie van hun piëzo2-receptoren, maar hun geest gebruikt nog steeds andere ingrediënten om te compenseren. Ze zijn net zo bewust als ieder ander.

Chesler gelooft dat de hersenen van de zussen nog steeds een kaart van hun lichaam genereren. Ze hoeven alleen andere inputs te gebruiken, zoals hun zicht, of andere sensaties, zoals warmte en kou, of pijnlijke aanraking.

Als blinden met een afgestemd oor gebruiken ze hun andere zintuigen om te compenseren voor wat ze missen. Toen Sana met haar ogen dicht naar de cilinder reikte, zei ze dat ze tocht probeerde te voelen van een nabijgelegen airconditioningkanaal. Ze herinnerde zich dat het kouder aanvoelde bij de bal en probeerde die koude plek te vinden.

Wat gebeurt er in hun hersenen om hun lichaamsbeeld op te bouwen in de afwezigheid van informatie waar we zo constant op vertrouwen? Deze vraag is een van de belangrijkste die we zouden kunnen stellen over dit zintuig, zegt Chesler, en ik hoop dat mijn laboratorium de komende jaren daadwerkelijk zal beginnen met het aanpakken van deze vraag.

Maar je hebt geen studie nodig om te zien dat dit waar is: de menselijke geest heeft een opmerkelijke veerkracht.

Je went aan je eigen lichaam, zegt Sawsen. Je leert omgaan met de materialen waar je toegang toe hebt.

waar zijn onmogelijke hamburgers van gemaakt?

Brian Resnick is een senior wetenschapsreporter bij Vox, die zich bezighoudt met psychologie, ruimtevaart, geneeskunde, het milieu en alles waarvan je denkt: Wow, dat is cool.

Correctie: in een eerdere versie van dit verhaal is de naam Sawsen verkeerd gespeld.