De veranderlijke onveranderlijkheid;
over de aansturing van menselijke bewegingen in een steeds veranderende omgeving

Prof. dr. Theo Mulder
Directeur Onderzoek Koninklijke Nederlandse Academie van Wetenschappen (KNAW) en Hoogleraar Bewegingswetenschappen, Rijksuniversiteit Groningen

Ik ben in staat om te lopen, te springen, te huppelen. Ik kan vooruit- en achteruitlopen. Ik kan op ieder moment mijn lopen veranderen, ik kan plotseling, omdat ik dat wil, een raar loopje uitvoeren. Ik kan een kopje pakken met mijn rechterhand, met mijn linkerhand. Ik kan indien noodzakelijk het kopje ook met mijn mond pakken of tussen mijn tenen klemmen. Ik kan spreken, hard en zacht, en wanneer ik met een sigaar in mijn mond praat, ben ik nog steeds verstaanbaar. In dat laatste geval moeten wel binnen enkele milliseconden enkele tientallen spieren anders worden aangestuurd en verandert ook de ademhaling. Ik kan dus op ieder moment ‘inbreken' in mijn motorische aansturing en telkens geheel nieuwe bewegingen, als het ware, uitvinden.

Het systeem heeft een onveranderlijk doel, namelijk (voort)beweging. Zonder beweging is een dier (en in grote lijnen ook de mens) ten dode opgeschreven. Maar, en daar gaat het hier om, dit doel kan op zeer veranderlijke wijze worden bereikt.

Het is dus geen strak hiërarchisch georganiseerd systeem op basis waarvan vanuit de hersenen gedetailleerde en zeer specifieke informatie naar spieren wordt gezonden, compleet met kracht-, duur- en richtinginstructies. Toch heeft men wel een tijdlang aan deze vorm van sturing gedacht. In de zestiger en begin zeventiger jaren was de term motorprogramma erg populair. Deze term impliceerde dat er in de hersenen neurale programma's zouden zijn opgeslagen waarmee bewegingen tot in detail werden aangestuurd. Deze benadering van opgeslagen programma's liep echter vast in een aantal niet op te lossen problemen. De belangrijkste problemen betroffen het zogenaamde nieuwheidsprobleem en het opslagprobleem.
Het nieuwheidsprobleem verwijst naar het gegeven dat indien er gedetailleerde programma's bestaan voor iedere beweging we niet in staat zullen zijn om een beweging uit te voeren die we nooit eerder hebben gemaakt. Voor deze beweging bestaat immers geen gespecificeerd programma. Dit is interessant, omdat dit aangeeft dat hoe hiërarchischer de organisatie is, hoe minder flexibel hij is. Een strakke hiërarchie verdraagt zich niet met flexibiliteit, ook niet in de natuur. Het opslagprobleem verwijst naar het gegeven dat indien er gedetailleerde, zelfs spierspecifieke programma's bestaan, dit betekent dat voor iedere beweging die we ooit hebben gemaakt ook een dergelijk programma moet bestaan. Dit resulteert in een niet gering neuraal opslagprobleem. Hoewel we niet kunnen aangeven of dit opslagprobleem onoplosbaar is, is het in ieder geval geen erg zuinige verklaring.

De aansturing van bewegingen geschiedt dus niet volgens een strak hiërarchisch principe waarbij het hoofdkantoor (de hersenen) over informatie beschikt over het ‘gedrag' van afzonderlijke spieren. De sturing is veel globaler. Het idee van het motorprogramma is weliswaar niet geheel naar de vuilstort van de wetenschapsgeschiedenis gezonden, maar het begrip wordt op dit moment niet veel meer gebruikt.

In moderne theorieën neemt de term informatie een cruciale plaats in. Er wordt gesteld dat alles in het lichaam is ingesteld op de ontvangst van informatie, uit het lichaam zelf en uit de omgeving. We zijn volgepakt met receptorsystemen die een rol spelen bij de beweging (ogen, oren, huid, sensoren in spieren en gewrichten, evenwichtssensoren, snelheidsdetectoren, tast- en drukreceptoren). De samenstelling van dit orkest van sensorische (zintuiglijke) informatie wisselt van moment tot moment, naar gelang de context, de taak en de toestand van het systeem. Er is dus telkens sprake van andere vormen en combinaties van informatie, waarop het controlesysteem moet reageren. Waar het nu om gaat is dat centrale controlesystemen niet gedetailleerd op de hoogte behoeven te zijn van al deze combinaties. Veel wordt in de ‘periferie van het lichaam' zelf geregeld.

Het motorisch systeem is dus een natuurlijk systeem waar op basis van globale doelen op steeds lager niveau in de organisatie details worden ingevuld door relatief autonome regulatie-eenheden die zelf weer uiterst flexibel zijn op basis van de beschikbare informatie. Een reflex is bijvoorbeeld niet een onveranderlijke automatische reactie op een vastliggende stimulus (klapje met hamer op kniepees), maar is sterk afhankelijk van tal van zaken. Indien een persoon een rekensom moet maken tijdens de meting van de kniepeesreflex, is de uitkomst anders dan in een situatie van rust.

Waar het mij om gaat, is dat bewegen maar voor een deel te beschrijven is als een motorisch proces. In feite is er altijd sprake van een permanente interactie tussen perceptuele, cognitieve en motorische processen. Deze interactie, waarbij de betrokken processen van verschillend ‘gewicht' kunnen zijn, is afhankelijk van de toestand van het systeem en de nieuwheid of complexiteit van de taak.

De uitkomst van een dergelijk dynamisch systeem is telkens anders, afhankelijk van de toestand van het systeem en de aard van de taak. Iedere beweging is in feite gericht op het oplossen van een probleem in de interactie tussen de beweger en de omgeving.

Deze flexibiliteit is van groot belang voor de overleving van het organisme. Het neurale controlesysteem moet dus de mogelijkheid bezitten om op basis van veranderingen in de input, veranderingen in de output mogelijk te maken. Het moet in staat zijn om voortdurend bestaande routines te veranderen en nieuwe te construeren. Deze constatering benadrukt nogmaals de grote afhankelijkheid van het systeem van de beschikbaarheid van informatie. Is er geen informatie uit de omgeving of uit het lichaam beschikbaar, dan kan het niet functioneren, het kan niet sturen, niet controleren, het kan niet leren of veranderen.

We hebben het hier in feite over zelforganisatie. De kern hiervan komt er op neer dat wanneer neuronale netwerken in de hersenen informatie ontvangen er bepaalde verbindingen tussen neuronen worden versterkt en andere niet. Herhaling van de informatie leidt tot verdere versterking van deze verbindingen. Op deze wijze worden er op basis van de input netwerken gevormd die een rol spelen bij de sturing van bepaalde gedragingen. Het uitvoeren van deze gedragingen (bewegingen) versterkt de netwerken opnieuw. Leidt intensivering en herhaling van de informatie tot versterking van de netwerken, vermindering van de informatie leidt tot verzwakking van de netwerken.

Met dit principe van groei en krimp op basis van input, variatie en herhaling is in feite tot op de dag van vandaag in grote lijnen de structurele basis gegeven van leren en verandering. Belangrijk is hierbij om te beseffen dat veel aspecten van het leren automatisch verlopen zonder enige vorm van supervisie.