Neurowetenschappen en intelligentie

HersenvolumeEdit

Een van de belangrijkste methoden die worden gebruikt om een verband te leggen tussen intelligentie en de hersenen is het gebruik van metingen van het hersenvolume. De vroegste pogingen om het hersenvolume te schatten werden gedaan met behulp van metingen van externe hoofdparameters, zoals de hoofdomtrek als benadering voor de grootte van de hersenen. Recentere methodologieën die werden gebruikt om deze relatie te bestuderen omvatten post-mortem metingen van het gewicht en volume van de hersenen. Deze hebben hun eigen beperkingen en sterke punten. De komst van MRI als een niet-invasieve, zeer nauwkeurige meting van de levende hersenstructuur en -functie (met behulp van fMRI) maakte dit de pre-dominante en geprefereerde methode voor het meten van het hersenvolume.

Over het geheel genomen wordt een grotere hersenomvang en groter hersenvolume geassocieerd met beter cognitief functioneren en hogere intelligentie. De specifieke gebieden die de meest robuuste correlatie tussen volume en intelligentie vertonen, zijn de frontale, temporale en pariëtale hersenkwabben. Er is een groot aantal studies uitgevoerd met uniform positieve correlaties, die tot de algemeen veilige conclusie leiden dat grotere hersenen een grotere intelligentie voorspellen. Bij gezonde volwassenen bedraagt de correlatie tussen het totale hersenvolume en het IQ ongeveer 0,4 wanneer tests van hoge kwaliteit worden gebruikt. Een grootschalig onderzoek (n = 29k) met gebruikmaking van de UK Biobank vond een correlatie van .275. De sterkte van dit verband hing niet af van het geslacht, hetgeen in tegenspraak is met sommige eerdere studies. Een studie waarbij gebruik werd gemaakt van een “sibling-design” in twee middelgrote steekproeven vond bewijs voor causaliteit met een effectgrootte van .19. Deze studie-opzet sluit confounders uit die variëren tussen families, maar niet die variëren binnen families.

Er is minder bekend over variatie op schalen kleiner dan het totale hersenvolume. Een meta-analytische review door McDaniel vond dat de correlatie tussen intelligentie en in vivo hersengrootte groter was voor vrouwen (0,40) dan voor mannen (0,25). In dezelfde studie werd ook vastgesteld dat de correlatie tussen hersenomvang en intelligentie toeneemt met de leeftijd, waarbij kinderen kleinere correlaties vertonen. Er is gesuggereerd dat het verband tussen grotere hersenvolumes en hogere intelligentie verband houdt met variatie in specifieke hersengebieden: een meting van de gehele hersenen zou deze verbanden onderschatten. Voor functies die specifieker zijn dan algemene intelligentie, kunnen regionale effecten belangrijker zijn. Er zijn bijvoorbeeld aanwijzingen dat bij adolescenten die nieuwe woorden leren, de groei van de woordenschat samenhangt met de dichtheid van de grijze stof in de bilaterale posterieure supramarginale gyri. Kleine studies hebben voorbijgaande veranderingen in grijze stof laten zien die samenhangen met het ontwikkelen van een nieuwe fysieke vaardigheid (jongleren) occipito-temporale cortex

Hersenvolume is geen perfecte verklaring voor intelligentie: de relatie verklaart een bescheiden hoeveelheid variantie in intelligentie – 12% tot 36% van de variantie. De hoeveelheid variantie die door hersenvolume wordt verklaard, kan ook afhangen van het soort intelligentie dat wordt gemeten. Tot 36% van de variantie in verbale intelligentie kan worden verklaard door hersenvolume, terwijl slechts ongeveer 10% van de variantie in visuospatiële intelligentie kan worden verklaard door hersenvolume. Uit een studie van onderzoeker Stuart J. Ritchie uit 2015 bleek dat hersenomvang 12% van de variantie in intelligentie tussen individuen verklaarde. Deze voorbehouden impliceren dat er andere belangrijke factoren zijn die beïnvloeden hoe intelligent een individu is, afgezien van de grootte van de hersenen. In een grote meta-analyse bestaande uit 88 studies schatten Pietschnig et al. (2015) de correlatie tussen hersenvolume en intelligentie op ongeveer een correlatiecoëfficiënt van 0,24, wat neerkomt op 6% variantie. Rekening houdend met de kwaliteit van de metingen, en het type steekproef en IQ-range, blijkt de meta-analytische associatie van hersenvolume in ~ .4 te zijn bij normale volwassenen. Onderzoeker Jakob Pietschnig stelde dat de sterkte van het positieve verband tussen hersenvolume en IQ robuust blijft, maar in de literatuur overschat wordt. Hij heeft verklaard: “Het is verleidelijk om deze associatie te interpreteren in de context van de menselijke cognitieve evolutie en soortsverschillen in hersenomvang en cognitief vermogen, wij tonen aan dat het niet gerechtvaardigd is om hersenomvang te interpreteren als een isomorfe proxy van menselijke intelligentieverschillen”.

Grijze stofEdit

Grijze stof is onderzocht als een potentiële biologische basis voor verschillen in intelligentie. Net als het hersenvolume is het totale volume van de grijze stof positief geassocieerd met intelligentie. Meer specifiek, hogere intelligentie is geassocieerd met grotere corticale grijze stof in de prefrontale en posterieure temporale cortex bij volwassenen. Verder is aangetoond dat zowel verbale als non-verbale intelligentie positief gecorreleerd zijn met grijsstofvolume in de pariëtale, temporale en occipitale kwabben bij jonge gezonde volwassenen, wat impliceert dat intelligentie geassocieerd is met een grote verscheidenheid aan structuren in de hersenen.

Er blijken sekseverschillen te bestaan tussen de relatie van grijze stof tot intelligentie tussen mannen en vrouwen. Mannen lijken meer intelligentie en grijze stof correlaties te vertonen in de frontale en pariëtale kwabben, terwijl de sterkste correlaties tussen intelligentie en grijze stof bij vrouwen te vinden zijn in de frontale kwabben en Broca’s gebied. Deze verschillen lijken echter geen invloed te hebben op de algehele intelligentie, hetgeen impliceert dat dezelfde cognitieve vaardigheidsniveaus op verschillende manieren kunnen worden bereikt.

Een specifieke methodologie die wordt gebruikt om de grijze stof-correlaties van intelligentie in hersengebieden te bestuderen, staat bekend als voxelgebaseerde morfometrie (VBM). VBM stelt onderzoekers in staat om gebieden van belang te specificeren met een grote ruimtelijke resolutie, waardoor het mogelijk wordt om grijze stof gebieden die gecorreleerd zijn met intelligentie met een grotere speciale resolutie te onderzoeken. VBM is gebruikt om een positieve correlatie vast te stellen tussen grijze stof en intelligentie in de frontale, temporale, pariëtale en occipitale kwabben bij gezonde volwassenen. VBM is ook gebruikt om aan te tonen dat grijze stof volume in de mediale regio van de prefrontale cortex en de dorsomediale prefrontale cortex positief correleren met intelligentie in een groep van 55 gezonde volwassenen. VBM is ook met succes gebruikt om een positieve correlatie vast te stellen tussen grijze stof volumes in de anterieure cingulate en intelligentie bij kinderen in de leeftijd van 5 tot 18 jaar.

Grijze stof is ook aangetoond positief te correleren met intelligentie bij kinderen. Reis en collega’s hebben vastgesteld dat grijze stof in de prefrontale cortex het sterkst bijdraagt aan variantie in intelligentie bij kinderen tussen 5 en 17 jaar, terwijl subcorticale grijze stof in mindere mate samenhangt met intelligentie. Frangou en collega’s onderzochten de relatie tussen grijze stof en intelligentie bij kinderen en jonge volwassenen tussen 12 en 21 jaar, en ontdekten dat grijze stof in de orbitofrontale cortex, cingulate gyrus, cerebellum en thalamus positief gecorreleerd was met intelligentie, terwijl grijze stof in de nucleus caudatus negatief gecorreleerd was met intelligentie. De relatie tussen grijsstofvolume en intelligentie ontwikkelt zich echter pas na verloop van tijd, aangezien er geen significant positief verband kan worden gevonden tussen grijsstofvolume en intelligentie bij kinderen jonger dan 11 jaar.

Een onderliggend voorbehoud bij onderzoek naar de relatie tussen grijsstofvolume en intelligentie wordt aangetoond door de hypothese van neurale efficiëntie. De bevindingen dat intelligentere individuen efficiënter zijn in het gebruik van hun neuronen zou erop kunnen wijzen dat de correlatie van grijze stof met intelligentie een selectieve eliminatie van ongebruikte synapsen weerspiegelt, en dus een beter hersencircuit.

Witte stofEdit

Gelijkaardig aan grijze stof, is aangetoond dat witte stof positief correleert met intelligentie bij mensen. Witte stof bestaat voornamelijk uit gemyeliniseerde neuronale axonen, die verantwoordelijk zijn voor het overbrengen van signalen tussen neuronen. De roze-witte kleur van de witte stof is eigenlijk het resultaat van deze myelinescheden die neuronen elektrisch isoleren die signalen doorgeven aan andere neuronen. Witte stof verbindt verschillende gebieden van grijze stof in de grote hersenen met elkaar. Deze onderlinge verbindingen maken het transport naadlozer en stellen ons in staat taken gemakkelijker uit te voeren. Er zijn significante correlaties gevonden tussen intelligentie en het corpus callosum, aangezien grotere callosale gebieden positief gecorreleerd zijn met cognitieve prestaties. Er blijken echter verschillen te zijn in het belang voor witte stof tussen verbale en non-verbale intelligentie, want hoewel zowel verbale als non-verbale maatstaven van intelligentie positief correleren met de grootte van het corpus callosum, was de correlatie voor intelligentie en grootte van het corpus callosum groter (.47) voor non-verbale maatstaven dan die voor verbale maatstaven (.18). Anatomical mesh-based geometrical modelling has also shown positive correlations between the thickness of the corpus callosum and Intelligence in healthy adults.

White matter integrity has also been found to be related to Intelligence. De integriteit van witte stofbanen is belangrijk voor de snelheid van informatieverwerking, en daarom is een verminderde integriteit van de witte stofbanen gerelateerd aan een lagere intelligentie. Het effect van witte stof integriteit wordt volledig gemedieerd door informatieverwerkingssnelheid. Deze bevindingen wijzen erop dat de hersenen structureel onderling verbonden zijn en dat axonale vezels integraal belangrijk zijn voor snelle informatieverwerking, en dus voor algemene intelligentie.

In tegenspraak met de hierboven beschreven bevindingen, werd in VBM geen relatie gevonden tussen het corpus callosum en intelligentie bij gezonde volwassenen. Deze tegenstrijdigheid kan worden gezien als een teken dat de relatie tussen het volume van de witte stof en intelligentie niet zo robuust is als die tussen grijze stof en intelligentie.

Corticale dikteEdit

Corticale dikte is ook positief gecorreleerd met intelligentie bij mensen. De groeisnelheid van de corticale dikte is echter ook gerelateerd aan intelligentie. In de vroege kinderjaren vertoont de corticale dikte een negatieve correlatie met intelligentie, terwijl deze correlatie tegen de late kinderjaren is verschoven naar een positieve. Intelligentere kinderen bleken de corticale dikte stabieler en over langere perioden te ontwikkelen dan minder intelligente kinderen. Studies hebben uitgewezen dat de corticale dikte 5% van de variatie in intelligentie tussen individuen verklaart. In een onderzoek naar verbanden tussen de corticale dikte en de algemene intelligentie tussen verschillende groepen mensen, bleek geslacht geen rol te spelen bij de intelligentie. Hoewel het moeilijk is om intelligentie vast te pinnen op leeftijd op basis van corticale dikte vanwege verschillende sociaal-economische omstandigheden en opleidingsniveaus, hadden oudere proefpersonen (17 – 24) de neiging minder variatie in intelligentie te hebben dan wanneer vergeleken met jongere proefpersonen (19 – 17).

Corticale convolutieEdit

Corticale convolutie heeft de vouwing van het hersenoppervlak in de loop van de menselijke evolutie vergroot. Er is verondersteld dat de hoge graad van corticale convolutie een neurologisch substraat kan zijn dat enkele van de meest onderscheidende cognitieve vaardigheden van het menselijk brein ondersteunt. Bijgevolg zou individuele intelligentie binnen de menselijke soort kunnen worden gemoduleerd door de mate van corticale convolutie.

Een analyse gepubliceerd in 2019 vond dat de contouren van 677 hersenen van kinderen en adolescenten (gemiddelde leeftijd 12.72 jaar) hersenen hadden een genetische correlatie van bijna 1 tussen IQ en oppervlakte van de supramarginale gyrus aan de linkerkant van de hersenen.

Neurale efficiëntieEdit

De neurale efficiëntie-hypothese postuleert dat intelligentere individuen minder activatie in de hersenen vertonen tijdens cognitieve taken, zoals gemeten door Glucosemetabolisme. Een kleine steekproef van deelnemers (N=8) vertoonde negatieve correlaties tussen intelligentie en absolute regionale stofwisselingssnelheden, variërend van -0,48 tot -0,84, zoals gemeten door PET-scans, wat erop wijst dat intelligentere individuen effectievere informatieverwerkers zijn, omdat ze minder energie verbruiken. Volgens een uitgebreid overzicht van Neubauer & Fink heeft een groot aantal studies (N=27) deze bevinding bevestigd met behulp van methoden als PET-scans, EEG en fMRI.

fMRI- en EEG-studies hebben aangetoond dat taakmoeilijkheid een belangrijke factor is die de neurale efficiëntie beïnvloedt. Intelligentere individuen vertonen alleen neurale efficiëntie bij taken met een subjectief gemakkelijke tot matige moeilijkheidsgraad, terwijl bij moeilijke taken geen neurale efficiëntie kan worden gevonden. In feite blijken meer intelligente individuen meer corticale bronnen te investeren in taken van hoge moeilijkheidsgraad. Dit blijkt met name het geval te zijn voor de prefrontale cortex, aangezien personen met een hogere intelligentie een verhoogde activatie van dit gebied vertonen tijdens moeilijke taken in vergelijking met personen met een lagere intelligentie. Er is voorgesteld dat de belangrijkste reden voor het neurale efficiëntiefenomeen zou kunnen zijn dat personen met een hoge intelligentie beter zijn in het blokkeren van storende informatie dan personen met een lage intelligentie.

Verder onderzoekEdit

Sommige wetenschappers geven er de voorkeur aan naar meer kwalitatieve variabelen te kijken om de grootte van meetbare gebieden met een bekende functie te relateren, bijvoorbeeld de grootte van de primaire visuele cortex relateren aan de overeenkomstige functies, die van visuele prestaties.

In een studie naar de groei van het hoofd van 633 termijngeboren kinderen uit het Avon Longitudinal Study of Parents and Children-cohort, werd aangetoond dat prenatale groei en groei tijdens de kindertijd samenhingen met het latere IQ. De conclusie van de studie was dat het hersenvolume dat een kind op de leeftijd van 1 jaar bereikt, mede bepalend is voor de latere intelligentie. Groei in hersenvolume na de kindertijd kan een slechtere groei in het begin niet compenseren.

Er is een verband tussen IQ en bijziendheid. Een gesuggereerde verklaring is dat een of meer pleiotrope genen tegelijkertijd de grootte van het neocortex-gedeelte van de hersenen en de ogen beïnvloeden.

Parieto-frontale integratietheorieEdit

In 2007 publiceerde Behavioral and Brain Sciences een doelartikel waarin een biologisch model van intelligentie werd uiteengezet op basis van 37 peer-reviewed neuroimaging studies (Jung & Haier, 2007). Hun review van een schat aan gegevens van functionele beeldvorming (functionele magnetische resonantie beeldvorming en positron emissie tomografie) en structurele beeldvorming (diffusie MRI, voxel-based morfometrie, in vivo magnetische resonantie spectroscopie) stelt dat menselijke intelligentie voortkomt uit een gedistribueerd en geïntegreerd neuraal netwerk dat bestaat uit hersengebieden in de frontale en pariëtale kwabben.

Een recente studie naar het in kaart brengen van hersenletsels, uitgevoerd door Barbey en collega’s, levert bewijs voor de P-FIT theorie van intelligentie.

Hersenletsels op jonge leeftijd, geïsoleerd aan één kant van de hersenen, resulteren meestal in een relatief gespaarde intellectuele functie en met een IQ in het normale bereik.