Hoe de geest zich liet kennen

Bij ‘het meten van de geest’ denken we vandaag al snel aan hersenscans, elektroden en computermodellen. Of aan een IQ-test, of een persoonlijkheidstest. In het midden van de negentiende eeuw zag dat er echter heel anders uit. Franciscus Cornelis Donders, die als oogarts de nodige roem had vergaard, wilde wel eens weten wat tot dan toe als onmeetbaar gold: hoeveel tijd verstrijkt er tussen het moment waarop wij iets waarnemen en het moment waarop wij daarop reageren?

Hoe lang duurt het oponthoud in ons hoofd – het tijdsbestek waarin het herkennen van beelden of geluiden, het kiezen uit de passende reacties, en de voorbereiding van de betreffende lichamelijke handeling plaatsvindt? Wat in het hoofd gebeurt bestaat uit onzichtbare mentale processen. Donders maakte die ongrijpbare activiteiten van de geest toegankelijk, simpelweg door te meten hoeveel tijd ze kostten. Via een microfoon, een morse-seinsleutel, en een bewegend stiftje dat krassen maakte op een ronddraaiende roettrommel maakte hij die tijd zichtbaar op papier. Via deze omweg liet de geest zich alsnog uitlezen: de omweg van het proefondervindelijk onderzoek.

De ware weg tot de wetenschap

De enige ware weg tot de wetenschap, zo werd de studenten aan de Utrechtse universiteit ingeprent, liep langs proefondervindelijk onderzoek. ‘Men heeft ingezien’, zou Donders schrijven, ‘dat alle bespiegeling ijdel is, die niet met waarneming en onderzoek te rade gaat.’

Een fraai voorbeeld hiervan zien we in een artikel van zijn hand in het Nederlandsch Lancet in 1848, waarin Donders zijn voorliefde voor microscopisch onderzoek etaleert. In die jaren was er tekort aan melk, vanwege de groeiende bevolking en verstedelijking. Men vermoedde dat de schaarse melk nogal eens werd verdund met water. In Parijs zou het zelfs worden aangelengd met organisch materiaal, zoals de waterige hersenen uit de kippenslacht.

Zulke praatjes zijn met de microscoop vrij eenvoudig te verifiëren, schreef Donders: ‘zonder eenige moeite herkent men de kleine bloedvaten der hersenen en de overblijfselen der zenuwbuisjes tusschen de melkbolletjes.’ Wat niet onmiddellijk zichtbaar was, kon langs proefondervindelijke weg alsnog aanschouwelijk worden gemaakt.

Eenmaal benoemd tot hoogleraar zou Donders dan ook meteen een laboratorium inrichten, met microscopen en al. Hij werd beroemd als oogarts, maar hij breidde zijn blik al gauw uit van het oog naar het zenuwstelsel. Om te beginnen het zenuwstelsel van de kikvors, want dat was veel makkelijker meetbaar en ontleedbaar dan bij andere dieren.

Lichaam-Geest

De relatie tussen lichaam en geest zou Donders een leven lang bezighouden. Halverwege de zeventiende eeuw had René Descartes al omstandig betoogd dat de ziel zich ten ene male onttrok aan de wetten van materie en beweging waaraan het lichaam onderworpen was. In 1800 had Immanuel Kant verklaard dat de psychologie nooit een echte wetenschap zou worden, aangezien mentale verschijnselen niet geanalyseerd kunnen worden in termen van ruimte en tijd, en dus niet kunnen worden gemeten. De psychologie kan mentale processen misschien wel beschrijven, maar niet meten of analytisch benaderen.

Maar dat betekent nog niet dat je de geest überhaupt niet kunt onderzoeken in relatie tot het zenuwstelsel. Volgens Descartes zat het contactpunt tussen lichaam en geest in de pijnappelklier, een klier die precies middenin de hersenen ligt. Maar Descartes was beter in filosoferen dan in ontleden, want het anatomische fundament van zijn betoog, hoewel origineel en best goed bedacht, bleek op drijfzand gebouwd.

De relatie tussen lichaam en geest bleef een raadsel. Vragen over die relatie bleven haken zolang niemand wist hoe men de onzichtbare mentale processen zelf kon vastleggen.

De eerste psychologen waren astronomen

Frans Donders bezag mentale processen vanuit zijn stiel als fysioloog; experimenteren en meten waren zijn instrumentarium. Mentale verschijnselen, zo erkende hij, kun je niet wegen: ‘wij kennen geen eenheid voor de numerieke uitdrukking van gevoel, verstand en wil.’ Maar dat sloot een kwantitatieve benadering niet uit. Integendeel. Hij zocht de oplossing echter niet in de hersenfysiologie. Donders zocht het elders.

Want één heel belangrijk aspect van mentale verschijnselen liet zich terdege meten: niet waar die processen precies plaatsvinden, maar hoe ze zich ontvouwen – in hun tijdsduur. Ironisch genoeg kwam de sleutel tot het meten van de duur van mentale processen niet uit de fysiologie, maar uit een heel andere wetenschap: de astronomie. Het begon niet in het fysiologisch laboratorium, maar in het sterrenkundig observatorium: met het meten van het tijdstip van gebeurtenissen in het heelal. De eerste psychologen waren astronomen.

Sterrenmeters

In 1675 was in Greenwich bij Londen het Koninklijk Observatorium gebouwd. Met de nieuwe sterrenkijker ging het observeren van de baan van hemellichamen nauwkeuriger dan ooit. Sir Nevil Maskelyne was daar vanaf 1765 de Astronomer Royal, en dat zou hij zesenveertig jaar lang blijven, tot aan zijn dood. In zijn tijd draaide het in de astronomie om het in kaart brengen van de baan van sterren, en daarmee om de nauwkeurige waarneming van het precieze tijdsverloop van hun baan langs het firmament. Hiertoe was de zogeheten oor-en-oog-methode gangbaar (zie figuur hieronder). Eén voorval rond deze methode is in het bijzonder berucht geworden.

In 1796 ontsloeg Maskelyne zijn assistent Kinnebrook. Bij het controleren van de metingen stelde Maskelyne vast dat Kinnebrook de tijd van stellaire transits (het moment dat een ster in je telescoop een vooraf bepaald punt passeert) systematisch te laat waarnam – bijna een seconde later dan hijzelf. Voor iemand wiens baan het is om de tijd van stellaire transits tot op de tiende seconde nauwkeurig waar te nemen, is een fout van een volle seconde ernstig genoeg om ontslagen te worden.

De persoonlijke vergelijking

Deze noot in de marge van de geschiedenis werd later opgepikt door Friedrich Bessel, directeur van het Koninklijk Observatorium in Königsberg in Pruisen. Bessel raakte steeds meer geïntrigeerd door het Kinnebrook incident. Hij bestudeerde het in detail, en besloot te onderzoeken of deze zo schijnbaar kolossale fout misschien méér was dan een incident.

In 1820 verzon Bessel een experiment dat met recht klassiek is gaan heten. Bessel selecteerde tien sterren. Gedurende vijf opeenvolgende nachten observeerde hij de transits van die tien sterren, samen met de vermaarde Finse astronoom Johan Walbeck. Bij vergelijking van hun resultaten bleek dat Walbeck de transits telkens later waarnam dan Bessel. Meestal zelfs meer dan een seconde later, een afwijking die nog groter was dan die van Kinnebrook. Waar Kinnebrook slechts een onervaren assistent was, waren Walbeck en Bessel allebei erkende experts. Wie zat er dan naast? Walbeck, of toch Bessel? Of allebei?

Bessel noteerde het verschil in waarneming tussen beide astronomen, en noemde dat verschil de ‘persoonlijke vergelijking’. In de jaren daarna nam hij elke gelegenheid te baat om ook met andere astronomen persoonlijke vergelijkingen te berekenen. Het verschijnsel bleek robuust: er zat altijd verschil in de waarnemingstijden. Bovendien kwam hij tot de ontdekking dat er nogal wat variatie zat in die persoonlijke vergelijkingen. Je kon je afvragen of het verschil wel een fout genoemd moest worden, want het was onmogelijk te zeggen wiens waarneming nou juist was. (Achteraf bezien was het ontslag van Kinnebrook misschien toch wat voorbarig geweest…)

Zenuwmeters

Wat begon als een technisch probleem in de sterrenkunde, zou uitgroeien tot een methode om de geest te meten. Dat de visuele waarneming überhaupt tijd kost, mocht op zichzelf al verrassend heten. Want zenuwgeleiding gaat sneller dan het licht – althans, dat werd toentertijd algemeen aangenomen. En omdat waarneming via de zenuwen loopt moet het wel een ogenblikkelijk proces betreffen, dat geen noemenswaardige tijd kost.

Maar dan moest je net Donders hebben. ‘Heeft de gedachte dan een oneindige snelheid’, vroeg hij zich af, ‘of is het mogelijk de tijd te meten die nodig is voor de vorming van ideeën en het nemen van beslissingen?’ Als zenuwgeleiding en waarneming niet oneindig snel verlopen, als ze zelfs meetbaar zijn, dan konden de verschillen tussen waarnemers misschien wel worden toegeschreven aan individuele verschillen in de snelheid van zenuwgeleiding. Maar hoe moest je dat meten?

Tijdmeters

In 1847 had Karl Ludwig de kymograaf uitgevonden, een apparaat waarbij twee wijzers lijnen trekken op een ronddraaiende roettrommel (een cilinder met daaromheen wit papier dat met een dunne laag roet was bedekt, door de cilinder boven een petroleumvlam rond te draaien). Een elektromagneet maakte dat de eerste wijzer elke seconde een markeerpunt zette. De tweede wijzer registreerde een gebeurtenis naar keuze – bijvoorbeeld het moment dat je tussen duim en wijsvinger een soort morse seinsleutel indrukte: zodra de metalen uiteinden tegen elkaar aan gedrukt werden, werd een stroomkring gesloten, en precies op dat moment kraste de tweede wijzer een markeerpunt op de roettrommel.

(De morse seinsleutel amper was tien jaar eerder geïntroduceerd door Samuel Morse, om in codetaal berichten te versturen met de elektrische telegraaf, die net dat jaar in gebruik werd genomen.)

De kymograaf maakte de tijdmeting zó nauwkeurig dat tijdsintervallen in duizendsten van seconden konden worden gemeten. Dat was zo nieuw dat er zelfs nog een term voor verzonnen moest worden: ‘milliseconde’. Het was alsof je de tijd onder een microscoop legde: de nieuwe chronometrie opende een venster op een wereld van verschijnselen waarvan je voordien geen voorstelling kon maken.

De astronoom Adolphe Hirsch bedacht in 1862 het begrip ‘fysiologische tijd’ (de tijd die verstrijkt tussen de aanbieding van een prikkel en de reactie van de proefpersoon daarop). Hirsch presenteerde de fysiologische tijd als een puur lichamelijke factor, een factor die astronomen moesten gebruiken om hun waarnemingen te corrigeren om tot betrouwbare metingen te komen. Maar was het wel puur en alleen lichamelijk? Zou er, naast fysiologische factoren, geen rol weggelegd kunnen zijn voor psychische processen?

Het landschap van de geest

In de vroege jaren 1860 liet Donders enkele van zijn medewerkers experimenteren in een sterrenwacht, met een kymograaf die nog was gebruikt voor het meten van stellaire transits. Dat ging zo goed dat Donders een eigen kymograaf liet bouwen voor zijn Utrechtse laboratorium. Er zongen al gauw berichten rond: ‘In Utrecht meet men de snelheid van het menschelijk denken’.

Donders was als een ontdekkingsreiziger die besefte dat er een nog onbetreden land voor hem lag, waarvan geen cartograaf zich zelfs maar een voorstelling had kunnen maken. Het landschap van de geest. Om dat landschap in kaart te brengen rolde hij zijn astronomische tijdmeters uit. Het uitzicht was adembenemend.

Het meten van de duur van psychische processen kreeg al snel een eigen naam: mentale chronometrie. Donders liet de fysiologische tijd (die in de loop der tijd ‘reactietijd’ ging heten) bepalen onder allerlei specifieke omstandigheden. De reactietijden werden vervolgens gemiddeld over een reeks proeven (om de betrouwbaarheid te vergroten), en tevens bij veel verschillende personen gemeten (om de robuustheid vast te stellen). Dat waren stevige stappen, die de mentale chronometrie al meteen tot een alleszins respectabele experimentele tak van wetenschap bestempelden.

Geestmeters

Donders gaf elektrische prikkels (voelbaar maar niet pijnlijk) op de linker- of rechtervoet, en vroeg de proefpersonen daarop zo snel mogelijk te reageren door de seinsleutel in respectievelijk hun linker- of rechterhand te sluiten. Eerst bepaalde hij de reactietijd wanneer de proefpersoon van tevoren wist op welke voet de prikkel zou komen (en dus met welke hand hij moest reageren). Vervolgens introduceerde hij een beslismoment: hij bepaalde de reactietijd wanneer de proefpersoon niet van tevoren wist op welke voet de prikkel zou komen (en dus ook niet met welke hand hij moest reageren). De reactietijd was 66 milliseconden langer wanneer de plek van prikkeling niet tevoren bekend was. Dit was, in Donders’ eigen woorden…

…den tijd, die er noodig was, om zich voor te stellen, welke zijde werd geprikkeld, en om, in verband met die voorstelling, de werking van den wil rechts of links te bepalen.

Het ging volgens hem over ‘de eerste meting van een welomschreven mentaal proces’.

Donders breidde de metingen uit naar prikkels in het visuele domein (rood versus wit licht) en het auditieve domein (verschillende lettergrepen). Kleuren identificeren bleek een stuk langzamer te gaan dan de plaats van prikkeling bepalen; lettergrepen identificeren zat er ongeveer tussenin. (Doorgaans was Donders zelf ook een van de proefpersonen. Hij stelde vast dat het keuze-dilemma hemzelf ruimschoots de meeste tijd kostte, hetgeen hij vooral aan zijn leeftijd weet.)

De gedachtensnelheidsschrijver

Voor een cruciale serie experimenten bouwde Donders een phonautograaf of automatische geluidsschrijver, waarmee het menselijk geluid werd vastgelegd en zichtbaar gemaakt als een trilling. De phonautograaf vormde een centraal onderdeel van Donders’ noëmatachograaf of gedachtensnelheidsschrijver. Het apparaat, geïnspireerd op de anatomie van het menselijk oor, bevatte een soort grammofoon waarmee je kon opnemen in plaats van afspelen.

De hoorn van de noëmatachograaf was geen luidspreker, maar een dubbele spreekbuis, een soort reusachtige oorschelp. Als je erin sprak, bracht dat via een membraan (vergelijkbaar met het trommelvlies in je oor) een naald in trilling, en die naald kraste de trilling in de vorm van een golf op de ronddraaiende roettrommel. Zo werd geluid omgezet in een visueel spoor dat later uitgelezen kon worden.

Met de dubbele spreekbuis kon je de geluiden van twee geluidsbronnen naast elkaar registreren. Bijvoorbeeld van twee mensen die beurtelings een lettergreep uitspraken. Door een geijkte stemvork aan te slaan en de trilling daarvan mee te laten krassen op het roetpapier kon je heel precies het tijdverschil tussen de twee klanken meten. En daarmee de duur van de mentale processen die de tweede spreker nodig had om op de eerste te reageren.

Het experiment

Op 21 augustus 1865 om 7 uur ’s avonds startte Frans Donders zijn experiment met de gedachtensnelheidsschrijver. Een student was de ‘voorzegger’: zij sprak telkens de lettergreep ki uit, die Donders dan zo snel mogelijk nazegde. Dit noemen we de simpele reactie. Bij simpele reacties hoef je niet vast te stellen om welke prikkel het precies gaat, want die is telkens dezelfde. En je hoeft ook niet te bepalen met welke uitspraak je moet reageren: zodra je wat hoort knal je de al voorbereide reactie er gewoon zo snel mogelijk uit. Zodra je ki hoort zeg je zo snel als je kunt ook ki.

Vervolgens las de student een lijst met afwisselend de lettergrepen ka, ke, ki, ko, en ku voor. Donders zei elke lettergreep zo snel mogelijk na; dit noemen we de keuze reactie. Bij keuze reacties moet je eerst vaststellen welke lettergreep je precies hoort, en dat kost tijd. Daarna moet je uit je actie-repertoire dát programma uitkiezen dat leidt tot het uitspreken van precies díe lettergreep; en ook dat selecteren (of die ‘wilsbeschikking’, zoals Donders het noemde) kost tijd.

Tot slot las de student zulke lijsten nogmaals voor, maar de spelregel was nu net even anders. Donders zei nu nog wel de ki na, maar hield bij alle andere lettergrepen zijn mond. Reacties in deze taakversie noemen we de selectieve reactie: selectief reageren op één prikkel, maar niet op andere. Bij selectieve reacties, waarbij je uitsluitend de ki hoeft na te zeggen, moet je wel nog steeds vaststellen welke lettergreep je hoort, hetgeen nog net zoveel tijd kost als voorheen. Maar een uitspraakprogramma hoef je vervolgens niet meer te selecteren – als je een lettergreep moet uitspreken is het immers áltijd ki, dus het uitspraakprogramma voor ki staat al in de startblokken. En iets wat je niet hoeft te doen kost geen tijd, redeneerde Donders. En dus moet ki zeggen sneller gaan bij een selectieve reactie, waar je uitsluitend de lettergreep ki hoeft na te zeggen, dan bij een keuze reactie, waar je élke lettergreep moet nazeggen en dus telkens het bijbehorende uitspraakprogramma moet kiezen.

• Donders’ simpele reactietijd bedroeg gemiddeld 201 milliseconden.
• Donders’ keuze reactietijd bedroeg gemiddeld 284 milliseconden.
• Donders’ selectieve reactietijd bedroeg gemiddeld 237 milliseconden.

De subtractiemethode

Mooi, maar hoe berekende je nu de tijdsduur van mentale processen? Welnu: bij selectieve reacties moet je altijd eerst de lettergreep identificeren; bij simpele reacties is dat niet nodig. De tijd die nodig is voor het identificeren van de lettergreep verkreeg Donders derhalve door de simpele reactietijd (RT) af te trekken van de selectieve RT. Dat mentale proces van identificeren kostte dus precies 36 milliseconden.

Bij keuze reacties moet je ook altijd eerst de lettergreep identificeren, en bovendien moet je vervolgens de bijbehorende actie (het uitspraakprogramma voor de betreffende lettergreep) selecteren. Bij simpele reacties is dat allemaal niet nodig. De tijd die nodig is voor het identificeren van de lettergreep plus het kiezen van de juiste actie verkreeg je dus door de simpele RT af te trekken van de keuze RT. Dat identificeren plus kiezen kostte 83 milliseconden.

Waar je bij selectieve reacties alleen de lettergreep hoeft te identificeren, moet je bij keuze reacties bovendien óók de bijbehorende actie selecteren en klaarzetten. De tijd die nodig is voor het kiezen en klaarzetten van de juiste actie verkreeg je dus door de selectieve RT af te trekken van de keuze RT. Dat kiezen kostte 47 milliseconden.

Om het mentale leven te ontleden hoefde Donders niet in hersenweefsel te snijden: hij ontleedde de tijd. Zijn instrument was geen mes, maar een klok die zich als een spoor op papier liet aflezen. Al doende wist Donders de geest te onttoveren.

Donders’ cruciale gedachte was dus eenvoudig: de duur van een specifiek psychologisch proces, zoals het identificeren van de stimulus, of het kiezen van een respons, kon worden bepaald door dat proces toe te voegen aan een eenvoudiger proces, en vervolgens simpelweg de toename in RT te meten. Die toename is dan een maat voor de tijd die het extra mentale proces in beslag neemt. Deze methode zou bekend komen te staan als Donders’ subtractiemethode.

De snelheid van mentale processen

In 1868 verscheen De snelheid van mentale processen, Donders belangrijkste publicatie over dit onderwerp. Sinds 1865 had hij een grote hoeveelheid aanvullende experimenten gedaan. In zijn artikel stelde Donders zich ten doel slechts in beknopte vorm de hoofdpunten weer te geven. Hij kwam tijd te kort, zo beklaagde hij zich, om de verzamelde gegevens naar behoren uit te werken, maar hij hoopte later een vollediger verslag het licht te doen zien.

Donders klaagde dat hem de tijd ontbeerde om alles naar behoren uit te werken. De ironie is moeilijk te missen. De man die de duur van psychische processen in duizendsten van seconden uiteen rafelde, werd zelf ingehaald door de tijd. Het uitvoeriger relaas zou er nooit komen – wellicht mede naar aanleiding van de dood van zijn geliefde dochter Marie in 1870, in het kraambed van haar tweeling. Een overlijden dat Donders nooit te boven is gekomen.

Donders’ erfenis

Donders’ werk opende een nieuw perspectief op het lichaam-geest probleem, een nieuwe weg waar tijdgenoten veel heil in zagen. Door een probleem uit de astronomie — het vaststellen van tijdsverschillen tussen waarnemers — te combineren met de experimentele methoden van de fysiologie, was een onderzoeksprogramma geopend dat onmiskenbaar behoorde tot een nieuwe wetenschappelijke discipline: de psychologie.

Zijn kernidee was even eenvoudig als vruchtbaar: niet de inhoud, niet de locatie, maar de tijd maakte mentale processen toegankelijk voor meting. In het bastion van de geest, tot dan toe zo onneembaar, gloorde een smalle opening waardoor de geest experimenteel benaderd kon worden. Die gedachte vond snel weerklank, en werd in de psychologische literatuur breed overgenomen. De systematische ontwikkeling van de mentale chronometrie vond vooral plaats in Duitsland, met name in Leipzig, waar Wilhelm Wundt een uitgebreid onderzoeksprogramma opzette. In zijn laboratorium — het eerste ter wereld dat zich expliciet aan experimentele psychologie wijdde — werden reactietijden gebruikt om elementaire psychische processen in kaart te brengen.

Wundt erkende Donders nadrukkelijk als de pionier van de proefondervindelijke fysiologie van de geest:

Donders komt de verdienste toe dat hij als eerste heeft gepoogd om de duur van onderscheidings- en keuzehandelingen te bepalen door middel van de reactiemethode.

De instrumenten en concepten uit Utrecht zouden voortaan dienen als cartografisch gereedschap voor een nieuw te exploreren terrein.

Het ontleden van de geest

Gaandeweg werd duidelijk dat de meetbaarheid van mentale processen ook nieuwe vragen opriep. Liet het toevoegen van een mentale stap de overige processen wel werkelijk onveranderd? Zouden mentale handelingen niet van karakter kunnen veranderen door bijvoorbeeld oefening en verwachting? Bij veel herhaling kan, wat aanvankelijk begon als bewuste keuze, immers langzaam maar zeker een geautomatiseerde respons worden.

En dat een reactie sneller of langzamer is, kan ons misschien wel iets vertellen over de duur en structuur van mentale processen, maar daarmee wist je natuurlijk nog niet welke specifieke gedachte, beslissing of waarneming gemeten werd. Zo begon tegen het einde van de eeuw het vertrouwen in een volledige tijdkaart van de geest langzaam te wankelen. Een volledige ontleding van de geest, in termen van de duur van de verschillende mentale processen, leek onhaalbaar. De chronometrie had veel gegevens opgeleverd, maar nog geen definitieve structuur van het mentale leven blootgelegd.

Dat Donders’ oorspronkelijke ambitie daarmee niet werd ingelost, doet weinig af aan zijn betekenis. Duizenden en nog eens duizenden reactietijd-experimenten hebben ons sedertdien van alles geleerd over de factoren die van invloed zijn op de duur van allerlei mentale processen, en, niet in de laatste plaats, individuele verschillen daarin. Door de tijd tot een meetbare grootheid te maken, heeft Donders de geest blijvend binnen het bereik van het experiment gebracht.

Bronnen