College-aantekeningen bij Cognitieve Neurowetenschappen aan de Universiteit Utrecht - 2013/2014

Hoorcollege 1 (12-11-2013)

Deel 1 Introductie

De cursus behandelt de manier waarop mentale processen gerealiseerd worden door het (menselijke) brein. Met name wordt ingegaan op functies als aandacht, geheugen, executieve functies, emotie, aansturing van motoriek en hun onderlinge relaties. Speciale aandacht is er voor netwerken van neuronen of hersengebieden waarin de geïntegreerde functies geïmplementeerd zijn, en voor de methoden om deze te onderzoeken. De cursus begint dan ook met een gedetailleerde behandeling van cognitief-neurowetenschappelijke technieken zoals functionele magnetische resonantie imaging (fMRI) en event-related potentials (ERP).

De eerste “wetenschap” die hersenstructuur probeerde te koppelen aan functie was de frenologie. In de frenologie werd gekeken naar de vorm van de schedel en er werd (foutief) gedacht dat de vorm van de schedel correspondeerde aan de vorm van de hersenen. Er werden verschillende gebieden onderscheiden die bepaalde functies hadden en “hersenorganen” genoemd werden. De belangrijkste frenologie was Franz Joseph Gall en die was zijn tijd ver vooruit door te denken aan functionele differentiatie in het brein. Toch is frenologie niet hetzelfde als cognitieve neurowetenschap, omdat binnen de cognitieve neurowetenschap:

• Functies worden gedefinieerd en getest op basis van grondige experimenten

• Cognitieve neurowetenschap gebaseerd is op het testen van hypotheses

• Er op een multidisciplinaire manier gezocht wordt naar convergerend bewijs

Het brein is geen a-morfische massa, het heeft een fijnkorrelige differentiatie in type cellen, verbindingen en neurotransmitter systemen. De anatomie van het brein geordend op basis van cel structuur wordt cytoarchitectuur genoemd. Brodmann was de eerste die dit deed en vandaag de dag word zijn corticale verdeling in verschillende gebieden nog steeds vaak gebruikt.

Het menselijk brein is behoorlijk goed ontwikkeld, het is het product van evolutie. Zelfs in knaagdieren met hersenen ter grote van een walnoot zijn de hersenen genoeg geëvolueerd om zaken als emotie te ervaren. In evolutie bouwen systemen bovenop andere systemen, sommige systemen in het menselijk brein zijn bijna hetzelfde als die in lagere dieren. Zeeslakken hebben bijvoorbeeld ook neurale netwerken, en ratten hebben ook een limbisch systeem. De Neo-cortex die mensen hebben is redelijk laat geëvolueerd, en in het bijzonder de prefrontale cortex.

Blindzicht(blindsight): Mensen met schade aan de visuele cortex zien subjectief gezien niets, maar wanneer men ze vraagt om te gokken waar een bepaalde stimulus werd aangeboden gokken ze behoorlijk goed en veel beter dan men bij puur toeval zou verwachten. Toch dneken deze mensen niets gezien te hebben.

Belangrijk in de cognitieve neurowetenschap is het definiëren en modelleren van:

• Stappen in de informatieverwerking

• Implementatie in het brein

• Computationele problemen

(in deze cursus worden voornamelijk de bovenste twee stappen behandeld)

Voor lange tijd werd het brein gezien als een soort zwarte doos, waar informatie in gaat en gedrag uitkomt, en niemand wist wat er precies gebeurde in het brein, tegenwoordig wordt hier dan ook anders tegen aan gekeken binnen de cognitieve neurowetenschap.

Er zijn verschillende methoden om activiteit in het brein te meten, de belangrijkste zijn:

• EEG/ERP: elektrofysiologische neuro-imaging

• PET: metabolische neuro-imaging, het detecteert radioactieve stoffen die ingespoten worden in het brein en geabsorbeerd worden door sommige cellen voor activiteit in specifieke systemen. Het grootste nadeel is dat je de patiënt/proefpersoon moet injecteren met een radioactieve stof, dit kan schadelijk zijn.

• (F)MRI: metabolische neuro-imaging, kan gebruikt worden voor het meten van de structuur (MRI), en voor functie door de zuurstoftoevoer te meten (Functionele MRI)

• In-vivo meting van neuronale activiteit: meting van neuronale activiteit in een levend wezen

• Het effect van laesies op functies: bij dubbele dissociatie heeft patiënt A een laesie in hersengebied “A” en kan een bepaalde taak, “taak A”, niet goed uitvoeren, maar een andere taak, “taak B”, wel. Patiënt B heeft een laesie in hersengebied “B” en kan een bepaalde taak, “taak B”, niet goed uitvoeren, maar een andere taak, “taak A”, wel. Daaruit kan je conclusies trekken welke hersengebieden te maken hebben met bepaalde taken, dus hersengebied A met taak A, en hersengebied B met taak B.

• Het effect van virtuele laesies op functies: Met Transcraniële magnetische stimulatie (TMS), kunnen bepaalde hersengebieden korte tijd geactiveerd of gedeactiveerd worden en daarvan kunnen de effecten op bepaalde functies bestudeerd worden.

Deel 2 EEG/ERP

Spatiale resolutie is hoe nauwkeurig je kan meten waar iets is, temporele resolutie hoe precies je kan meten wanneer iets is. ERP heeft een goede temporele resolutie, er kunnen gebeurtenissen gemeten worden tot op 10 milliseconden, maar heeft een niet erg goede spatiale resolutie. FMRi heeft juist weer een lage temporale resolutie, van een aantal seconden, maar heeft een goede spatiale resolutie tot op 1 millimeter. Hoe beter de resolutie, hoe nauwkeuriger en kleiner je dus kunt meten.

Elektromagnetische meetmethoden voor hersenactiviteit:

• Niet-invasieve elektrofysiologie in mensen:

  • Electroencephalogram (EEG)

  • Event-related potential (ERP)

  • Magnetoencephalogram (MEG)

• Invasieve technieken in mensen/dieren

EEG geeft een directe reflectie van post-synaptische (dendritische) potentialen (PSP), die post-synaptische potentialen ontstaan door een tijdelijke sommatie van exciterende post-synaptische potentialen (EPSP) en inhiberende post-synaptische potentialen (IPSP). Het reflecteert NIET de actiepotentialen in de neuronen. Een actiepotentiaal is een “alles of niets signaal” dat beweegt over een axon en een boodschap doorgeeft aan andere signalen, mits de juiste drempelwaarde wordt bereikt. Die drempelwaarde wordt bereikt wanneer er voldoende sommatie is van EPSP. Hoewel actiepotentialen dus in verband staan met post-synaptische potentialen, is het wel degelijk iets anders, en EEG meet dus voornamelijk post-synaptische potentialen.

Noodzakelijke condities om een signaal aan de buitenkant van de hersenen te kunnen meten:

• Grootschalige activiteit

• Corticale activiteit

• Synchronisatie van activiteit

Actiepotentialen zijn niet gesynchroniseerd! Daarom meet het EEG die niet.

• Live meting: meting tot op de milliseconde

EEG meet dus volume geleiding die gemeten kan worden op de schedel. De schedel is alleen een slechte geleiding en daarom is het beeld vertekend (slechte spatiale resolutie!). Lokalisatie van de bron van de activiteit is mogelijk, maar daarvoor zijn meerdere oplossingen mogelijk, het zogeheten inverse-probleem: meerdere soorten activiteit in de hersenen kunnen hetzelfde EEG signaal aan de buitenkant geven. Om duidelijk te kunnen lokaliseren is dus convergerend bewijs nodig.

MEG is de magnetische tegenhanger van EEG, het signaal wordt niet verstoord door de schedel waardoor betere inter-craniale lokalisatie mogelijk is (betere spatiale resolutie dus). Maar hele kleine magnetische velden zijn moeilijk en duur om op te pikken (omdat de machine heel erg gekoeld moet worden). De gevoeligheid voor de richting van het magnetische veld is afhankelijk van de oriëntatie van de MEG-spoelen. Ook wordt het signaal van neuronen die horizontaal liggen ten opzichte van de schedel , bijvoorbeeld in een hersenplooi(sulcus) beter opgepikt dan bij verticale neuronen, omdat het gecreëerde magnetische veld in een cirkel om de richting van de activiteit liggen.

Kort samengevat heeft EEG/ERP een lage spatiale resolutie maar een hoge temporele resolutie.

EEG kan worden toegepast om de basale brein staat (basal brain state)van iemand te meten. Wanneer iemand in rust is en zijn ogen dicht doet zijn er grote langzame golven te zien, wanneer ze hun ogen openen krijg je kleinere en snellere golven. In een ontspannen staat met de ogen dicht zijn alpha golven te zien. Hoe hoger de frequentie van het signaal (hoe meer golven per minuut) , hoe hoger de arousal van die persoon.

Langzame golven, theta golven geven lage arousal aan, en snelle golven, bèta golven, geven hoge arousal aan. De opwinding (arousal) van iemand is dus te quantificeren met een theta/bèta ratio. Stimulerende middelen zoals cafeïne verlagen de theta/bèta ratio en verhogen daarmee de arousal, omdat de bèta golven in verhouding toenemen. In een bepaalde subgroep van ADHD patiënten is de theta/bèta ratio verassend genoeg juist verhoogd, wat betekent dat ze minder arousal hebben, met name in de cortex, dit wordt corticale hypo-arousal genoemd. Bij deze subgroep met verhoogde theta/bèta ratio hebben stimulerende medicijnen, zoals methylfenidaat het meeste effect

Vanwege te weinig tijd is het deel van het college specifiek over ERP overgeslagen en zal in een later college 5 nog besproken worden.

Hoorcollege 2 (19-11-2013)

Deel 1 Single unit recording

Single unit recording: Meet elektrofysiologische activiteit (actiepotentialen) van één neuron. Dit wordt gedaan door een elektrode in te brengen dichtbij (of in) het neuron. De elektrode in de hersenen meet de verstoring in de elektrische activiteit veroorzaakt door het actiepotentiaal dat van het soma (cellichaam) langs de axon beweegt.

Er zijn twee soorten single unit recording:

• Intracellular recording: meet heel exact binnen in de cel, maar wordt niet veel gebruikt in de cognitieve neurowetenschap omdat het een erg ingewikkelde methode is (het is lastig de elektrode in een specifieke cel te krijgen zonder deze te beschadigen)

• Extracellular recording: Meet buiten de cel en is het meest gebruikt binnen de cognitieve neurowetenschap. Er wordt een elektrode ingebracht in de hersenen, alleen het puntje van de elektrode is geleidend en is ongeveer 50 micrometer groot. Omdat de elektrode niet in een cel wordt aangebracht worden er vaak meerdere neuronen gemeten, maar omdat het geleidende puntje zo klein is worden er niet heel veel neuronen gemeten, alleen de neuronen in de directe omgeving van de elektrode. Maar het is dus niet zo exact als intracellular recording, omdat je ook niet weet waar de elektrode zich bevindt ten opzichte van de gemeten neuronen. Nadat het signaal is opgepikt door de elektrode wordt het versterkt door een pre-amplifier en vervolgens een amplifier, daarna wordt het gedigitaliseerd door een DAQ systeem en opgeslagen in een computer.

Als je dicht bij meerdere neuronen meet kan je sorteren met een computationele techniek die “spike sorting” heet. Het ruwe signaal wordt gefilterd in local field potentials en actiepotentialen. Vervolgens worden de verschillende actiepotentialen uit elkaar gehaald aan de hand van hun karakteristieke pieken (spikes). En zo komt men op de actiepotentialen van elk neuron. Dit is makkelijker toe te passen wanneer er meerdere elektrodes heel dicht bij elkaar in de hersenen aanwezig zijn.

Meten met meerdere elektrodes dicht bij elkaar heet “high density multi electrode recording”, bijvoorbeeld met 4 pinnen met meerdere geleidende contactpunten, bijvoorbeeld 4 pinnen met elk 8 elektrode erop, dan heb je 32 elektrodes in totaal. Met deze methode kan je ook onderzoeken hoe de neuronen met elkaar interacteren. Een variant hierop met meer ruimte tussen de elektrode wordt “systems level multi electrode recording” genoemd.

Single unit recording bij mensen is niet ethisch, omdat daarbij de schedel moet worden opengemaakt wat risico’s met zich meebrengt. Het wordt bij mensen dus alleen gedaan als de hersenen al geopend zijn voor medische redenen zoals bijvoorbeeld epilepsie. Door single unit recording is er ontdekt dat langzame hersengolven die tijdens de slaap aanwezig zijn lijken te beginnen in de prefrontale cortex en naar achteren en naar beneden zich verspreiden in de hersenen. Dit werd pas ontdekt toen men direct in de hersenen kon meten.

Kort samenvattend is single unit recording:

• Erg geschikt voor het bestuderen van neurofysiologische mechanismen van cognitie: het heeft een hele hoge spatiale resolutie en een hele hoge temporale resolutie.

• Het wordt hoofdzakelijk toegepast bij niet-menselijke dieren, maar heel soms ook bij mensen als de hersenen vanwege een medische noodzaak elektroden in de hersenen geïmplanteerd krijgen

Deel 2 Auditieve perceptie

Geluid is een snelle trilling van de lucht, die voor een lokale verstoring van druk zorgt. De verstoring beweegt zich als een trilling voort door de lucht. Sensatie: een transformatie van externe gebeurtenissen in neurale activiteit. Perceptie: Het verwerken van sensorische informatie tot een nuttige representatie van externe objecten die de sensatie hebben geproduceerd. Er is alleen één probleem: de lucht is een ééndimensionaal process, maar toch begrijpen de hersenen het wanneer je meerdere geluiden tegelijk hoort, zoals wanneer je met iemand praat en er tegelijkertijd een auto voorbij rijdt.

Het oor vertaald de akoestische druk in de omgeving tot neurale activiteit voor de perceptie van geluid. Het buitenoor versterkt geluiden tussen de 2-5 kHz, een bereik dat belangrijk is voor de spraakperceptie en helpt bij het lokaliseren van objecten die geluid produceren.

De geluidsgolven die het oor in gaan komen terecht bij het middenoor, waar het geluid het trommelvlies laat bewegen. Het trommelvlies is verbonden met de drie gehoorbeentjes (het hamer, het aambeeld en de stijgbeugel) die op hun beurt weer gaan bewegen en tegen het ovale raam (oval window) aan bewegen waarachter vloeistof gaat bewegen. De vibrerende lucht heeft een lage impedantie en het ovale raam een hoge impedantie, impedantie is de weerstand tegen beweging. De functie van het middenoor is vibraties in de lucht te vertalen naar vibraties in vloeistof.

Het binnenoor: zet beweging van vloeistof om in neurale activiteit. Het belangrijks onderdeel is de cochlea, die zijn naam dank aan het feit dat hij opgerold is als een slakkenhuis. Als je hem uitrolt, is het deel het dichts bij het middenoor de “base” en het uiteinde de “apex”. In de cochclea zit een basilair membraan . Verschillende delen van het basilair membraan bewegen bij verschillende frequenties. Er is altijd geluid dus het membraan beweegt ook altijd, de verschillende mogelijk frequentie zijn niet gelijk gerepresenteerd over het membraan.

Deze beweging van het membraan wordt vertaald in neurale activiteit in het orgaan van Corti. Het orgaan van Corti bevat twee verschillende soorten haarcellen. De buitenste haarcellen hebben te maken met het meer laten vibreren van het membraan, maar de precieze functie is nog niet bekend. De binnenste haarcellen openen ion-kanalen wanneer ze ingedrukt worden en laten ionen naar buiten stromen in de synaps wat een actiepotentiaal in de spirale ganglion cellen veroorzaakt.

Cochleogram: excitatie van het basilair membraan door geluid al seen functie van tijd en plaats.

De middenpons is het eerste punt in de hersenen waar signalen van beide oren samenkomen, daarom is het erg belangrijk voor het lokaliseren van geluid.

De organisatie van het basilair membraan wordt ook geprojecteerd in de primaire auditieve cortex. De verdeling van lage tonen bij de basis van het basilair membraan en hoge tonen bij de apex is dus ook terug te zien in de primaire auditieve cortex, die ook van hoog naar laag geordend is. Dit wordt tonotopische organisatie genoemd. Hogere orde processen zoals spraak- en woord-herkenning vinden plaats in de secundaire auditieve cortex, de zogeheten Belt-gebieden.

De belangrijkste subjectieve kwaliteiten van geluid zijn:

• Luidheid

• Toonhoogte

• Timbre (klankkleur)

Luidheid: luidheid is gerelateerd aan de geluidsdruk maar dat is niet hetzelfde, het hangt ook af van de frequentie, bandwijdte en duur van het geluid

Toonhoogte: Geordende perceptie van hogere en lage tonen. Gerelateerd aan de frequenties van sinus stimuli en complexe periodische geluiden. Toonhoogte is belangrijk voor spraak en muziek, omdat een bepaalde toonhoogte een bepaalde emotie overbrengt. In sommige talen zoals het Chinees bepaald de toonhoogte ook de betekenis van woorden, dus dezelfde klank heeft verschillende betekenissen op verschillende toonhoogtes. Komt ruwweg overeen met de periodiciteit van een geluidsgolf. Het is de melodie van de zin.

Toonhoogte en frequentie worden verschillend verwerkt in de auditieve cortex. Het pitch (toonhoogte) center in de hersenen reageert zowel op pure tonen als op harmonische complexen met ontbrekende fundamentele frequenties. Als het pitch center beschadigt raakt, kunnen complexere geluiden niet meer begrepen worden.

Timbre: een perceptuele kwaliteit die geluiden met dezelfde luidheid en toonhoogte onderscheidt, zoals bijvoorbeeld dezelfde toon op dezelfde luidheid gemaakt door een piano en een gitaar. Het heeft multidimensionale eigenschappen.

We horen niet specifiek de toonhoogte of luidheid van een van geluid, maar auditieve objecten en groepen van auditieve objecten die relevant zijn voor ons gedrag.

Afhankelijk van de frequentie van het geluid kunnen we geluid op twee manieren lokaliseren:

1. Interaural tijdsverschil: de tijd die geluid erover doet om beide oren te bereiken is niet hetzelfde, dit kleine tijdsverschil helpt om de bron van het geluid te bepalen (<3000 Hz)

2. Interaural intensiteitsverschil: Een geluid klinkt harde in het oor dichterbij de geluidsbron (>3000 Hz)

Maar over het algemeen zijn mensen erg slecht in het lokaliseren van geluid en maken we gebruik van andere zintuigen zoals zicht om te bepalen waar geluid vandaan komt.

Kort samengevat zijn de eerste stappen van auditieve perceptie:

• Transductie van geluid in actiepotentialen

• De resonantie van het basilaire membraan zorgt voor tijd-frequentie analyse, wat de basis vormt voor de tonotopische mapping in het auditieve pad

• De relatie tussen akoestische eigenschappen en auditieve eigenschappen is complex

• Er zijn 2 verschillende neurale circuits die kunnen zorgen voorde perceptie van geluidslokalisatie

Hoorcollege 3 (21-11-2013)

Deel 1 functionele MRI (fMRI)

Functionele MRI is een van de meest gebruikte en jongste methoden om menselijke hersenfunctie te meten. Het wordt zo veel gebruikt omdat elk ziekenhuis een MRI machine heeft en elk MRI-apperaat ook functionele MRI uit kan voeren.

MRI, Magnetic Resonance Imaging, werd vroeger NMR(nuclear magnetic resonance) genoemd, MRI is de nieuwe naam. Nuclear is gebaseerd op de kernen (nuclei) van waterstof: protonen. Protonen zijn in feite hetzelfde als magneten, je kan ze manipuleren. Wanneer het MRI apparaat aan gaat creëert dat een magnetisch veld dat zorgt dat de meeste waterstofprotonen wijzen in dezelfde richting. Als er tijdens een MRI RF pulsen, magnetische velden die met een bepaalde frequentie trillen, gezonden worden komen die weer terug en kunnen die gemeten worden. Daarmee wordt de beweging van de protonen gemeten aan de hand van de amplitude van het terugkerende RF signaal, de manier waarop de protonen bewegen wordt bepaald door het soort weefsel waar het zich in bevind en dat beïnvloedt de amplitude van de terugkerende RF pulsen. MRI werkt goed bij zacht weefsel, maar niet bij hard weefsel.

Het MRI signal hangt af van de:

• PD: de proton dichtheid (hoeveel protonen zijn er beschikbaar)

• T1: het opnieuw in lijn komen met het magnetische veld (realignment)

• T2: protonen die niet in lijn met het magnetische veld staan door weefsel interacties

• T2*: T2 en ongewenste verstoringen van het magnetische veld
   

De magneet van een MRI is erg streng en altijd aan, het gemiddelde MRI-apparaat heeft een magnetisch veld dat 60.000 keer zo sterk is als dat van de aarde. Hoe groter de magneet, hoe groter de verschillen in het beeld. Metaal meenemen is gevaarlijk en maakt het beeld kapot.

In een typische fMRI sessie wordt eerst de plaats van de persoon bepaald, vervolgens de anantomie van de persoon en daarna wordt de functionele MRI uitgevoerd. Het verschil tussen MRI en fMRI is dat bij MRI één 3d beeld wordt bepaald en de hersenanatomie wordt gemeten. Bij fMRI worden juist vele beelden na elkaar gemaakt en wordt de hersenactiviteit gemeten, hierbij wordt dus de 4^de dimensie tijd ook gemeten.

Why does fMRI work? Prof. Ogawa wanted to work on the distortions in the MRI scanner. With oxygenated blood there is no signal loss, just with deoxygenated blood there’s signal loss.

Het principe van fMRI werd ontdekt door Professor Ogawa. Ogawa onderzocht de vertekeningen van het beeld in de MRI scanner, met zuurstofrijk bloed is er geen signaalverlies, maar met zuurstofarm bloed is er wel signaalverlies in het T2* (MRI signaal). Op plekken in de hersenen waar neurale activiteit is, wordt zuurstof verbruikt en als een reactie daarop wordt zuurstofrijk bloed daar naar toegevoerd (duurt ongeveer 6 seconden), dit verandert de deoxyhemoglobineconcentratie. Met fMRI wordt die verandering van zuurstofgehalte gemeten, daar zit dus enkele seconden vertraging in. Dit wordt het BOLD signaal genoemd: Blood Oxygenation Level Dependent.
Er zijn echter bepaalde gebieden in de hersenen waar je geen fMRI signal kan meten, zoals achter de oor kanalen of als een bloedvat het signaal verstoort.

“Generic subrtraction recipe”:

1. Je hebt geen hypothese nodig om mee te beginnen, maar dat is wel handig

2. Je meet de hersenactiviteit twee keer, eerst de base line en vervolgens bij een bepaalde stimulus of taak, vervolgens vergelijk je die twee beelden met elkaar met een statistische techniek

3. elke waarde boven een boven een bepaalde drempelwaarde wordt gezien als activiteit in een bepaald hersengebied

4. Vervolgens maak je een lijst van die gebieden en publiceer je het

De eerste fMRI scanner was een verticale sanner die gebruikt werd voor apen. Hij combineerde neurale activiteit en BOLD door elektrofysiologie en fMRI te combineren. Wanneer de neuronen vuren hoor je meer geluiden van de elektrofysiologische meting en zie je meer fMRI signalen. De neuronen stoppen onmiddellijk met vuren en het geluid van de elektrofysiologie dus ook, de fMRI heeft enkele seconden vertraging. Er werd gekeken naar twee soorten neuronale activiteit:

• MUA (Multi Unit Activity) : wanner het neuron vuurt zijn er pieken te zien

• LFP (local field potentials): langzame elektrische signalen en activiteit onder de drempelwaarde om te vuren, zoals synaptische activiteit en voltage afhankelijke membraan trillingen

Als je de MUA en LTP correleert met fMRI, blijkt dat fMRI veel meer correleert met LFP. Er worden dus geen actiepotentialen gemeten , maar de langzame elektrische output van alle neuronen. Normaal zijn echter MUA en LFP ook met elkaar gecorreleert, wanneer men echter gelijktijdig zorgt voor excitatie en inhibitie in de hersenen, nemen de BOLD fMRI en de LFP signalen toe, maar de MUA niet. Omdat de MUA dus alleen actiepotentialen meet en bij simultane excitatie en inhibitie wordt de drempelwaarde om te vuren niet bereikt.

Spatiale resolutie: Voxels zijn de 3d pixels om de bloedvaten die gemeten worden met fMRI (BOLD signaal). Je meet dus geen losse neuronen, maar ongeveer een half miljoen neuronen die om een bepaald bloedvat liggen.

Temporele resolutie: de temporele resolutie bij fMRI is beperkt, ongeacht hoe vaak je per seconde meet, het wordt namelijk beperkt door de biologische snelheid van het bloed, dat er een paar seconden over doet om zuurstofrijk bloed bij actieve hersengebieden te krijgen. Het is dus niet afhankelijk van technische beperkingen.

Deel 2 Visuele perceptie

Voorbeeld van MM: Op driejarige leeftijd verloor hij zijn linkeroog en raakte blind aan zijn rechteroog doordat hij met chemicaliën had gespeeld die in zijn gezicht ontploften. Hij had een beetje lichtperceptie, maar kon geen vorm of contrast onderscheiden. Op 43-jarige leeftijd kreeg hij een hoornvlies stamceltransplantatie in zijn rechteroog. Zijn retina zag er goed uit en had normale retinale reacties. Hoewel hij weer enigszins kon zien bleef zijn zicht erg beperkt, en om bijvoorbeeld een straat over te steken of te skiën deed hij liever zijn ogen dicht, omdat hij wat hij zag beangstigend vond.

Het menselijke visuele system begint in de ogen. Wat we zien wordt omgezet in een hele hoop neurale informatie door de staafjes en kegeltjes op het netvlies. Mensen hebben ongeveer 120 miljoen staafjes die extreme gevoelig zijn, de informatie van vele staafjes convergeert tot 1 ganglioncel. Het beeld van de staafjes heeft een lage resolutie en de staafjes worden vooral s ’avonds en s ’nachts gebruikt bij weinig licht, ze zien ook geen kleur. De kegels daarentegen hebben mensen maar ongeveer 6 miljoen van en die zitten voornamelijk geconcentreerd in de fovea. Ze zijn minder gevoelig en convergeren minder, de meeste kegels hebben hun eigen ganglioncel. Ook zijn de kegels gevoelig voor 3 verschillende golflengtes van licht, waardoor ze kleur registreren. Kegels hebben in tegenstelling tot de staafjes een hoge resolutie en worden voornamelijk overdag in situaties met veel licht gebruikt.

Fovea: Het gebied in het oog dat het zicht ontvangt van het gebied waar men op fixeert in de buitenwereld, zit in het midden van het netvlies. Dit gebied heeft de hoogste resolutie van het hele netvlies. Dit deel van het netvlies laat dus het meest gedetailleerde beeld zien (hogere “acuity”) en het minste vertekening door licht. Dit gebied gebruikt men bijvoorbeeld bij het lezen. In de fovea bevinden zich dus ook voornamelijk kegels, in de periferie (uiteinden van het netvlies) meer staafjes. Als je dus s ‘nachts naar de sterren probeert te kijken zie je ze het beste wanneer je net naast de sterren kijkt, omdat het beeld van de sterren in het donker beter wordt ontvangen door de staafjes die zich meer in de periferie bevinden.

Het receptieve veld: het ruimtelijke veld waarin de aanwezigheid van een stimulus zorgt voor het vuren van een neuron. Als er ligt op het receptieve veld komt, reageren de ganglion cellen daar dus op. Het is antagonistisch georganiseerd, het is een randen detector. Als je het hele visuele veld stimuleert zal het oog niet reageren, alleen als je randen laat zien komt er een reactie, de hersenen vullen de rest van het beeld zelf in.

Craik-Cornsweet-O’Brian Illusie: Je oog detecteert alleen de randen in een plaatje, Ook wanneer de rest van het plaatsje exact dezelfde kleur is, lijkt het alsof je een gezicht ziet en kleurverschil. Als je dus alleen de randen van een plaatje laat zien vult het visuele systeem de rest in.

Het beeld dat op het netvlies valt wordt via de optische zenuw naar de hersenen gestuurd. Informatie uit de linkerkant van het visuele veld valt op de rechterkant van het netvlies in beide ogen en wordt naar de rechterhersenhelft vervoerd, en vice versa voor het rechter visuele veld.

Er zijn 3 soorten ganglion cellen in de LGN: parvocellulaire, magnocellulaire en koniocellulaire cellen. Lateral Geniculate Nucleus (LGN): een “tussenstation” (“relay station”) voor visuele informatie in de thalamus. Er zijn 4 parvocelullaire lagen en twee magnocellulaire lagen.

De primaire visuele cortex word took wel “V1” genoemd of “striate cortex”. De primaire visuele cortex is een structuur met veel lagen in de occipitaalkwab. Deze lagen worden striaten genoemd omdat ze in strepen te zien zijn. De striaten ontvangen axonen de LGN. Ook hier wordt de tegenovergestelde kant van het visuele veld gerepresenteerd in de hersenen, dus het linker visuele veld in de rechterhersenhelft en vice versa.

Je kan de data representatie in de hersenen omzetten naar een 2d beeld en het uitvouwen. Visuele informatie is in de hersenen retinotopisch geordend: de plaats op het netvlies (retina) bepaald de plek in de cortex waar de informatie wordt gerepresenteerd. Bij reconstructie met fMRI kan je zien dat wanneer men een groter worden de ring te zien krijgt de neurale activiteit ook een patroon laat zien van een groter wordende ring wanneer men de hersenen uitvouwt.

Hubel en Wiesel ontdekten dat er 3 soorten cellen in de primaire visuele cortex zijn (V1/striate cortex) en kregen hiervoor de nobelprijs. Ze vonden de volgende 3 cellen:

• Simpele cellen: reageren op randen (lijnen) op specifieke locaties en oriëntaties binnen het visuele veld

• Complexe cellen: representeren meer abstracte visuele informatie, zijn onafhankelijk van de locatie van de stimulus in het visuele veld maar reageren wel specifiek op een bepaalde orientatie. Sommige zijn ook gevoelig voor alleen ene bepaalde richting waarop een lijn beweegt (direction selective complex cell)

• Hypercomplexe cellen (“end-stopped”): cellen die selectief zijn voor een bepaalde lengte of vorm. Reageren vaak op hoeken of het einde van een lijn.

Neuronen zijn geordend in kolommen. Neuronen met dezelfde eigenschappen zitten vaak bij elkaar. Er zijn oriëntatie(richting) kolommen, dominant oog kolommen (ocular dominance columns). Als je door de cortex beweegt van voor naar achter verandert de oriëntatie van de kolommen langzaam , er is een specifieke en consistente ordening, maar niet als je dieper de cortex in gaat. Kleur kolommen worden “blobs” genoemd. Hyperkolommen zijn een stuk van de cortex dat alle soorten kolommen bevat en dus overall op reageert.

Contour integratie: Oriëntatie cellen zijn vaker verbonden met andere cellen die een oriëntatie hebben die op hen lijkt, dit zorgt ervoor dat men makkelijk een bewegende lijn kan volgen.

Hiërarchische visuele verwerking: Wanneer men naar een beeld kijkt representeren verschillende neuronen verschillende delen van het visuele beeld.

Naast de primaire visuele cortex (striate cortex) zijn e rook andere delen van de cortex betrokken bij visuele waarneming: extra-striate cortex. De extra-striate cortex is ook weer onderverdeeld in verschillende gebieden, op dit moment zijn er 16 visuele “maps” bekend en worden er nog steeds meer ontdekt. Waar die visuele maps zich echter exact bevinden verschilt vaak enigszins van persoon tot persoon.

Er zijn twee visuele paden in de hersenen:

• Het wat pad: vanuit de visuele cortex naar voren (ventraal) naar de temporaalkwab

• Het waar pad: vanuit de visuele cortex omhoog (dorsal) naar de pariëtaalkwab

Ventraal gebruik van zicht: het herkennen van een volleybal

Dorsal gebruik van zicht: Het zien waar die volleybal zich bevindt in de ruimte
 

Bij een laesie in het dorsale pad is er sprake van optische ataxie: mensen kunnen niet goed meer inschatten waar iets is, dat is makkelijk te testen door ze iets te laten aanraken.
 

Bij een laesie in het ventral pad is er sprake van visuele agnosie: mensen kunnen objecten niet meer herkennen, ze weten niet wat het is.

Het visuele system van niet-menselijke primaten is ook hiërarchisch geordend. Als gebieden met een bepaalde specialisatie beschadigd raken, kan de functie waarbij dat gebied betrokken was vaak niet goed meer uitgevoerd worden. Als bijvoorbeeld de MT beschadigd raakt heeft men ernstige moeite met het waarnemen van beweging. Het verliezen van de waarneming van bepaalde stimuli zoals gezichten, emoties en worden wordt agnosie genoemd. Prosopagnosie is bijvoorbeeld het niet kunnen herkennen van gezichten.
Hiërarchische visuele verwerking is dus aanwezig in de hersenen, maar er is ook veel terugkoppeling tussen verschillende gebieden. Ook is er sprake van ingebouwde kennis die wordt gebruikt bij het construeren van een beeld in de hersenen.

Hoorcollege 4 Het motorisch systeem (26-11-2013)

Doelen van het motorisch system:

• Het lichaam bewegen om te interacteren met de omgeving

  • Essentieel voor overleving

• Automatisch beweging (reflexen)

• Vrijwillige beweging

  • Om cognitieve doelen te bereiken

• Controle over beweging

• Anatomie is essentieel om het motorische systeem te begrijpen

  • Hoe werkt het en hoe werken ze samen?

Motorische structuren: effectoren

Effectoren zijn delen van het lichaam die bewegingen uitvoeren, meestal zijn dit skeletspieren. Ze bevinden zich vaak ver van het midden van het lichaam, zoals in de armen en benen, maar ook het hoofd, de nek en andere delen van het lichaam zorgen voor beweging. Sommige zijn centraal en zorgen voor meer centrale acties: de tong, de kaak, de longen voor spraak en bijvoorbeeld oogspieren.

Effectoren zijn altijd in antagonistische paren te vinden, de ene spier trekt de ene kant op en de andere de andere trekt de andere kant op en ze bewegen samen in een gecontroleerde actie. Spieren duwen niet, ze trekken samen of ontspannen. Bijvoorbeeld om de arm op te buigen trekt de biceps samen en ontspant de triceps. Om de arm te strekken ontspant de biceps juist en trekt de triceps samen.

Spieren worden door het Centrale zenuwstelsel hoofdzakelijk gecontroleerd door alpha motor neuronen. Die alpha motor neuronen beginnen in de ventrale route van het ruggenmerg. Het zijn lange neuronen met aan het uitende veel synapsen aan elke spiervezel, waarmee ze met de spieren interacteren. Het vrijlaten van acetylcholine zorgt ervoor dat de spiervezels samentrekken. De synapsen met zenuwen openenen ion-kanalen. Op die manier zijn de acties van het centrale zenuwstelsel verbonden aan fysieke actie. Dit is ongebruikelijk om neuronen normaal synapsen vormen met andere neuronen en niet met andere weefsels zoals spiervezels.

Important hierarchical organization -> a very common organizing principle in sensory and motor systems. The further you’re away from the effector from the muscle, the more complex the neural representation becomes and the more abstract.

The motor system has a hierarchical organization, like most sensory and motor systems. The further from the effector (in processing steps), the more complex and abstract the processing an representation in the brain. Controlled motion is slower and more complex.

Het motorisch systeem heeft een belangrijke hiërarchische organisatie, zoals de meeste sensorische en motorische systemen. Hoe verder je in processtappen van de effector af bent, hoe complexer en abstracter is de verwerking en de representatie. Gecontroleerde bewegingen zijn dus langzamer en complexer. Motorische functies geordend van minst complex naar meest complex:

• Ruggenmerg: reflexen

• Hersenstam: controle over reflexen, houding, balans en bewustzijn.

• Primaire motor cortex: Controle over simpele bewegingen

• Premotorische cortex en SMA: Complexe acties en planning (aanpassing gebaseerd op perceptuele informatie, eerdere ervaringen en cognitieve doelen

Elke extra laag van de hiërarchie is geëvolueerd in complexere dieren

Bewegingen leren in een hiërarchie: elke laag van de hiërarchie moet leren hoe het de lagere lag gebruikt om zijn doel te bereiken.

Bovenste laag: dansen = vraag iemand te dansen, dans en stop met dansen

Middelste laag: dans = hoor de muziek en beweeg de armen en benen

Onderste laag: beweeg armen en benen = trek biceps samen, ontspan triceps et cetera

Deze hiërarchie is efficiënt, hierdoor kunnen reeds geleerde taken overgedragen worden en bepaalde stappen in het leerproces kunnen worden overgeslagen

Hierdoor is schrijven met de verkeerde hand makkelijker dan leren schrijven, en lopen met een verwonding anders maar makkelijk te leren.

Sense-move-sense-move loop

Het is een algemeen principe, zelfs zonder betrekking van de hersenen, dat sensorische signalen motorische signalen uitlokken en andersom:

Sensorisch signaal > motorisch signaal >beweging veranderd het sensorische signaal (feedback) > en er komt daardoor een nieuw sensorisch signaal.

Als de hiërarchische laag hoger is, wordt het signaal complexer, op het hoogste niveau wordt het sensorische signaal vervangen door planning en beslissingen voornamelijk vanuit de frontale cortex.

Complexe bewegingen kunnen dus gezien worden als een achtereenvolgende keten van stimuli en reacties. Dus er is een sterke verbinding tussen sensorische en motorische systemen, en in het bijzonder tussen somatosensorische en visuele systemen omdat we het resultaat van beweging kunnen zien.

De reflexboog is het simpelste motorische circuit, het is ook 1 van de eerste motorische systemen die geëvolueerd is. Het sensorische neuron staat direct in verbinding met een motorisch neuron, het kost weinig stappen en gaat heel snel. Bijvoorbeeld ademhalen, het lichaam voelt dat de longen vol zijn en ademt uit.
 

Centrale Patroon generators:

Wanneer het ruggenmerg (centrale input) en de dorsale wortels (sensorische input) worden doorgesneden, vertonen sommige dieren nog steeds een ritmisch looppatroon. Sommige spinale neuronen kunnen dus een beweging creëren zonder feedback of input. De hersenen zenden dus een signaal om te lopen zonder elke spier te activeren, dit is een goed voorbeeld van hiërarchie. Het is een speciale situatie voor sterk geautomatiseerde acties zoals beweging. Zoals bijvoorbeeld het bewaren van balans wanneer we bewegen.

Als bij een dier zoals een kat dus de verbinding naar het ruggenmerg wordt doorgesneden, vertonen de antagonistische spieren in de achterkant van het lichaam nog steeds gecoördineerde loopbeweging zonder input van de hersenen. Dit geldt echter alleen als de beweging wordt uitgelokt door het die bijvoorbeeld op een loopband te zetten, omdat de hersenen niet meer het “bevel” kunnen geven om te lopen. Het ritme van lopen is dus ingebouwd in de spinale reflexen(bij sommige dieren, werkt niet bij mensen) en alleen de sensorische informatie van een bewegend been (door bijvoorbeeld een loopband), is genoeg om een loopreactie uit te lokken.

Als de sensorische feedback van één arm is doorgesneden, gebruiken dieren die arm niet meer maar alleen de arm waarvan ze feedback krijgen. Maar als er van beide armen geen sensorische informatie meer binnenkomt gebruiken ze beide armen redelijk normaal. Er is dus een voorkeur voor ledematen die feedback geven, maar feedback is niet noodzakelijk om een ledemaat te kunnen gebruiken omdat dieren zich snel aanpassen aan het gebrek aan feedback. Daarbij wordt de centrale vrijwillige controle behouden.
Perifere neuropathie: sensorische zenuwen gaan kapot maar motorische zenuwen blijven intact. Er is geen perceptie van aanraking, lichaamspositie et cetera. Toch kan men nog steeds ingewikkelde bewegingen maken onder centrale controle, er treden echter sneller fouten op en men presteert minder goed dan normale personen op motorische taken. Feedback is dus wel belangrijk om beweging precies te maken, zelfs als er veel controle is. Ook is feedback belangrijk voor leren en kalibreren.

Bij vrijwillige beweging ontvangen alpha motor neuronen input van spinale neuronen die vanuit de hersenen naar beneden lopen in het ruggenmerg. Ook ontvangen ze informatie van tussenneuronen die verbonden zijn aan deze dalende neuronen. Tussenneuronen produceren gecoördineerde exciterende en inhiberende signalen naar antagonistische spierenparen. In de hersenstam bevinden zich meerdere motorische banen (tracts):

• Pyramidische of cortico-spinale banen vanuit de cortex

• Extrapyramidische banen vanuit de rest van het lichaam

De hersenstam ontvangt dus input van de cortex en geeft die signalen door aan het ruggenmerg, in de meeste gevallen komen signalen voor de linkerkant van het lichaam uit de rechterhersenhelft en vice versa. Dit zijn dus contra-laterale effectoren.

• Vrijwillige bewegingen worden corticospinaal aangestuurd door de motor cortex.
• Gang (gait), hoe het lichaam zich in balans houdt tijdens beweging, wordt rubrospinaal aangestuurd door de rechter rode nucleus.
• Beweging van het hoofd en de ogen wordt Tectrospinaal aangestuurd door de superieure colliculis.
• Balans, hoe het lichaam zich in balans houdt wanneer het niet beweegt wordt vestibulo-spinaal aangestuurd door de vestibulaire nucleus.
• Bewegingen tijdens verminderd bewustzijn zoals slaap worden reticulo-spinaal tegengehouden door de reticulaire formatie.

De primaire motorcortex is het hoofdgebied voor beweging. De primaire motorcortex ligt voor (anterior) de centrale sulcus aan de achterkant van de frontale hersenkwab, dit gebied wordt ook wel M1 of Brodman gebied 4 genoemd. Achter de centrale sulcus aan de voorkant van de pariëtaalkwab ligt de somatosensorische cortex. Zowel de primaire motorcortex als de somatosensorische cortex hebben een topografische organisatie, lichaamsdelen die bij elkaar in de buurt zitten zijn ook naast elkaar gerepresenteerd in de hersenen en beiden zijn contralateraal gerepresenteerd (informatie van de linkerkant van het lichaam in de rechterhersenhelft en vice versa). Gebieden die erg belangrijk zijn, zijn in de hersenen over gerepresenteerd, zoals het hoofd en het gezicht. Ook de tong is erg gevoelig en kan erg gecontroleerd bewegen. Omdat beide cortici dicht bij elkaar liggen kunnen ze makkelijk communiceren met elkaar. Ook is er een grote overlap tussen de gebieden die over en onder gerepresenteerd zijn, lichaamsdelen die complexe bewegingen kunnen maken hebben vaak ook een heel fijn gevoel, zoals bijvoorbeeld de handen. Toch zijn er ook verschillen, in de somatosensorische cortex zijn bijvoorbeeld de genitaliën gerepresenteerd maar niet in de primaire motorcortex omdat we die niet kunnen bewegen.

Verschillende hersengebieden worden verschillende doelen nagestreefd en verschillende neurale codes gebruikt. De primaire motorcortex wordt de richting van de beweging gecodeerd. De primaire motorcortex stuurt dus geen specifieke spieren aan, maar groepen spieren die gecoördineerd worden door tussenneuronen. De tussenneuronen sturen dus specifieke bewegingen aan.

In de hersenen werken neuronen niet los van elkaar, ze zijn actief in populaties en brengen complexe boodschappen over. Als je meerdere neuronen meet kan je een populatie vector maken door extra dimensies toe te voegen. Bij bijvoorbeeld het laten zien van lijn werd er gekeken hoe er gereageerd werd op elke draaiingshoek. (grafiek b, slide 20).
Als je de juiste populatie van neuronen stimuleert kan je dus ook een beweging uitlokken, maar alleen als je de hele populatie stimuleert, bij een enkele neuron werkt dit niet.

Het plannen van beweging gebeurt door planning van een bepaald eindpunt van die beweging. Dit is onderzocht door mensen de visuele en sensorische feedback te ontnemen, en ze te vragen een hendel te bewegen, die bij verschillende trials een verschillende zwaarte heeft. Als de beweging wordt bepaald door de kracht en niet door het de planning van het eindpunt, zou het eindpunt bij de verschillende trials moeten verschillen. Dit is niet het geval, het eindpunt is hetzelfde en dus wordt beweging bepaald door planning van een bepaald eindpunt.

In motorische planning is dus het eindpunt belangrijk, niet de kracht. Beweging wordt gezien als de verandering van de ene houding naar de andere. Het eindpunt van de beweging wordt op het hoogste hiërarchische niveau bepaald. Lagere onbewuste verwerking zorgt ervoor dat dat eindpunt wordt bereikt en hoe, vaak zijn er meerdere mogelijkheden om het eindpunt te bereiken. Toch kunnen we ook bewust dezelfde beweging naar verschillende locaties maken op verschillende snelheden afhankelijk van ons cognitieve doel.

Mensen met schade aan de motor cortex in één hersenhelft hebben vaak last van hemiplegie. Mensen met hemiplegie kunnen de kant van het lichaam contralateraal aan de hersenhelft niet meer vrijwillig bewegen. De oorzaak van de schade aan de motor cortex is vaak een bloeding van de middelste cerebrale ader. Het effect is het beste zichtbaar in de distale effectoren. Vlak na het oplopen van de schade zijn reflexen ook afwezig, maar komen later sterker terug door het verlies van centrale inhibitie. Hierdoor worden reflexen die de lichaamshouding regelen vaak overdreven, wat zorgt voor vreemde lichaamshoudingen (contortion). De prognose voor deze patienten is vaak slecht vanwege het minimale en vaak abnormale herstel. De controle over individuele gewrichten en spieren gaan verloren.

Actiesequenties zijn hiërarchisch geordend. Bijvoorbeeld de actie dansen:

• Het bovenste niveau zegt: laten we dansen!

• Het volgende level zorgt ervoor dat je iemand vraagt of die met je wil dansen en je naar de dansvloer gaat, beweegt op de muziek en later weer stopt.

• Het laagste level zorgt ervoor dat sensorische en motorische sequenties worden uitgevoerd in de juiste volgorde, het bewegen van de benen en de armen.

Andere gebieden hebben ook doelgerichte representaties en richting-gestuurde populatie codes. Hoge level: Pre-motor cortex, lage level: basale ganglia en cerebellum. Pre-motor cellen hebben ene voorkeur voor bepaalde acties, namelijk pakken, vasthouden en losmaken. Ze reageren alleen op beweging op een bepaalde plek in een sequentie, bijvoorbeeld de eerste of de derde. Bewegingen hebben altijd een context of een doel, vaak is dat doel om een object te manipuleren. Willekeurig bewegen is vaak dus erg kunstmatig, zoals wanneer je zonder reden je arm een stukje beweegt.

Sommige cellen in de pre-motor cortex, frontale ooggebieden en basale ganglia hebben zelfs visuele receptieve velden. De bewegingen die worden uitgevoerd zijn dus ook afhankelijk van positie van de ledematen, wat zorgt voor coördinatie op basis van visuele feedback.

Bij onderzoek naar aapjes die men een beweging liet maken, was te zien dat er al activiteit in de Pre-motor cortex was voordat het aapje begint met bewegen en stopt met vuren wanneer het aapje beweegt. De pre-motor cortex is dus betrokken bij het plannen van beweging. Zelfs wanneer de beweging eerste gecued wordt maar vervolgens niet uitgevoerd word is de pre-motor cortex actief. Het is dus een anticiperend signaal dat niet afhangt van het daadwerkelijk uitvoeren van de beweging maar puur de planning ervan.

De pre-motor cortex is sterk verbonden met de motor cortex, de pre-motor cortex stuurt signalen naar de primaire motor cortex om beweging te stimuleren. De pre-motor cortex is belangrijk voor het controleren van complexe bewegingen aangestuurd door sensorische feedback. Bewegingen worden gemaakt als reactie op de externe wereld of vanuit interne doelen. Er is dus een verbinding tussen de motor-cortex en meer complexe controle, de pre-motor cortex zorgt voor de transformatie van externe “goal reference frames” en de bewegingen die ervoor nodig zijn om dat doel te bereiken. Hij is ook actief als een taak een externe frame of reference heeft zoals een bekend pad, wanneer sensorische input afwezig is.
The dorsale ventrale stroom (de “waar stroom” in de posterieure pariëtale cortex) is belangrijk in voor visueel gecontroleerde bewegingen. Net zoals de PMC is het belangrijk voor het controleren van extern gecuede bewegingen. De stroom reageert op het eindpunt, onafhankelijk van het beginpunt van de beweging.

Wanneer een person met zijn vinger moet bewegen naar een target, en dit target plotseling verspringt naar een andere plaats, duurt het bij gezonde personen 100 milliseconden om de beweging te corrigeren. Bij mensen met een posterieure parietale lesie duurt dit veel langer, gemiddeld 450 ms, omdat het corrigeren bij hen een langzaam en bewust proces is, in plaats van een onbewust snel proces zoals bij gezonde personen.

Er is geen specifiek hersengebied waar perceptie eindigt en actie begint. In de hiërarchie van beweging zijn perceptie en actie nauw verbonden processen: perceptie zorgt voor coördinatie van actie, acties hebben perceptuele consequenties en zicht is een actief proces waarbij oogbewegingen nodig zijn. Dezelfde cellen zijn geactiveerd in hogere gebieden wanneer een actie uitgevoerd wordt, ingebeeld wordt of gezien wordt.

Patiënten met apraxie kunnen bewegingen niet combineren tot een coherente actie, vaak kunnen ze wel de eerste beweging van een actie maken maar de rest niet. Ze herkennen het juiste gebruik van een object vaak niet. Het is dus een coördinatie probleem dat niets met spiercontrole te maken heeft. Motorische capaciteit en motivatie zijn nog intact. Kan veroorzaakt worden door een algeheel verlies van begrip of semantische kennis. Apraxie wordt vaak veroorzaakt door een beroerte of dementie.

Mensen met ideomotor apraxie weten wat de gewenste actie is wanneer dit tegen hen gezegd wordt of voorgedaan, maar kunnen die niet uitvoeren. Ze kunnen dezelfde acties echter wel uitvoeren als reactie op externe cues.

Mensen met ideationele apraxie zijn ernstiger beperkt, hun kennis van de betekenis van actie is verstoord, het gebruik van gereedschap wordt door hen niet begrepen.

Veel pre-motor executie cellen zijn ook betrokken bij planning, maar sommige cellen zijn alleen betrokken bij planning. Uitvoering van een beweging activeert alleen de contralaterale hemisfeer die het betreffende lichaamsdeel bestuurt . Planning activeert de supplementaire motor cortex in beide hersenhelften (bilateraal). Planning zorgt zelf dus niet voor beweging os activatie in de primaire motor cortex. De supplementaire motor cortex is betrokken bij het plannen van intern gegenereerde beweging. De neuronen in de SMA hebben vaak een voorkeur voor acties in een bepaalde volgorde, dit suggereert dat ze betrokken zijn bij temporele ordening.

Schade aan de SMA kan tot ernstige beperkingen in het plannen van intern gegenereerde acties. Soms gebruiken ze het geaffecteerde ledemaat gewoon niet wanneer ze dat zouden willen. Soms gaat het ledemaat zelf wel dingen doen die gecued worden en kunnen deze bewegingen niet tegen gehouden worden door de SMA. Daardoor krijgen mensen soms last van het “alien limb syndrome”, waarbij vaak de hand reageert op de omgeving en dingen grijpt, zonder dat men daar controle over heeft of zich daar bewust van is. Er wordt een filmpje vertoond waarin een vrouw te zien is die hier last van heeft, haar eigen hand trekt aan haar eigen haar maar zei heeft niet door dat het haar eigen hand is die dat doet.

De externe en intern gegenereerde acties zijn niet complete gescheiden, er is een verbinding tussen en ze eindigen beiden in de primaire motorcortex.

Hoorcollege 5 Aandacht (26-11-2013)

Inattentional blindheid: Door de taak waar iemand zijn aandacht op richt en de context van die taak, zijn mensen blind voor dingen die niet relevant zijn voor de taak. Er wordt een voorbeeldfilmpje vertoont waarbij een bal wordt overgegooid tussen basketbalspelers en men moet tellen hoe vaak dit gebeurt, doordat men hier de aandacht op focust zien veel mensen niet dat er een vrouw met een paraplu door het beeld loopt. Dit illustreert hoe belangrijk aandacht is bij het waarnemen van de omgeving.

Selectieve aandacht is:

• Niet alles zien wat er te zien is

• Niet alles zien wat we willen zien

• (niet doen wat we willen doen)

• Niet zien wat we niet willen zien

• Niet horen wat we niet willen horen

• Vrijwillig gedreven modulatie van stimulus verwerking

Selectieve aandacht is dus het zien van bepaalde dingen en het negeren van andere dingen, desondanks kunnen we soms dingen niet zien die we wel graag willen zien omdat we afgeleid zijn.

William James was de eerste die selectieve aandacht onderzocht. Een van zijn voorbeelden was “absent- mindedness” , waarbij iemand naar zijn/haar slaapkamer gaat om zich om te kleden, maar afgeleid zijn door iets in hun gedachten en vergeten wat ze eigenlijk gingen doen en daarom in bed stappen. Selectieve aandacht is dus een cognitief mechanisme dat ons in staat stelt bepaalde denkprocessen en te verwerken in andere taken, alleen soms leidt dit ons dus af van de taak.

Wanneer men een woordtaak moet uitvoeren en er op de achtergrond beweging te zien is, en de beweging stopt plotseling is er sprake van een “motion aftereffect” (beweging na-effect). Hoe lang dit na-effect duurt, hangt af van de moeilijkheid van de taak, of beter nog van de zwaarte van aandacht die nodig is om de taak te doen. Het na-effect is groter voor taken waarvoor veel aandacht nodig is (high load). De load theorie van aandacht: hoeveel aandacht zulke irrelevante achtergrond stimuli krijgen wordt bepaald door de load (moeilijkheid) van de cognitieve taak waar de aandacht op gericht is.

Het V5/beweging gebied van de visuele cortex bevat neuronen die specifiek geactiveerd worden door bewegende objecten.

Change blindness (blindheid voor verandering): je zoekt naar een verandering maar ziet die niet. Er worden meerdere voorbeelden getoond van foto’s die flitsen van normaal naar dezelfde foto met 1 verandering, weer terug naar de normale et cetera. De eerste paar flitsen zien mensen de verandering vaak niet, maar na een tijdje zoeken zien de mensen het vaak wel.

Attentional blink: Aandacht faalt met het waarnemen van een tweede target wanneer die vlak na een ander target wordt aangeboden, de hersenen zijn nog bezig met het verwerken van het zien van het eerste target. Dit wordt vaak geobserveerd bij snelle seriële visuele stimulus presentatie testen.

Attentional blink is dus een voorbeeld van het niet zien van iets wat men wel wil zien.

Event related potentials (ERPs) van de EEG kan worden gebruikt om te zien wat er gebeurt in de hersenen wanneer twee target snel na elkaar worden aangeboden. ERP meet post-synaptische potentialen(geen actiepotentialen!). ERP meet dus massa-activiteit, gesynchroniseerde corticale activatie op het moment dat de activiteit plaatsvindt: precies tot op de milliseconde. Bij ERP wordt het EEG signaal meerdere keren gemeten en wordt de ruis uitgemiddeld met een computer, waardoor irrelevante activiteit dus uitgemiddeld wordt.

De N400 piek op een ERP is groter bij semantisch on-gerelateerde woorden (on-gerelateerd tot de context van het prime word). Het verschil tussen de reactie bij gerelateerde en gerelateerde woorden wordt berekend door de reactie bij de gerelateerde af te trekken van de reactie bij de on-gerelateerde taak, dit verschil wordt de N 400 verschil golf genoemd.

Ook al ziet men niet altijd alles wat men wil zien bewust, vaak wordt een deel van de informatie toch onbewust bewerkt. Niet-gedetecteerde informatie wordt hetzelfde verwerkt als gedetecteerde informatie.

Bij een “oddball” taak is er in 80% van de gevallen dezelfde achtergrond stimulus die men moet negeren, in 20% van de gevallen is de achtergrond net iets anders ( dat is de oddball/vreemde). Ook al moeten de proefpersonen beide de achtergrond negeren en fixatietaak uitvoeren, is er een verschil te zien in het ERP tussen de activiteit bij de gewone of de infrequente achtergrond, dit wordt “visual mismatch negativity ” genoemd. Dit treed op omdat er een andere achtergrond verschijnt dan men zou verwachten. Dit verschil in activiteit kan gebruikt worden om te kijken op welk niveau de genegeerde informatie wordt verwerkt.

Het cocktail party fenomeen: de meeste mensen zijn vrij goed in het negeren van andere gesprekken dichtbij buiten het gesprek dat ze zelf voeren, zoals op een cocktailparty. Maar wanneer hun eigen naam genoemd wordt om hen heen horen ze dat vaak wel, en worden ze afgeleid van hun eigen gesprek.

Het dichotisch luisteren paradigma : Een participant krijgt in elk oor een verschillend verhaal te horen, en moet zijn aandacht richten op 1 van de verhalen en dat hardop vertellen. 70% van de mensen kan dit erg goed, 30% wordt verstoord door de input van het andere oor. De ERP reactie is veel groter als een geluid wordt gehoord met het oor waarop de aandacht gefocust is dan wanneer hetzelfde geluid aan het andere oor aangeboden wordt. Bovendien is er op het ERP van de auditieve informatie waarop gefocust wordt een piek te zien na ongeveer 100 milliseconden die bij de informatie die genegeerd wordt niet optreed, het “N1 selective attention effect”.

Dit is een voorbeeld van vrijwillig gedreven modulatie van stimulus verwerking, waarbij “auditoric mismatch negativity ” zichtbaar is op het ERP.

Wanneer bij deze taak het geluid waarop de aandacht gericht is hoger is, is het makkelijker om de auditieve informatie van het andere oor te negeren. Infrequente afwijkingen in het geluid zijn lastig te detecteren als de taak moelijker wordt, zoals bijvoorbeeld bij hogere tonen. Hierdoor wordt de load theorie van aandacht bevestigd. Ook voor visuele perceptie geld dit, daarbij is een P1-effect te zien, een verschil in de activiteit bij een stimulus aan een kant waarop gefocust wordt en de kant waarop niet gefocust wordt. Het auditieve systeem verwerkt de informatie serieel terwijl visuele perceptie parallel plaats vind. Daarom heeft aandacht een sterker effect op het auditieve systeem.

Deze processen in de hersenen kunnen gemanipuleerd worden met behulp van TMS. Proefpersonen kregen een letter te zien die ze later moesten herhalen, met behulp van TMS werden de Frontal eye fields ge-inhibeert, en konden de proefpersonen niet het juiste antwoord geven.

Hoorcollege 6 Geheugen (28-11-2013)

Taal is belangrijk, het maakt ons menselijk.

Het geheugen het maakt ons wie we zijn.

In dit college wordt gekeken naar wat er in de hersenen gebeurd tijdens leren en het vormen van geheugen. Maar niet alleen wat er gebeurd in de hersenen is belangrijk, ook waar het gebeurt, het is belangrijk om dit niet te vergeten.

Een belangrijk concept in de cognitieve neurowetenschap is het concept representatie. Churchland en Sejnowski vonden de definiërende functie van zenuwstelsels representatief. De staat van de hersenen representeert de staat van andere systemen, zoals het lichaam zelf of de buitenwereld. . De overgang van de ene staat naar de andere staat kan worden uitgelegd als computationele operaties van representaties

Representatie is zichtbaar als patronen van activatie in de eenheden van neurale netwerken. Niet de activiteit zelf, maar het gewicht van de verbindingen tussen deze eenheden is bepalend. “Het gewicht ” is in dit geval dus de sterkte van de synaptische verbindingen.

Volgens Tanzi en Hebb is WAT er gebeurde tijdens leren een verandering van de activiteit van bestaande verbindingen, waarbij verbindingen zwakker of sterker kunnen worden.

Cajal bestudeerde de vorming van nieuwe connecties tussen neuronen. Tegenwoordig weten we dat Hebb gelijk had, omdat leren voornamelijk komt door het sterker of zwakker worden van bestaande verbindingen, niet het vormen van nieuwe verbindingen.
Lashley onderzocht WAAR in de hersenen deze veranderingen plaats vinden bij geheugenvorming. Hij noemde dit het “ingram”, het geheugenspoor in het brein. Hij was aan het einde van zijn leven een teleurgesteld man, omdat het hem ondanks veel onderzoek niet gelukt was dit geheugenspoor te vinden.
Amnesia, most famous study is about H.M. Damage to the diencephalon: patient N.A. and Korsakoff syndrome.

Geheugenverlies kan veel verschillende vormen hebben en ook veel verschillende oorzaken. Een van de meest bestudeerde personen met geheugenverlies was “H.M’’ (Henry Molaison, vanwege zijn privacy werd tijdens zijn leven zijn naam geheim gehouden). H.M. leed toen hij jong was aan een zeer zware vorm van epilepsie, met meerdere aanvallen per dag die zijn leven ernstig beperkten. Om dit te verhelpen werden er in 1957 delen van zijn temporaalkwabben verwijderd, hier begonnen de aanvallen namelijk vaak. De operatie was succesvol, in de zin dat zijn epilepsie verdwenen was. Hij had echter wel een ernstige vorm van anterograde (van na de operatie) en retrograde (van voor de operatie) amnesie.

Lang werd er van uitgegaan dat deze amnesie bij H.M kwam vanwege de verwijderde hippocampus, maar later bleek dat ook de verwijdering van een deel van de temporaalkwab voor geheugenverlies heeft gezorgd.

Patiënt N.A. werd per ongeluk met een miniatuur-degen (een dun zwaard dat gebruikt wordt bij het schermen). Hierbij liep hij schade op aan zijn dienchepalon (tussenhersenen). Hierdoor had hij last van anterograde en retrograde geheugenverlies.

Sergei Korsakov ontdekte ook dat mensen die te weinig thiamine (vitamin B1) binnen krijgen ook schade aan de tussenhersenen oplopen, dit noemt men tegenwoordig het syndroom van Korsakoff (waarom zijn naam verkeerd geschreven wordt, weet niemand..). Dit komt vaak voor bij alcoholisten omdat zij naast het drinken niet gezond eten, drinken zelf is echter niet de oorzaak van het geheugenverlies!

Bij patiënten met het syndroom van Korsakoff is er ook sprake van confabulatie: het verzinnen van verhalen om de gaten in het geheugen op te vullen, zelf geloven ze ook heilig in deze verhalen en hebben niet door dat ze verzonnen zijn.

Patiënten met het syndroom van Korsakoff is er in de meeste gevallen specifiek schade aan de dorsomediale kern van de thalamus en de “mamilliary bodies” in het diencephalon (de tussenhersenen).

Bij mensen met geheugenverlies zijn vaak bepaalde geheugenfuncties nog wel intact. Geheugen valt onder te verdelen in het declaratief geheugen en het procedurele (niet-declaratieve) geheugen. Onder het declaratieve geheugen valt het geheugen voor feiten en specifieke gebeurtenissen. Onder het Non-declaratieve (procedurele) geheugen vallen vaardigheden/gewoontes, priming, klassieke conditionering en niet-associatief leren. In de meeste gevallen van amnesie is het geheugen voor specifieke gebeurtenissen het zwaarst aangetast.
De psychiater Claparede had in 1911 een patiënt met geheugenverlies. Op een dag deed hij stiekem een punaise tussen zijn hand voordat hij de patiënt een hand gaf, die dus een pijnlijke prik kreeg. De volgende week wilde de patiënt niet zijn hand schudden, maar ze wist eigenlijk niet waarom en kon zich ook niet herinneren ooit een prik te hebben gehad.

H.M werd klassiek geconditioneerd door een belgeluid dat gevolgd werd door een zucht wind in zijn ogen, waardoor hij zijn ogen dicht deed. Na dit een aantal keer te hebben ervaren, deed hij automatisch zijn ogen al dicht bij het horen van het belgeluid ook al volgde er geen wind, en was hij zich er niet van bewust dat hij op die manier geconditioneerd was.

Ook kon H.M heel goed leren om in een spiegel te kijken bij het natekenen van een vorm. De meeste mensen maken veel fouten in het begin en als ze het vaker doen steeds minder. Bij H.M was zit ook het geval, hij kon zich alleen weer niet bewust herinneren dat hij de taak ooit eerder had gedaan. Zijn niet-declaratieve geheugen was dus intact.

Bij prime-taken met woorden doen patiënten het niet goed als ze de woorden die ze eerder gezien hebben gewoon vrij op moeten noemen, maar wanneer ze een beginletter krijgen en worden moeten verzinnen of woorden moeten afmaken noemen ze vaak wel onbewust de woorden die ze eerder hebben gezien.

Zoals eerder kort genoemd zijn er dus 2 vormen van geheugenverlies:

• anterograde amnesie: geheugenverlies van gebeurtenissen na een operatie of trauma

• retrograde amnesie: geheugenverlies van gebeurtenissen voor een operatie of trauma

Bij gezonde mensen is het zo dat hoe langer iets geleden is, hoe slechter hun geheugen voor die gebeurtenissen is. Maar bij patiënten met Alzheimer en Korsakoff is dit andersom, h oe recenter gebeurtenissen zijn, hoe slechter ze het zich herinneren.

Temporal lobe amnesia: which brain structures are involved? Hippocampus or extra-hippocampal cortex??

Er is veel discussie over de hersenstructuren die betrokken zijn bij temporale kwab amnesie. Vroeger werd gedacht dat voornamelijk de hippocampus betrokken was bij geheugen en dat beschadiging daarvan geheugenverlies veroorzaakte. H.M. bleek echter niet alleen zijn hippocampus maar ook een groot deel van zijn omliggende cortex verwijderd.

Bij onderzoek naar apen hebben ze de schade van H.M proberen na te bootsten, en het verschil te bekijken bij alleen schade aan de hippocampus en bij schade aan de hippocampus en ook schade aan de omliggende cortex. Hieruit bleek dat het beschadigen van de hippocampus voor licht geheugenverlies zorgt, maar dat wanneer ook de omliggende cortex is beschadigt het geheugenverlies vele malen ernstiger is.
Volgens Hebb vinden er veranderingen plaats in de verbindingen tussen neuronenwanneer neuronen tegelijk actief zijn.

Hebb’s principe:

“”Wanneer een axon van cel A dicht genoeg is om cel B te exciteren en herhaaldelijk veroorzaakt dat cel B vuurt, vindt er een groeiproces of metabolische verandering plaats in één of beide cellen waardoor de efficiëntie , als exciterende factor van cel B, versterkt wordt .”

In hedendaagse terminologie valt Hebb’s principe als volgt samen te vatten:

Veranderingen van de effectiviteit van synaptische transmissie vindt plaats als resultaat van gelijktijdige pre- (inkomende actiepotentialen) en post-synaptische activiteit(depolarisatie).

“Cells that fire togheter, wire togheter” is een te simplistische samenvatting!

Er zijn twee strategieën voor het onderzoeken van de neurobiologie van leren en geheugen:

• Top-down: het aannemen van een bepaald principe, zoals bij Long Term Potentiation (LTP) en spatiaal geheugen

• Bottom-up: Geen aannames doen over mechanismes maar een poging doen om het te lokaliseren, zoals bij imprinting.

Long Term Potentiation (LTP) werd ontdekt door Lomo en Bliss, en vindt voornamelijk plaats in de hippocampus.

De elektrische stimulatie van een neuron leidt tot een EPSP(veld potentiaal). Toen dit werd onderzocht stootte er iemand per ongeluk tegen het apparaat en in plaats van 1 signaal werden er in een korte tijd vele elektrische signalen achter elkaar gestuurd. Hierbij veranderd de helling van het EPSP en de amplitude van de populatie piek. Na een tijdje geeft dezelfde stimulatie een enkele keer gegeven aan hetzelfde gebied een zwaardere reactie (steilere helling en hogere piek). Door de hoogfrequente stimulatie was er iets veranderd in de neuronen, dit kennen we nu als LTP. Hoewel LTP niet hetzelfde is als geheugen is het wel een belangrijke aanwijzing en onderdeel van het geheugen.

LTP is afhankelijk van een bepaald type glutamaat receptoren: N-methyl-D-aspartaat receptoren, ofwel NMDA receptoren (niet verwarren met de drug MDMA!). NMDA receptoren zijn cruciaal for plasticiteit in de hersenen. Er zijn specifieke medicijnen die de NMDA receptorenblokkeren, door deze medicijnen aan proefdieren te geven kon het effect van NMDA en indirect LTP, op het geheugen worden bestudeerd.

Richard Morris onderzocht dit door ratten in een waterdoolhof te stoppen, waarbij er onder het ondoorzichtige water een platform verstopt zat waar de rat naar toe moest om te kunnen ontsnappen aan het water. Ratten die dit vaker deden leerden al snel waar het platform zich bevond en konden het sneller vinden. Maar wanneer ratten bij de trials een NMDA –blokker kregen konden ze na een aantal trials het platform niet beter vinden. Dit suggereert dat LTP dus te maken heeft met het geheugen.
Een argument voor bottom-up verwerking is inprenting. Inprenting(imprinting) is het vormen van een vroege sociale voorkeur voor de moeder of een andere stimulus. De eerste die hier onderzoek naar deed was Lorentz, die een kudde ganzen had die hem zagen als moeder.

De neurale mechanismes betrokken bij inprenting werden later onderzocht, hierbij worden er structurele veranderingen in synapsen tussen neuronen gevonden, hierbij is sprake van proteïne synthese.

Hoorcollege 7: De controle van aandacht (3-12-2013)

Vrijwillig gedreven modulatie van stimulus verwerking: wanneer iemand in 2 oren zuivere tonen te horen krijgt, en zich op 1 oor moet focussen, en er in dat oor ineens een onzuivere toon te horen is, is er op het ERP een piek te zien in de secundaire auditieve cortex. Die piek noemt men de N1 piek.

Eenzelfde reactie is er in de occipitaal cortex wanneer men op het linker of het rechter visuele veld zijn aandacht moet richten, wanneer er een afwijkende visuele stimulus aan de gefocuste kant verschijnt, is de reactie groter, in dit geval een negatieve N1 piek.

Soms ziet men niet alles wat men wil zien. Volgens de “load” theorie van aandacht is het zo dat wanneer de taak waar iemand zijn aandacht voor gebruikt zwaar genoeg is, alle irrelevante stimuli voor die taak onderdrukt worden. Zoals wanneer iemand een kaartentruc doet en men door de aandacht op de goochelaar niet alles ziet wat er gebeurt, zoals dat de stapel kaarten plotseling een andere kleur heeft.

Bij beweging is er een activatie van gebied V5 in de hersenen te zien wanneer men een afwijkende beweging zien, gelijk aan de P1 en N1 piek. Al deze activaties zijn bewijs voor selectieve of gemoduleerde verwerking in de hersenen als gevolg van aandacht.

Wanneer we onze aandacht dus richten op een specifieke taak vind er aandacht modulatie plaats.

In het Posner paradigma wordt trial voor trial gecued. De proefpersoon moet recht vooruit kijken en alles wat links en rechts gebeurd negeren. De cue is een kleine pijl die in een bepaalde richting wijst, waarbij het target verschijn aan de kant waar de pijl naar wijst (de valide trials) of het target juist aan de tegenovergestelde kant verschijnt (de invalide trials). Slechts een klein deel van de trials is invalide, waardoor de proefpersonen niet verwachten dat de cue invalide is. Het verschil tussen de valide en de invalide trials is dat er op de valide trials sneller gereageerd wordt. Dit is een voorbeeld van gedrags-modulatie, door de cue verandert de reactiesnelheid. Dit veranderde gedrag kan ook worden uitgelegd in termen van hersenactiviteit. Het p1 effect is ook hier zichtbaar groter bij de valide conditie dan bij de invalide condities.

Wanneer er met een fMRI een coronale doorsnede wordt bekeken van de occipitaalkwab is er verschillende activiteit te zien wanneer men op het linker of rechter visuele veld moet focussen. Wanneer de aandacht op het linker visuele veld is gefocust is het rechter deel van de visuele cortex actief, en omgekeerd. De reactie op cues is hetzelfde als bij targets, namelijk activatie in de contralaterale visuele cortex. Dit noemt men verwachting activatie, waarbij de cortex bevooroordeeld wordt om te reageren op een target aan de gecuede kant.

Met EEG kan de reactie op een visueel gecuede ruimtelijke taak worden gemeten. Wanneer de activatie aan de ene kant wordt afgetrokken van de activatie aan de andere kant is er een sterke correlatie zichtbaar tussen de reactie op een cue en de reactie op het target. Dit heet “biased related negativity” (BRN), waarbij de gewichten van activatie worden gereset (the adjusted gains have been set).

Maar hoe worden de gewichten van activatie gereset? Aandacht sturende cues werden vergeleken met een conditie waarbij cues alleen geïnterpreteerd moesten worden. Er werd gebruik gemaakt van EEG om de tijd van de activiteit en ruwweg de plaats van de activiteit te kunnen bepalen, en fMRI om de plaats exact te bepalen. De rechte lijnen onder de grafiek op de slide ”Adjusted gain”geven aan wanneer de activatie significant werd. Er werd activatie in de mediale frontale kwabben gevonden en mediale pariëtale kwabben, die gecorreleerd zijn met de adjusted gains.

De cue veroorzaakt controle van aandacht in de frontale en parietale kwab, vervolgens worden de visuele hersengebieden gereset om hoofdzakelijk het gecuede target te verwerken, wat zorgt voor een gemoduleerde reactie in de visuele hersengebieden wanneer het target verschijnt.

Tegenwoordig kan hersenfunctie met TMS vrij accuraat worden gemanipuleerd. Het stimuleren van bepaalde hersengebieden met TMS kan er voor zorgen dat mensen beweging ervaren terwijl ze niet daadwerkelijk bewegen. Wanneer de FEF (frontal eye fields/frontale oog velden) wordt gestimuleerd voor de V5 , zorgt ervoor dat de V5 al geactiveerd wordt door de FEF voordat vervolgens de V5 door TMS gestimuleerd wordt. Hierdoor wordt de ervaring van beweging versterkt omdat de visuele hersengebieden, waaronder V5, gevoeliger worden.

Er is een groep patiënten met schade aan het pariëtale deel van de hersenen (vaak aan één kant, en dan meestal rechts). Als er een stimulus wordt aangeboden aan de contralesionale kant moet deze informatie verwerkt worden door de beschadigde hersenhelft, deze patiënten doen veel langer over een taak met een invalide cue. Daarom denkt men tegenwoordig dat aandacht zich hoofdzakelijk in de tempo-parietele kruising (Tempo parietal junction, TPJ).

Mensen met hemispatiale verwaarlozing (hemispatial neglect) door hersenbeschadiging zijn niet in staat hun aandacht te richten op de contralesionale kant van het visuele veld.

Hoorcollege 8: Het declaratief geheugen (5-12-2013)

Het principe van Hebb: “cells that fire together wire together” is niet helemaal waar, bijvoorbeeld bij Long Term Potentiation (LTP). De postsynaptische cel zelf niet te vuren om te zorgen voor LTP. (Komt terug op het tentamen!)

Geheugensystemen, het declaratief geheugen is lastig te bestuderen in dieren, omdat ze niet kunnen praten over feiten (semantisch geheugen) of over gebeurtenissen (episodisch geheugen).

Het is daardoor lastig om menselijke vormen van geheugenverlies, zoals bij H.M., te repliceren. Er zijn echter wel taken bedacht waarmee het geheugen van apen getest kan worden, bijvoorbeeld de delayed non-matching to sample task. Bij deze taak moeten apen een voorbeeld object verplaatsen om bij voer te kunnen, vervolgens wordt een scherm omlaag gedaan voor de wachttijd. Vervolgens gaat het scherm weer omhoog en krijgt het aapje het voorbeeld object en een onbekend object te zien, het aapje moet onthouden dat hij het voorbeeldobject al gezien heeft en het onbekende object verschuiven om weer bij een voedselbeloning te kunnen.

Apen leren deze taak over het algemeen vrij snel en doen hem goed. Wanneer bij apen de hippocampus wordt verwijderd leren ze di teen stuk minder snel en doen hem minder vaak goed. Wanneer echter niet alleen de hippocampus maar ook een deel van de omliggende cortex wordt verwijderd leren de apen de taak nog veel langzamer en presteren daarna ook veel slechter op de taak.

Ontwikkelings-amnesie (hypoxie) wordt vaak veroorzaakt door hersenschade ten gevolge van zuurstofgebrek bij de geboorte, en is dus ook vanaf de geboorte aanwezig. Wanneer er sprake is van hypoxie is er vaak schade aan de hippocampus. Ook is de hippocampus kleiner dan bij controlegroepen. Wanneer deze kinderen wordt gevraagd om bepaalde tekeningen na te tekenen, iets wat gezonde kinderen vrij goed kunnen, doen ze dit ook vrij aardig. Maar wanneer er een wachttijd is van enkele minuten en ze moeten dan natekenen wat ze gezien hebben, zijn ze niet goed in staat om de tekening te herinneren. De beperking die deze kinderen hebben is een beperking van het episodisch geheugen, niet van hun werkgeheugen, omdat ze zonder wachttijd wel goed kunnen natekenen. Voor het herinneren van gebeurtenissen, of bijvoorbeeld visuele stimuli gebruikt men dus het episodisch geheugen.

Maar kinderen met hypoxie hebben wel een redelijk normaal IQ en leesvaardigheid, verder functioneren ze dus ook normaal. Schade aan de hippocampus heeft dus een effect op het episodisch geheugen en minder op het semantisch geheugen.

Informatie over visuele en auditieve stimuli wordt op specifieke plekken in de hersenen opgeslagen. De hippocampus zorgt voor het coderen, opslaan en terughalen van recente herinneringen. De hippocampus is dus eigenlijk een index-mechanisme die de informatie van de verschillende hersendelen samenvoegt.

Maar oudere herinneringen lijken zonder hulp van de hippocampus te worden teruggehaald. Voor bijvoorbeeld een herinnering van een gebeurtenis 5 jaar geleden is de retrieval cue opgeslagen in de cortex (auditief of visueel) en is de hippocampus niet nodig. Op die manier kon H.M., die geen hippocampus meer had, toch zijn oude huis weer terugvinden, hij was echter vergeten dat hij jaren daarvoor al was verhuist naar een ander adres..

Verschillende neuronen in de hippocampus vuren alleen bij bepaalde ruimtelijke oriëntaties. De neuronen coderen dus voor ruimtelijke oriëntatie. Volgens deze theorie heeft de hippocampus dus een spatiale ruimtelijke kaart. Wanner een rat in een doolhof wordt geplaatst dat hij kent vuren neuronen niet omdat hij op een bepaalde plek is, maar ze vuren om aan te geven waar de rat heen gaat.

Wanneer er cellen in de menselijke hippocampus geplaatst worden, worden er veel cellen gevonden die reageren op specifieke oriëntaties in de virtuele omgeving wanneer zee en computerspel spelen waarbij ze taxi-chauffeur zijn. Er zijn dus oriëntatie (place) cellen maar dit proces is ingewikkelder dan eerst gedacht.

Volgens de relationele geheugen theorie kunnen ratten leren dat geur A een beloning oplevert en geur B niet wanneer A en B worden aangeboden. Als er echter ook een geur C en D zijn en de geur met een letter die eerder voorkomt in het alfabet altijd een beloning oplevert, leren gezonde ratten dit vrij snel. Ratten met een lesie aan de hippocampus aan de andere kant kunnen nog wel bij A+B, B+C en C+D goed onderscheiden welke geur een beloning oplevert, maar niet bij geuren waarvan de “afstand” groter is, du A+C, B+D of A+D.

Er is nog een experiment met ratten waarbij het episodisch geheugen gekoppeld kan worden aan de hippocampus: het waterdoolhof. Ratten werden in een rond zwembad geplaatst met ondoorzichtig water waarbij ze een verstopt platform waarop ze konden rusten moesten vinden. Wanneer ze elke keer dezelfde startpositie kregen leerden alle ratten, ook ratten die een laesie aan de hippocampus hadden gekregen. Wanneer ze echter elke keer een verschillende startpositie kregen, presteerden de gezonde ratten erg goed, maar de ratten met een laesie erg slecht. Dit komt omdat ze bij een random beginpositie combinatie van meerdere eerdere trials en cues uit de omgeving voor welke kant ze op moeten, moeten combineren.

Patient K.C. had schade aan de hippocampus en ontwikkelingsamnesie. Hij was slecht in veel geheugentaken maar kon wel semantische taken goed uitvoeren.

Patient A.M. had schade aan de linker anterieure temporele cortex, maar NIET aan de hippocampus (tegenovergesteld aan K.C dus). Hij was zeer beperkt in semantische taken, omdat hij de informatie niet meer kon begrijpen. Zijn episodisch geheugen was echter intact, omdat de schade buiten de hippocampus zat.
De theorie is dat schade aan de hippocampus ervoor zorgt dat mensen wel dingen herkennen, maar geen herinneringen kunnen terughalen uit hun geheugen. De hippocampus is dus verantwoordelijk voor het terughalen van herinneringen (recollection), en niet zozeer voor het herkennen van dingen (familiarity).

Uit hersenonderzoek is gebleken dat de reactie van de perirhinale cortex minder wordt wanneer een stimulus bekender is (vaker gezien). Het herkennen van dingen lijkt dus meer gekoppeld te zijn aan de perirhinale cortex.
De 3 processen theorie van MTL functies: De perirhinale cortex is verantwoordelijk voor het coderen van objecten. De parahippocampale cortex is verantwoordelijk voor het coderen van ruimtelijke lay-out. De hippocampus brengt de informatie van deze 2 delen avn de corte samen en maakt er een geheel van.

De hippocampus is dus verantwoordelijk voor het terughalen van herinneringen (recollection), en de perirhinale cortex voor het herkennen van dingen (familiarity).

De rol van de perirhinale cortex is ook onderzocht bij ratten. Eerst werd de rat in een hok gestopt met stimulus A, bijvoorbeeld een voetbal. Daarna werd de rat of in een gewone kooi, of in een donkere kooi gestopt voor de wachttijd (delay fase). Wanneer de rat in de normale kooi of donkere kooi werd gestopt, en vervolgens weer in hetzelfde hok met een nieuwe stimulus aan de ene kant en de oude aan de andere kant, ze meer tijd doorbrachten met het kijken naar en onderzoeken van de nieuwe stimulus. Bij ratten met een laesie aan de perirhinale cortex was dit echter alleen het geval als ze tussendoor in ene donkere kooi waren gestopt, zonder interferentie van nieuwe informatie uit de omgeving. Wanneer ratten met een laesie aan de perirhinale cortex echter in een normale kooi warden gestopt tussendoor en nieuwe informative uit hun omgeving tegenkwamen, behandelden ze zowel de oude als de nieuwe stimulus als een nieuwe stimulus en brachten even veel tijd door met het kijken naar beide stimuli.

Er zijn twee theorieën over semantische kennis in het brein:

1. De sensorische/functionele theorie: Semantische kennis wordt opgeslagen in de cortex in verschillende zintuigelijke delen, vorm, kleur, geur et cetera.

2. De domein-specifieke theorie: Semantische kennis wordt opgeslagen in verschillende categorieën, zoals bijvoorbeeld de categorie “fruit”

Voor beide theorieën over semantische kennis in het brein is bewijs gevonden:

De activatie van de hersenen in reactie op woorden die gerelateerd zijn aan bewegingen, geluid, kleuren et cetera is onderverdeeld in verschillende (sensorische) delen van informatie wat de sensorische/functionele theorie ondersteunt.

Mensen dieplaatjes moeten benoemen hebben vaak problemen met namen van een bepaalde categorie, bijvoorbeeld de categorie fruit. Dit ondersteunt weer de domein-specifieke theorie.

Over meer abstracte semantische kennis in het brein zijn ook 2 theorieën:

De “distributed-only view” zegt dat informatie in verschillende delen van de cortex wordt bewaard (zoals de sensorische/functionele theorie).

De “distributed-plus-hub view” is dat alle losse delen van informatie verdeeld zijn over de cortex maar in een ander deel van de cortex de informatie samenkomt in een “hub”.

Er is onderzoek gedaan waarbij de proefpersonen paren moesten maken van bepaalde stimuli die werden aangeboden. Er werd activiteit gemeten in de inferieure temporele cortex en er werden paar-herinnering neuronen gevonden, die alleen vuurden als beide helften van het paar werden aangeboden. Dit toont aan dat de cortex betrokken is in de re-activatie van episodische herinneringen.

Volgens het standaard model van consolidatie wordt informatie geïndexeerd in de hippocampus. Maar hoe kan het dan dat voor herinneringen van lang geleden de hippocampus niet betrokken is? Als een herinnering pas gevormd is, is de hippocampus nodig om de informatie uit verschillende delen van de cortex terug te halen. Maar na een tijd worden de connecties in de cortex voor verschillende aspecten van een gebeurtenis onderling sterker en functioneren zonder hulp van de hippocampus. Dit kan verklaren waarom mensen met schade aan de hippocampus, zoals H.M. vaak retrograde amnesie hebben van gebeurtenissen vlak voor de operatie/trauma maar gebeurtenissen van langer geleden wel kunnen herinneren.

Een andere theorie is de “multiple trace” theorie van consolidatie. Volgens deze theorie is de hippocampus altijd betrokken en zijn er meerdere geheugensporen. Dit zou complete retrograde amnesie kunnen verklaren, waarbij mensen zich helemaal niets meer herinneren van voor het hersentrauma.

Slaap is betrokken bij het opslaan van herinneringen. Het patroon van activatie van neuronen tijdens de slap is hetzelfde als tijden het leren van een doolhof wanneer ratten wakker zijn.

Hoorcollege 9: Emotie (12-12-2013)

Emoties zijn signalen dat er iets in de buitenwereld bedreigend is en dat men snel moet handelen (fight/flight). Het is een automatisch proces dat er voor zorgt dat men zich op een adaptieve manier gedraagt.

Volgens het evolutionaire perspectief zijn emoties reacties die adaptief zijn om te overleven, emoties die we tegenwoordig kennen zijn gevormd door de evolutie.

Emoties leiden tot gedrag dat adaptief is met betrekking tot de motivatie van het organisme, zoals bijvoorbeeld honger, dorst of veiligheid. Emoties zijn universeel, er is cross-culturele overeenstemming over emoties in bijvoorbeeld gezichtsuitdrukkingen van bijvoorbeeld blijheid, verrassing, angst, woede, walging en verdriet. Ook tussen verschillende diersoorten is er overeenstemming in gedragspatronen en fight/flight reacties.

Primaire versterkers van emoties zijn honger, dorst en veiligheid.
Secundaire versterkers zijn afgeleid van primaire versterkers. Maar secundaire versterkers variëren erg van persoon tot persoon, sommige mensen zoeken graag het gevaar op en anderen vermijden gevaar juist liever.

De theorie van Maclean is een oude theorie over het limbische systeem. De structuren die bij zijn theorie centraal stonden staan nog steeds centraal. Het circuit van de flight/flight reactie bevond zich in het limbische systeem was volgens MacLean .

Volgens Maclean bestonden de hersenen uit 3 losjes gekoppelde systemen:

• Het reptielenbrein (de hersenstam/cerebellum): Het systeem voor basale levensfuncties zoals ademhaling en reflexief gedrag

• Het paleomammalianbrein (limbisch systeem): het verder geevolueerde systeem voor motivatie en emoties

• Het neomammalianbrein (neocortex): het systeem voor denken en cognitie, voor hogere functies.

Het reptielenbrein en het paleomammalianbrein impliciete systemen, het neomammalianbrein een expliciet systeem..

Bij stress wordt de HPA as actief: Een signaal vanuit de hypothalamus zorgt ervoor dat ACTH vrijkomt in de hypofyse, die ACTH zorgt ervoor dat de bijnieren stresshormonen, waaronder cortisol, vrijlaten. Door het vrijkomen van de stresshormonen wordt het lichaam klaar gemaakt voor actie, om zichzelf te verdedigen of te vluchten.

Het sympathische autonome zenuwstelsel wordt geactiveerd en bereid het lichaam voor op het gebruiken van energie. Het zorgt ervoor dat de hartslag en de ademhaling omhoog gaan.

Er zijn verschillende theorieën over welke hersengebieden verantwoordelijk zijn voor emoties. Het limbisch systeem werd vroeger gezien als het emotionele systeem dat de grens vormt voor de “emotionele hersenen”. Tegenwoordig weten we dat sommige structuren in het limbisch systeem niet alleen betrokken zijn bij emoties maar ook bij andere processen, toch is de naam limbisch systeem gebleven.

In 1996 bedacht LeDoux een angstsysteem. In dit systeem ontvangt de amygdala informatie van de ogen. In dit simpele model is er een ‘lage’ en een ‘hoge’ route. De lage route is de korte, directe (quick and dirty) en onbewuste route van de Thalamus naar de amygdala. De hoge route is vanuit de thalamus via de sensorische cortex naar de amygdala. De amygdala stuurt vervolgens signalen door naar verschillende delen van de hersenen.

De signalen die de amygdala doorgeeft zorgen voor bijvoorbeeld schrikreacties, HPA activatie en fight/flight reacties. Wanneer iemand schade heeft aan de laterale hypothalamus, kan de amygdala daar niet meer mee communiceren. Diegene toont dan ook geen angstreacties zoals pupilverwijding en huidgeleidingsresponses(zweten).

Binnen de prefrontale cortex (PFC) zijn 2 delen te onderscheiden:

De dorsale PFC die betrokken is bij cognitieve verwerking. En de ventrale PFC die betrokken is bij de controle van emotie. De ventrale PFC bevat de Anterior Cingulate Cortex (ACC) en de orbitale cortex (laagste deel van de PFC boven de oogkassen).

Mechanismes van emotioneel leren is veel onderzocht met dieronderzoek, het spelen met de emoties van mensen is uiteraard niet echt ethisch. Er werd angst geconditioneerd bij ratten, door de ratten wanneer een lamp aan ging, de geconditioneerde stimulus een schok toe te dienen. Vervolgens werden de ratten aan het schrikken gemaakt door een hard geluid met de lamp ofwel aan, ofwel uit. In de conditie waarbij de lamp aan was schrokken de ratten veel erger, omdat ze geconditioneerd waren om een angstreactie te vertonen bij de lamp. Dit gebeurt echter alleen als de rat geleerd heeft dat de lamp een angstreactie veroorzaakt, bij ongeconditioneerde ratten was geen verschil.
Orienting and awareness of contingency: the SQRT SCR (the sweat response of the skin, directly linked to the nervous system). So an increase of sweat means more arousal. But it also happens that it declines, because of habituation.

De menselijke amygdala is betrokken bij angstconditionering. Wanneer een deel van de amygdala wordt verwijderd of beschadigd raakt, is er geen angstconditionering meer mogelijk bij die mensen. Als de persoon wel nog de amygdala aan de andere kant heeft worden sommige functies daardoor overgenomen, maar er zijn verschillen tussen de linker en rechter amygdala.

Wanneer een patiëntengroep met een verwijderde amygdala aan één kant werden wel huidgeleidingsreacties gevonden wanneer ze expliciete kennis hebben over het feit of er een schok gaat volgen. Dit betekent niet direct dat er angst geconditioneerd was, de huidgeleding reflecteert opwinding, het kan dus ook een aandacht-reactie zijn.

Hoewel het model van LeDoux gebruikt wordt om fenomenen te verklaren, is er nog geen bewijs gevonden voor de lage route, direct van de thalamus naar de amygdala!

Hoorcollege 9: Emotie (17-12-2013)

Cognitie ontwikkelt in de loop der jaren in kinderen. Langzaam leren ze hogere orde cognitieve processen zoals sociale regels, motieven en beslissingen te begrijpen. Emoties zijn onderdeel van dit proces en zorgt ervoor dat men empathie kan tonen

Het cognitieve brein bestaat vooral uit de hersengebieden aan de buitenkant van de cortex, de laterale delen van de cortex.

Phineas Gage is een historisch person die schade opliep aan zijn orbitale frontale cortex (het deel boven de oogkas). Dit gebeurde doordat hij werkte met explosieven die hij met een stalen pijp moest “aanstampen” in een holte van een rotsblok, om het rotsblok op te blazen. Bij het aanstampen kwam er een vonk vrij en ontploften de explosieven, waarbij de stalen pijp langs de achterkant van zijn jukbeen naar binnen schoot door zijn hersenen heen, waarbij ook zijn linkeroog beschadigd raakte. Het deel van de orbitale PFC dat het dichtst bij de hersenstam lig is onderdeel van de Anterior Cingulate Cortex (ACC), dit deel was beschadigd bij Gage.

Orbitofrontale schade komt vaak voor bij motorongelukken, vanwege de beweeglijkheid en kwetsbaarheid van het hoofd bij motorrijders. Mensen met orbitofrontale schade kunnen slecht beslissingen nemen omdat men hiervoor de frontale cortex gebruikt.

Dit leidt er toe dat deze patiënten heel erg reageren op perceptuele cues uit hun omgeving (utalization behavior). Ze doen wat ze denken dat er gedaan moet worden zonder hogere orde verwerking van sociale regels en de context. Wanneer ze in het kantoor van een dokter zijn en er ligt een spuit op tafel, en de dokter laat zijn broek zakken en but, dan zullen deze patiënten vaak de arts een prik geven omdat ze denken dat dat de bedoeling is, zonder na te denken over het feit dat een arts normaal juist een spuit geeft in plaats van krijgt. Dit wordt vaak opgelopen sociopathie genoemd.

Er is bij verschillende diersoorten een correlatie gevonden tussen de omvang van de hersenen en sociale cognitie en interactie.

Volgens de theorie van Damasio is emotie een integraal onderdeel van redeneren. Gegragskeuzes worden gesorteerd op een manier die het meest voordelig is en het meeste oplevert, en die keuze krijgt de hoogste prioriteit. Zoals wanneer iemand het erg koud heeft, diegene wil graag warm worden en dicht bij de openhaard zitten. Maar verbranden doet zeer dus diegene zal ook niet te dichtbij gaan zitten. Potentiele dreigingen of beloningen worden doorgegeven voor men zich daar bewust van wordt.

De ventromediale orbitale PFC zorgt voor een voorgevoel (gut feeling) bij het maken van elke keuze, dit zorgt ervoor dat het makkelijker is om bepaalde keuzes te maken. Dit staat recht tegenover het oude idee dat optimaal redeneren voortkomt uit het negeren van je gevoelens. Volgens Damasio is deze somatische reactie van het lichaam juist noodzakelijk om met behulp van emotie beslissingen te beïnvloeden.

Er is bewijs dat de theorie van Damasio ondersteund. Een voorbeeld hiervan is de IOWA Gambling task. Mensen krijgen twee stapels kaarten waarvan ze willekeurig kaarten mogen pakken. ER is een stapel met kaarten die een grote winst of een gigantisch verlies opleveren, de riskante keuze. En er is een stapel die kleine winst maar ook een veel kleiner verlies kan opleveren, de veilige keuze. Bij gezonde mensen treed er een huidgeleidingsreactie op als ze na een paar keer proberen weer van de riskante stapel pakken, ze weten dat er een groot risico aan verbonden is. Maar bij patiënten met Ventromediale Oribitale PFC schade is er geen verschil in de reactie op beide stapels.

Bij mensen met ventraal mediale prefrontale laesies is de huidgeleidingsreactie bij het gaan pakken van de riskante stapel ook afwezig. Wanneer zij echter van de stapel een kaart met een groot verlies hebben gepakt en deze zien vertonen ze wel een normale reactie.

De somatische marker bij deze taak is verhoogde arousal bij de anticipatie van het pakken van een riskante kaart. Maar het is niet goed mogelijk om de bron van deze opwinding te achterhalen.

Wanneer iemand weet dat hij te laat gaat komen voor een afspraak en onderweg is in de auto en in de file staat, kan men de keuze maken om stiekem over de vluchtstrook te rijden om op tijd te komen. Het vooruitzicht van op tijd komen is belonend, maar sociale regels zeggen dat dat niet mag. Bovendien kan het gedrag eventueel bestraft worden met een boete.

Een patiënt met orbitofrontale schade zou zonder twijfelen voor het rijden over de vluchtstrook kiezen. Een verklaring hiervoor kan zijn dat men moeite heeft met het inhiberen van associaties. Ook hebben ze relatief weinig prioriteit voor lange termijn consequenties in verhouding tot korte termijn consequenties.

De amygdala is betrokken bij angst associatie, mensne met schade aan de amygdala tonen hetzelfde gedrag als patiënten met schade aan de vmOFC op de Iowa gambling task.

Volgens Davidson zijn er individuele verschillen in emotionaliteit en affectieve stijl die verklaard kunnen worden door de hersenhelft die meer dominant is. Mensen met een dominante linkerhersenhelft zijn meer van het toenaderen, terwijl mensen met een dominante rechterhersenhelft zich eerder terugtrekken.

Aan de hand van een dominante rechterhersenhelft kon men voorspellen hoe kinderen zich sociaal zouden ontwikkelen, ze waren meer verlegen dan andere kinderen.

Er is bewijs gevonden dat door bij mensen met TMS tijdelijk de rechter prefrontale cortex uit te schakelen zij minder angst vertoonden.
Wanneer men anderen moet beoordelen wordt de vmPFC minder actief, maar wanneer men zichzelf moet beoordelen wordt hij wel iets, maar niet echt veel minder actief. Dit komt omdat de activatie van de vmPFC een “default mode network” is, hij is altijd actief en wanneer hij actief is is hij bezig met zelfregulatie.

Mensen overschatten zichzelf vaak, bijna 90% van de mensen vind zichzelf bijvoorbeeld een bovengemiddeld goede chauffeur, maar dat kan natuurlijk niet kloppen..

Mensen met een sterke activatie in het mediale prwfrontale gebied hadden de meest realistische evaluaties van zichzelf.

Mensen met onbehandelde depressie hadden abnormale ACC maar wel meer realistische oordelen over zichzelf, de ACC is dus ook betrokken bij zelfevaluatie.

De OFC ligt aan de buitenkant van de prefrontale cortex en is verantwoordelijk voor redeneren over sociale situaties en het omkeren van beloning/straf associaties.

De vmPFC ligt aan de binnenkant van de prefrontale cortex en is verantwoordelijk voor regulatie van emotie en het beoordelen van de eigen mentale staat en die van anderen.

Spiegelneuronen zijn ook betrokken bij empathie, niet alleen bij motoriek, hierdoor kunnen mensen ook verdrietig worden als ze zien dat iemand anders verdrietig is.

De gebrekkige sociale interactie die kenmerkend is voor autisme heeft misschien te maken met slecht werkende spiegelneuronen.

Ramachandran denkt dat mensen (en sommige apen) spiegelneuronen hebben ontwikkeld om ze te onderscheiden en het mogelijk te maken gedrag van anderen te imiteren.

Mensen met autisme letten op andere dingen dan gezonde mensen bij het kijken naar gezichten, gezonde mensen kijken vooral naar de ogen, autisten meer naar de neus en de mond.

Ook hebben mensen de neiging om onbewust de gezichtsuitdrukking van anderen te kopiëren. Ook dit hebben mensen met autisme veel minder.

Mensen met een kleine amygdala presteren slechter bij een taak waarbij ze gezichtsuitdrukkingen moeten herkennen, er werd een negatieve correlatie gevonden tussen de grootte van de amygdala en het kunnen herkennen van gezichtsuitdrukkingen.

Veel van de hersengebieden die belangrijk zijn voor sociale interactie zijn afwijkend bij mensen met autisme.

Hoorcollege 10: Sociale cognitie (17-12-2013)

Cognitie ontwikkelt in de loop der jaren in kinderen. Langzaam leren ze hogere orde cognitieve processen zoals sociale regels, motieven en beslissingen te begrijpen. Emoties zijn onderdeel van dit proces en zorgt ervoor dat men empathie kan tonen

Het cognitieve brein bestaat vooral uit de hersengebieden aan de buitenkant van de cortex, de laterale delen van de cortex.

Phineas Gage is een historisch person die schade opliep aan zijn orbitale frontale cortex (het deel boven de oogkas). Dit gebeurde doordat hij werkte met explosieven die hij met een stalen pijp moest “aanstampen” in een holte van een rotsblok, om het rotsblok op te blazen. Bij het aanstampen kwam er een vonk vrij en ontploften de explosieven, waarbij de stalen pijp langs de achterkant van zijn jukbeen naar binnen schoot door zijn hersenen heen, waarbij ook zijn linkeroog beschadigd raakte. Het deel van de orbitale PFC dat het dichtst bij de hersenstam lig is onderdeel van de Anterior Cingulate Cortex (ACC), dit deel was beschadigd bij Gage.

Orbitofrontale schade komt vaak voor bij motorongelukken, vanwege de beweeglijkheid en kwetsbaarheid van het hoofd bij motorrijders. Mensen met orbitofrontale schade kunnen slecht beslissingen nemen omdat men hiervoor de frontale cortex gebruikt.

Dit leidt er toe dat deze patiënten heel erg reageren op perceptuele cues uit hun omgeving (utalization behavior). Ze doen wat ze denken dat er gedaan moet worden zonder hogere orde verwerking van sociale regels en de context. Wanneer ze in het kantoor van een dokter zijn en er ligt een spuit op tafel, en de dokter laat zijn broek zakken en but, dan zullen deze patiënten vaak de arts een prik geven omdat ze denken dat dat de bedoeling is, zonder na te denken over het feit dat een arts normaal juist een spuit geeft in plaats van krijgt. Dit wordt vaak opgelopen sociopathie genoemd.

Er is bij verschillende diersoorten een correlatie gevonden tussen de omvang van de hersenen en sociale cognitie en interactie.

Volgens de theorie van Damasio is emotie een integraal onderdeel van redeneren. Gegragskeuzes worden gesorteerd op een manier die het meest voordelig is en het meeste oplevert, en die keuze krijgt de hoogste prioriteit. Zoals wanneer iemand het erg koud heeft, diegene wil graag warm worden en dicht bij de openhaard zitten. Maar verbranden doet zeer dus diegene zal ook niet te dichtbij gaan zitten. Potentiele dreigingen of beloningen worden doorgegeven voor men zich daar bewust van wordt.

De ventromediale orbitale PFC zorgt voor een voorgevoel (gut feeling) bij het maken van elke keuze, dit zorgt ervoor dat het makkelijker is om bepaalde keuzes te maken. Dit staat recht tegenover het oude idee dat optimaal redeneren voortkomt uit het negeren van je gevoelens. Volgens Damasio is deze somatische reactie van het lichaam juist noodzakelijk om met behulp van emotie beslissingen te beïnvloeden.

Er is bewijs dat de theorie van Damasio ondersteund. Een voorbeeld hiervan is de IOWA Gambling task. Mensen krijgen twee stapels kaarten waarvan ze willekeurig kaarten mogen pakken. ER is een stapel met kaarten die een grote winst of een gigantisch verlies opleveren, de riskante keuze. En er is een stapel die kleine winst maar ook een veel kleiner verlies kan opleveren, de veilige keuze. Bij gezonde mensen treed er een huidgeleidingsreactie op als ze na een paar keer proberen weer van de riskante stapel pakken, ze weten dat er een groot risico aan verbonden is. Maar bij patiënten met Ventromediale Oribitale PFC schade is er geen verschil in de reactie op beide stapels.

Bij mensen met ventraal mediale prefrontale laesies is de huidgeleidingsreactie bij het gaan pakken van de riskante stapel ook afwezig. Wanneer zij echter van de stapel een kaart met een groot verlies hebben gepakt en deze zien vertonen ze wel een normale reactie.

De somatische marker bij deze taak is verhoogde arousal bij de anticipatie van het pakken van een riskante kaart. Maar het is niet goed mogelijk om de bron van deze opwinding te achterhalen.

Wanneer iemand weet dat hij te laat gaat komen voor een afspraak en onderweg is in de auto en in de file staat, kan men de keuze maken om stiekem over de vluchtstrook te rijden om op tijd te komen. Het vooruitzicht van op tijd komen is belonend, maar sociale regels zeggen dat dat niet mag. Bovendien kan het gedrag eventueel bestraft worden met een boete.

Een patiënt met orbitofrontale schade zou zonder twijfelen voor het rijden over de vluchtstrook kiezen. Een verklaring hiervoor kan zijn dat men moeite heeft met het inhiberen van associaties. Ook hebben ze relatief weinig prioriteit voor lange termijn consequenties in verhouding tot korte termijn consequenties.

De amygdala is betrokken bij angst associatie, mensne met schade aan de amygdala tonen hetzelfde gedrag als patiënten met schade aan de vmOFC op de Iowa gambling task.

Volgens Davidson zijn er individuele verschillen in emotionaliteit en affectieve stijl die verklaard kunnen worden door de hersenhelft die meer dominant is. Mensen met een dominante linkerhersenhelft zijn meer van het toenaderen, terwijl mensen met een dominante rechterhersenhelft zich eerder terugtrekken.

Aan de hand van een dominante rechterhersenhelft kon men voorspellen hoe kinderen zich sociaal zouden ontwikkelen, ze waren meer verlegen dan andere kinderen.

Er is bewijs gevonden dat door bij mensen met TMS tijdelijk de rechter prefrontale cortex uit te schakelen zij minder angst vertoonden.
Wanneer men anderen moet beoordelen wordt de vmPFC minder actief, maar wanneer men zichzelf moet beoordelen wordt hij wel iets, maar niet echt veel minder actief. Dit komt omdat de activatie van de vmPFC een “default mode network” is, hij is altijd actief en wanneer hij actief is is hij bezig met zelfregulatie.

Mensen overschatten zichzelf vaak, bijna 90% van de mensen vind zichzelf bijvoorbeeld een bovengemiddeld goede chauffeur, maar dat kan natuurlijk niet kloppen..

Mensen met een sterke activatie in het mediale prwfrontale gebied hadden de meest realistische evaluaties van zichzelf.

Mensen met onbehandelde depressie hadden abnormale ACC maar wel meer realistische oordelen over zichzelf, de ACC is dus ook betrokken bij zelfevaluatie.

De OFC ligt aan de buitenkant van de prefrontale cortex en is verantwoordelijk voor redeneren over sociale situaties en het omkeren van beloning/straf associaties.

De vmPFC ligt aan de binnenkant van de prefrontale cortex en is verantwoordelijk voor regulatie van emotie en het beoordelen van de eigen mentale staat en die van anderen.

Spiegelneuronen zijn ook betrokken bij empathie, niet alleen bij motoriek, hierdoor kunnen mensen ook verdrietig worden als ze zien dat iemand anders verdrietig is.

De gebrekkige sociale interactie die kenmerkend is voor autisme heeft misschien te maken met slecht werkende spiegelneuronen.

Ramachandran denkt dat mensen (en sommige apen) spiegelneuronen hebben ontwikkeld om ze te onderscheiden en het mogelijk te maken gedrag van anderen te imiteren.

Mensen met autisme letten op andere dingen dan gezonde mensen bij het kijken naar gezichten, gezonde mensen kijken vooral naar de ogen, autisten meer naar de neus en de mond.

Ook hebben mensen de neiging om onbewust de gezichtsuitdrukking van anderen te kopiëren. Ook dit hebben mensen met autisme veel minder.

Mensen met een kleine amygdala presteren slechter bij een taak waarbij ze gezichtsuitdrukkingen moeten herkennen, er werd een negatieve correlatie gevonden tussen de grootte van de amygdala en het kunnen herkennen van gezichtsuitdrukkingen.

Veel van de hersengebieden die belangrijk zijn voor sociale interactie zijn afwijkend bij mensen met autisme.

Hoorcollege 11: Taal (19-12-2013)

In het boek wordt taal gedefinieerd als: “de bepaalde vorm van spraak van een groep mensen’’. Maar ook als: “een symbolisch systeem dat gebruikt wordt om concrete en abstracte betekenissen te communiceren, ongeacht de sensorische modaliteit of de specifieke betekenis van de uitdrukking”. Maar ook dat “taal gedefinieerd wordt door spraak”. Dit is dus een beetje vaag, en ook een cirkelredenering.

Taal is in ieder geval niet:

• “de bepaalde vorm van spraak van een groep mensen’’

• Spraak

• Communicatie

De belangrijkste termen uit de taalkunde zijn:

Fonologie: De studie van de abstracte geluidspatronen van een bepaalde taal, meestal volgend een bepaald regelsysteem.

Syntax: De regels voor het ordenen van items (geluiden, woorden, woorddelen os zinsdelen) in de mogelijke combinaties van een taal.

Semantiek: De analyse van de betekenis van een taal, bij het woord, het zinsdeel, de zin of verder.

Het basale ontwerp van een taal is dat een spreker van de taal een oneindig aantal uitdrukkingen kan produceren en begrijpen, die anderen met dezelfde kennis ook begrijpen. Zo is het normaal dat er zinnen kunnen zijn van 4 of 5 woorden, maar niet van 4.5 woorden. Taal is een systeem van discrete oneindigheid.

Menselijke taal is gebaseerd op een bepaald computationeel mechanisme, dat neuraal geproduceerd wordt, en een oneindige lijst van gestructureerde expressies bevat. Elke expressie/uitdrukking heeft een interpretatie bij twee “interfaces”.

De externe sensorische bewegings-interface bevat fonologische vormen/volgordes en de perceptie en productie van geluiden en gebaren .

De interne conceptuele interface bevat de concepten, bedoelingen en redenaties van mensen.

Toen men een chimpansee taal wilde leren in gebarentaal, kon hij na 1 jaar 13 woorden gebaren, na 3 jaar 85 woorden en na 19 jaar 160 woorden. Wanneer men zich realiseert dat kinderen met 1 jaar gemiddeld 5 woorden kennen, met 3 jaar 900 woorden, met 4 jaar 1500 woorden en met 5 jaar meer dan 2000 woorden is er duidelijk een verschil in de capaciteit om taal te leren.

De componenten van spraak hebben geen duidelijke fysieke verschillen.

Er is een gevoelige periode voor het leren van een taal, hoe jonger men is als ze naar een land met een andere taal verhuizen, hoe vloeiender ze een taal uiteindelijk op volwassen leeftijd spreken, voor het 7^de levensjaar zelfs op hetzelfde niveau als mensen die in dat land geboren en getogen zijn.

Volgens Noam Chomsky bevat taal universele grammatica (Universal Grammar, UG), taal-specifieke componenten van een gedeelde genetische aanleg. De theorie die hier recht tegenover staat is dat het leren van taal gebaseerd is op taalgebruik (usage-based), en geleerd wordt door statistisch leren.

Taal heeft een hiërarchische, en niet een lineaire structuur.Taal is wel gevoelig voor structuur, bepaalde zinsconstructies kunnen meerdere betekenissen hebben.

Paul Broca, die in de 19de eeuw arts was, had veel patiënten met taalproblemen.

Broca had ook een patiënt die alleen het woord “Tan” kon zeggen, in zijn aantekeningen noemde Broca de man dan ook Tan.

De andere hersenfuncties van deze mensen waren vaak intact, maar ze konden zichzelf niet goed uitdrukken. Wanneer hun hersenen na hun dood onderzocht werd bleken ze altijd schade te hebben aan dezelfde plek in het linker frontale deel van de hersenen, dat we tegenwoordig het gebied van Broca noemen.

Carl Wernicke (1848-1904) had patiënten die goed in stat waren spraak te produceren, maar ze konden spraak niet begrijpen, ook waren de zinnen die ze zeiden vaak grammaticaal correct, maar was de boodschap er van niet begrijpelijk.

Deze patiënten bleken na hun dood vaak schade te hebben aan de linkerkant van hun hersenen in de temporaalkwab, in een gebied dat we tegenwoordig kenne als het gebied van Wernicke.

Taal is dus gelateraliseerd: taal wordt grotendeels in de linkerhersenhelft verwerkt en geproduceerd. Bij patiënten waarbij het corpus callosum is doorgesneden en de hersenhelften dus gescheiden zijn (split-brain) is dit duidelijk te zien. Wanneer zij in het rechter visuele veld iets zien gaat die informatie naar de linkerhersenhelft en kunnen ze hardop zeggen wat ze zien. Maar wanneer een stimulus in het linker visuele veld wordt aangeboden gaat de informatie naar de rechterhersenhelft, en kunnen ze niet benoemen wat ze zien.

Het gebied van Broca werd gezien als verantwoordelijk voor de syntax en het gebied van Wernicke als de lexicon van de taal in de hersenen.

Het dorsale pad in de hersenen van kinderen die moeite hebben met complexe syntax is vaak nog niet goed ontwikkeld. Het dorsale systeem zorgt voor het ordenen van woorden in hiërarchisch gestructureerde zinnen en met de posterieure temporele cortex samen zorgen ze het begrip van complexe zinnen. Het ventrale systeem is verantwoordelijk voor het verwekren van semantische informatie.

In een onderzoek werd men een vreemde taal aangeleerd, Italiaans of Japans waarbij de helft echte grammatica leerde en de andere helft een niet bestaande verzonnen grammatica voor dezelfde taal.

Hoewel men beide talen ongeveer even snel oppikte, werd het gebed van Broca bij het leren van de onzingrammatica steeds minder actief, terwijl hij bij de echte grammatica juist actiever werd.

Mensen hebben een sterker dorsaal pad, terwijl makaken een sterk ventraal pad heeft, dit kan een evolutionaire verklaring zijn voor het feit dat mensen zijn gaan spreken, het dorsale pad is verantwoordelijk voor taalproductie en syntax.

Omdat apen dicht bij de mens staan is er lang onderzoek uitgevoerd naar taal bij apen, apen hebben echter een zeer beperkt leervermogen voor taal. Veel vogels hebben een veel sterker taalgevoel, neem bijvoorbeeld papagaaien die vaak veel zinnen kennen en leren zonder dat men daar erg op hoeft te trainen.

Maar vogeltaal hoeft niet per se voor ons mensen begrijpelijke taal te zijn, vogelgezang is voor vogels ook taal. Meer dan de helft van alle vogels zijn zangvogels. Zangvogels moeten hun gezang leren.

Zangvogels leren hun lied van hun leraar, meestal hun ouders.

Wanneer zangvogels hun lied leren, beginnen ze met een soort gebrabbel zoals kleine kinderen doen, en ook bij vogels is er hiervoor een gevoelige periode. Langzaamaan leren ze de juiste stukjes, zoals mensen woorden leren, en als ze volwassen zijn kunnen ze het hele lied nagenoeg hetzelfde zingen.

Ook hebben vogels gebieden in de hersenen die qua functie sterk lijken op de gebieden van Broca en van Wernicke. Wanneer het gebied voor zangbegrip (de NCM) wordt uitgeschakeld zijn vogels niet meer in staat het leid van hun tutor te herkennen, maar kunnen het nog wel goed produceren. De NCM is dus noodzakelijk voor het herkennen van liederen, maar niet voor het produceren daarvan, omdat dan het zangsysteem geactiveerd is.

Er is een gen, het FOXP2 gen dat verantwoordelijk lijkt te zijn voor de spraakproblemen in een bepaalde familie, de K.E. familie. Bij ongeveer 50% van de mensen in de KE familie is het FOXP2 gen gemuteerd, en die individuen hebben aanzienlijke spraakproblemen. Vogels en zoogdieren bezitten dit gen.

Het FOXP2 gen is echter geen “taalgen”, het produceert proteïnes, niet gedrag. Ook beïnvloedt het andere genen waardoor het effect veroorzaakt wordt. Daardoor heeft de mutatie niet alleen invloed op spraak maar ook op andere processen.

Hoorcollege 12 Executieve functies (07-01-2014)

Cues (aanwijzingen) in de omgeving kunnen zorgen voor een verschuiving van aandacht. Er zijn hersenmechanismes die informatieverwerking in het brein controleren en reguleren. Die hersenmechanismes produceren doelgericht gedrag door het implementeren van “regels”.

Er is sprake van de meta-regel van controle, die aangeeft wat men moet doen, bijvoorbeeld de cue gebruiken om de aandacht te richten. De complexe regel zegt dan weer wat men precies moet doen, letten op de vorm maar de kleur negeren bijvoorbeeld.

Er kan bijvoorbeeld de opdracht gegeven worden om te letten op de oriëntatie van de blauwe vierkant, en niet de gele, als beide in beeld verschijnen. Als de blauwe vierkant dus verticaal is, is de reactie “verticaal”.

De Meta-regel is de instructive, dit kan bijvoorbeeld zijn let op de cue of let niet op de cue. De aandachts-regel is de reactie van de aandacht op een bepaalde cue. De stimulus-respons regel is de reactie die men geeft op de stimulus.

Er zijn verschillende hersengebieden betrokken bij executieve functies.

Wanneer de Dorso-laterale prefrontale cortex (DLPFC) beschadigt raakt kan men de aandacht regel niet langer uitvoeren, maar nog wel de stimulus-respons regel uitvoeren wanneer er maar 1 vierkant getoond wordt en men dus niet hoeft te onderscheiden tussen kleuren.

Wanneer de Frontale Polar Cortex (FPC) beschadigt is kan men niet langer de meta-regel uitvoeren en de instructie opvolgen. De aandacht regel kan wel uitgevoerd worden, maar alleen wanneer de cue tegelijk met het target aangeboden wordt. Ook kan men de stimulus-respons regel nog uitvoeren wanneer er maar 1 vierkant getoond wordt en men dus niet hoeft te onderscheiden tussen kleuren.

Wanneer de Pre Motor Cortex (PMC) beschadigt is kan men nog de stimulus respons regel nog wel uitvoeren, maar zeer langzaam. De DLPFC representeert dan de Stimulus respons regel en de aandacht regel.

Wanneer men kijkt naar de verschillende hersengebieden die betrokken zijn bij executieve functies, ziet men dat er van middenboven naar boven de oogkassen steeds specifiekere controle is. Dit noemt men het caudale-rostrale gradient.

De simpele aandacht regel is vrij makkelijk uit te voeren door de hersenen. Hiervoor gebruikt men de Frontal Eye Fields (FEF). De FEF is onderdeel van de Pre Motor cortex (PMC). De cue activeert de FEF, ook wanneer de ogen niet bewegen maar alleen de aandacht gefocust wordt in een bepaalde richting. De simpele aandacht regel wordt dus in de meer caudale hersendelen geïmplementeerd en zorgt ervoor dat men kan reageren.

Bij de complexe aandacht regel werkt dit iets anders. Wanneer men bijvoorbeeld een cue krijgt die een bepaalde richting aangeeft, bijvoorbeeld een rode pijl die naar links ofwel naar rechts kan wijzen met een blauw pijl die de tegenovergestelde kant op wijst als afleiding, is de complexe aandacht regel noodzakelijk. Het grootste verschil hier is dat er nu twee cues worden aangeboden maar men er maar op 1 moet reageren, deze toegevoegde informatie maakt de taak moeilijker. In dit geval zijn niet allen de FEF actief, maar ook de Dorsale laterale prefrontale cortex (DLPFC). De complexe aandacht regel resulteert dus in cumulatieve anteriozatie van het caudale-rostrale gradient, hier is namelijk ook inhibitie en werkgeheugen noodzakelijk.

Inhibitie kan in individuele neuronen plaatsvinden van bijvoorbeeld sensorische mechanismes of reactietendensen .

De inhibitie van sensorische mechanismes is onderzocht bij 3 groepen patiënten: patiënten met pariëtale schade, tempo-pariëtale schade of laterale frontale schade aan de hersenen, ook was er een gezonde controlegroep. Men kregen en tonen te horen die ze moesten negeren en daarbij werd de activiteit in de auditieve cortex gemeten in de p50 piek, een positieve piek 50 ms na auditieve stimulatie. Bij patiënten met pariëtale schade was er geen verschil in de P50 ten opzichte van de controlegroep. Bij patiënten met tempo-pariëtale schade was er een kleinere P50 piek te zien. Bij patiënten met frontale schade was er juist een grotere P50 piek te zien.

Als de laterale frontale cortex beschadigt is worden reacties in de perceptuele cortex minder ge-inhibeerd en dus sterker. Dit wijst erop dat de laterale frontale cortex verantwoordelijk is voor het inhiberen van reacties.

Waarvoor hebben we inhibitie eigenlijk nodig? Om niet de dingen te doen die we niet willen doen. Zoals het bekende voorbeeld van William James, waarbij “absent-minded” personen naar een kamer gaan en vergeten wat ze gingen doen, en bijvoorbeeld in bed gaan liggen terwijl ze zich eigenlijk wilden gaan omkleden.

Bij een onderzoek naar de inhibitie van reacties warden ERP’s gemeten van aapjes in de cortex. Ze kregen een cue te zien die aangaf of ze met links of rechts moeten klikken als reactie, maar wanneer er vlak na de cue een piep te horen was moeten ze geen reactie geven. Wanneer ze hun gedrag dus moesten inhiberen, werd de prefrontale cortex meer actief dan wanneer ze wel mochten reageren. Ook dit duidt er weer op dat de PFC betrokken is bij inhibitie.

Bij mensen is een soortgelijk onderzoek uitgevoerd, maar dan zonder de ERP. Dit onderzoek werd ook gedaan met patiënten die schade hadden aan de inferieure frontale cortex. Hoe meer schade de patiënten hadden, hoe langzamer hun reactie op het stopsignaal (de pieptoon). Er was dus een relatie tussen de hoeveelheid schade aan de inferieure frontale cortex en de efficiëntie van het inhiberen van de reactie. Deze inhibitie is echter alleen beperkt wanneer men schade heeft aan de rechter inferieure frontale cortex.
De inferieure frontale cortex is ook betrokken bij het werkgeheugen. Wanneer aan patiënten met schade aan de inferieure frontale cortex een test werd voorgelegd die sterk lijkt op het spel “memory”, was de hoeveelheid schade gecorreleerd met de hoeveelheid fouten en de reactietijd.

Het werkgeheugen is beperkt in zijn capaciteit (net als het kortetermijngeheugen). En het werkgeheugen is noodzakelijk om te onthouden waar de aandacht op gericht moet worden of wat er moet worden geinhibeerd.

Wanneer het werkgeheugen echter al belast is met een taak, heeft het moeite om daarnaast nog een andere taak uit te voeren, waardoor alles meer tijd kost. Dit is vergelijkbaar met het open hebben van veel programma’s tegelijk op je computer, alles werkt dan net iets trager, tenzij je computer een erg groot werkgeheugen heeft.

Wanneer men een rij getallen moet onthouden onderdrukt men andere irrelevante stimuli die daarna worden aangeboden, zoals bijvoorbeeld plaatjes van gezichten. Wanneer men dan ook nog naast het onthouden van de getallen, namen moet leren die horen bij de gezichten die voorbijkomen, wordt het onthouden van de getallen een stuk moeilijker. Wanneer men elke keer dezelfde rij getallen moet onthouden tijdens de gezichtentrials (low load), is de taak minder zwaar dan wanneer men elke keer een nieuwe rij getallen moet onthouden tijdens de gezichtentrials(high load). Bij de high load taak waren de hersenen ook veel actiever.

Tijdens het onthouden van de getallen waren de dorsale laterale prefrontale cortex en de ventrale laterale prefrontale cortex actiever dan wanneer men geen getallen moest onthouden.

Wanneer het werkgeheugen wordt belast met een zware taak (high load), is de reactie op irrelevante gezichten groter. Dit komt doordat het inhiberende signaal dat normaal ervoor zorgt dat de aandacht niet op irrelevante stimuli gericht wordt niet goed doorkomt omdat de frontale cortex te druk is met de geheugentaak, bij een simpelere taak worden irrelevante stimuli beter genegeerd.

Bij conflict detective worden irrelevante stimuli genegeerd zodat relevante stimuli meer aandacht krijgen. Dit wordt gedaan door de Anterieure Cingulate Cortex (ACC) die in het mediale frontale gebied ligt.

Dit is aangetoond met behulp van de Stroop taak. Bij de Stoop-taak moet men worden oplezen die kleuren omschrijven, maar ook een bepaalde kleur hebben, soms is de geschreven en de daadwerkelijke kleur hetzelfde (congruent), maar soms ook verschillend (incongruent). Het is over het algemeen moeilijker om de kleur te benoemen dan om het woord gericht op te lezen. De laterale prefrontale cortex reageert alleen op de gecuede stimuli en de kleur zelf. De AC reageert het meest op incongruente stimuli (dit geeft aan dat het moeite kostte om de reactie op het woord rood te inhiberen wanneer het woord groen was en de kleur bijvoorbeeld benoemt moest worden).

Als er schade is tussen de PMC en de FEF, wordt de reactie van de somatosensorische cortex langzamer.

Hoorcollege 13 Beslissingen maken (09-01-2014)

Om het maken van beslissingen te kunnen begrijpen, moet men eerst executieve functies begrijpen, Hier ging het vorige college over, dit zullen we hier nog even kort herhalen.

De meta-regel zorgt ervoor dat we bijvoorbeeld een cue gebruiken, de complexe regel zorgt voor de focus van de aandacht op bijvoorbeeld de richting die een cue aangeeft. Maar dit gaat om hoe we cues gebruiken, maar waarom gebruiken we de cues? Waarom zouden we dat doen?

Daar komt beslissingen maken om de hoek kijken, men moet beslissen wat het beste is om te doen.

Een belangrijk onderdeel hierbij is het beloningsysteem. Vanaf het ventrale tegmentale gebied (VTA) loopt er een pad van axonen die dopamine vrijlaten naar de nucleus accumbens, dit pad noemt men de mediale voorbrein bundel. Vanuit de nucleus accumbens lopen er weer axonen naar de prefrontale cortex die daar signalen afgeven.

Dit is onderzocht met ratten. De ratten kregen een elektrode geïmplanteerd die bij het indrukken van een hendel het beloningssysteem activeert. Om de hendel te kunnen indrukken moeten de ratten rennen over een pad dat onder stroom staat, dit doet zeer en zouden dieren normaal gesproken vermijden. Maar de invloed van het beloningssysteem is zo sterk dat ratten hoge stromen trotseren om hun beloningsnetwerk te activeren, zelfs meer dan hongerige ratten willen verduren om eten te bereiken.

Er zijn twee manieren waarop motivatie en subcortex processen de meta-, complexe- en simpele-regel beinvloeden:

• Met een neuro chemisch signaal dat het monitorend signaal produceert

• Neurochemische reacties op de (meta-)cue

Het detecteren van zelf ontdekte fouten, het krijgen van negatieve feedback of een onverwacht gebrek aan beloning activeren de Anterior cingulate cortex (ACC).

Dit gebeurt door middel van dopamine neuronen.

Wanneer er geen beloning wordt verwacht maar er wel een beloning wordt gegeven, neemt het aantal neuronen dat vuurt in de VTA (firing rate) toe.

Wanneer er een cue wordt gegeven dat er een beloning gaat komen, en er wel een beloning wordt gegeven, neemt het aantal neuronen dat vuurt in de VTA (firing rate) toe tijdens de cue, maar niet bij het krijgen van de beloning.

Wanneer er een cue wordt gegeven dat er een beloning gaat komen, en er geen beloning wordt gegeven, neemt het aantal neuronen dat vuurt in de VTA (firing rate) toe tijdens de cue, maar af bij het uitblijven van een beloning vlak daarna.

Bij het uitblijven van een voorspelde beloning of het krijgen van negatieve feedback is er sprake van Error related negativity (ERN), de VTA wordt minder actief.

Het wordt gedacht dat ERN verbonden is met het mesencephalische dopaminesysteem.

Bij een experiment moesten proefpersonen door trial en error bepaalde regels leren, namelijk dat bij stimulus A het drukken op de linkerknop altijd een beloning oplevert en de rechterknop een straf, en bij stimulus B is dit omgedraaid.

Wanneer er bij de eerste trials foute reacties worden gegeven door de proefpersonen, kregen ze dit te dien en was er sprake van feedback related negativity (FRN).

FRN is een negatief signaal in de hersenen als gevolg van negatieve feedback.

De VTA ontvangt de negatieve feedback en stuurt een signaal naar de Nucleus accumbens, die genereert een error-signaal dat naar de PMC gaat om de stimulus respons-regel aan te passen en naar de ACC op de meta/aandacht regel aan te passen.

Bij de eerste trials is er voornamelijk FRN, die neemt geleidelijk af, terwijl de ERN juist toeneemt, omdat men vaak zelf al door heeft dat er een fout gemaakt is.

Het error-signaal dat door de negatieve feedback wordt veroorzaakt zorgt ervoor dat de stimulus respons regel wordt aangepast. Het error-signaal dat voortkomt uit het maken van een fout zorgt ervoor dat de aandacht/meta-regel aangepast wordt.

Het error signaal is dus een temporeel verschil dat zorgt voor een dopamine reactie (ERN/FRN signaal). Het signaal is anders voor elk tijdstip van de neurale reactie, dit is noodzakelijk om de reactie eindig te maken.

De cue zorgt voor de verwachting van een target/beloning, daardoor komt er dopamine vrij in de VTA.

Ritalin (methylfenidaat) zorgt ervoor dat de dopamine transmissie versterkt, het wordt vaak voorgeschreven aan mensen met aandacht stoornissen en impulsiviteit, dus een gebrek aan inhibitie, zoals bijvoorbeeld bij ADD en ADHD. Ritalin moet er voor zorgen dat de executieve functies verbeteren.

Ritalin werkt in op de 3 dopamine systemen:

• Van de VTA naar de Nucleus accumbens

• Van de VTA naar de mediale/laterale PFC

• Van de substantia nigra naar de basale ganglia

Methylfenidaat beïnvloedt niet alleen het dopamine systeem, maar ook de norepinephrine transmissie. Norepinephrine zorgt voor snelle signalen van de subcortex naar de rest van de cortex.

Norepinephrine reageert op gebeurtenissen die weinig kans hebben om te gebeuren, en veel informatie bevatten. Dit ziet men terug in de P300 piek.

Hoe meer informatie de cue bevat, hoe groter de P300 piek, maar hoe waarschijnlijker de beloning/target is, hoe kleiner de P300.

De P300 piek treedt op in de posterieure cingulate cortex (PCC) en reageert dus op de waarschijnlijkheid van verwachte gebeurtenissen.

De “verwachte bruikbaarheid” is afhankelijk van de waarde en de waarschijnlijkheid van een beloning, dopamine, norepinephrine en neuronen in de anterieure en posterieure cingulate cortex.

Hoorcollege 14 Evolutie en de ontwikkeling van brein en cognitie(14-01-2014)

Darwin’s evolutietheorie gaat over de historische ontwikkeling van kenmerken, door variatie, erfelijkheid en natuurlijke selectie/adaptatie.

Volgens het boek is evolutie:

• De evolutie van nieuwe functionele capaciteiten die gebaseerd is op reeds bestaande eigenschappen…

• ..en gelijke oplossingen tot gelijke problemen worden vaak bereikt in ongerelateerde soorten

• De convergentie van structuur en functie wijst op een gedeelde geschiedenis van adaptatie aan gelijke omgevings- en sociale problemen die onze voorouders tegenkwamen en de dichte verwanten onder de primaten.

Homologie is wanneer een gedeelde eigenschap tussen diersoorten, bijvoorbeeld hersenstructuur, afstamt van dezelfde voorouder.

Analogie is wanneer een gedeelde eigenschap tussen diersoorten, bijvoorbeeld hersenstructuur, functioneel gelijk is maar niet afstamt van dezelfde voorouder.

Sir Partrick Bateson zei ooit: “Er zijn twee soorten mensen, mensen die geloven in dichotomieën en mensen die niet geloven in dichotomieën”. Dichotomieën zijn het kiezen tussen twee alternatieven, waarbij er maar één gekozen wordt.

Op het gebied van ontwikkeling worden er vaak valse dichotomieën gemaakt, vaak is het namelijk niet een kwestie van één van de twee, maar een combinatie van allebei, zoals bijvoorbeeld:

• Aangeboren of aangeleerd

• Genen of omgeving

• Instinctief of geleerd

• Natuur of opvoeding

Wat zijn de kenmerken van “aangeboren” (innate)?

• Het is aanwezig bij de geboorte

• Een verschil in gedrag veroorzaakt door een genetisch verschil

• Geadapteerd in de loop der evolutie

• Onveranderlijk in de ontwikkeling

• Gedeeld door alle leden van een soort

• Aanwezig voor het gedrag een functie heeft

• Niet geleerd

Volgens Konrad Lorenz kan gedrag worden onderverdeeld in aangeboren en geleerde/opgedane delen. Dieren die in volledige isolatie zijn opgegroeid laten gedrag zien dat volledig aangeboren is, een zogeheten “Kaspar Hauser” experiment.

Kaspar Hauser was een jongen in de 17^de eeuw, die beweerde te zijn opgegroeid in een donkere schuur zonder invloeden van buitenaf.

Volgens Daniel Lehrman is gedrag het resultaat van een complexe interactie tussen het individu en zijn/haar interne en externe omgeving.

Volgens Daniel Lehrman is de interactie waaruit een organisme zich ontwikkeld niet, zoals vaak gezegd, tussen erfelijkheid en omgeving. Het is de interactie tussen het organisme en zijn omgeving! En het organisme is anders op elk punt van zijn ontwikkeling.

Genen coderen voor proteïnes, niet voor gedrag. Er is geen één op één relatie tussen genen en gedrag. Men kan hooguit stellen dat verschillen in gedrag gedeeltelijk het resultaat zijn van genetische verschillen.

Muizen die speciaal gekruist werden met andere muizen die ook bovennormaal agressief waren, zorgden voor agressievere nakomelingen dan normale muizen. De gefokte muizen waren niet alleen agressiever, maar vertoonden bijvoorbeeld ook meer ontdekkend gedrag. Men weet dus niet precies welke geselecteerde genen ten grondslag lagen aan het agressieve gedrag, bepaalde overeenkomstige genen in de agressieve muizen kunnen ook coderen voor proteïnes die alleen te maken hebben met ontdekkend gedrag.

Wanneer mensen geboren worden neemt in het eerste levensjaar het hersenvolume sterk toe, daarna blijft het toenemen tot ongeveer 20 jarige leeftijd en neemt het vanaf dan licht af.

Er zijn bij mensen correlaties gevonden tussen IQ en de dikte van de cortex.

Maar wat nog meer invloed lijkt te hebben is de verandering in corticale dichtheid, vooral bij zeer intelligente mensen, daar neemt de eerste 12 jaar de cortex meer toe en daarna juist meer af (waarom dat zo is weet men nog niet).

Maar is de absolute grootte van het brein echt zo belangrijk? Een koe heeft een veel groter brein dan bijvoorbeeld een makaak, maar uit vele tests blijkt toch dat makaken vele malen intelligenter zijn dan koeien.

Daarom kijkt men vaak naar de verhouding van het hersengewicht ten opzichte van het lichaamsgewicht. Als men dat plot in een grafiek ziet men dat de hogere gewervelden (zoogdieren en vogels) hoger uitkomen dan de lagere gewervelden (vissen, amfibieën en reptielen), en mensen qua verhouding het hoogst.

Ook is gebleken dat bij primaten en mensen, de verhouding van de neocortex ten opzichte van de rest van het brein een goede indicator is voor de intelligentie.

Ook in verhouding tot de voorouders en verwanten van de homo sapiens (wij) blijkt het hersenvolume toegenomen.

Volgens de ecologische/foerageer hypothese zijn cognitieve vaardigheden en grotere hersenen voornamelijk ontwikkeld om complexe foerageer strategieën te kunnen uitvoeren en het overleven van ecologische druk.

Volgens de sociale/Machiavellaanse hypothese is de ontwikkeling van ingewikkelde cognitieve vaardigheden voornamelijk adaptaties zijn aan de complexiteit van hun sociale leven. Diersoorten met complexere sociale structuren zouden daardoor intelligenter zijn geworden.

Volgens de algemene intelligentie (“g”) hypothese zijn de verschillen in sociaal leren en innovatie gelinkt aan hersenvolume.

Bovendien is er een samenhang tussen alle soorten van intelligentie zoals bijvoorbeeld bedrog, complex foerageren, innovatie en sociaal leren gecorreleerd met elkaar

Verder is de algemene intelligentie gecorreleerd met het leervermogen van dieren en verscheidende maten van hersenvolume.

Bij primaten correleert echter de grootte van de groep niet met de algemene intelligentie. Ook voorspelt de grootte van de groep de prestatie op laboratorium tests van cognitie niet. Maar de grootte van de groep covarieert wel de neocortex ratio.

De algemene intelligentie is dus wel gecorreleerd met hersenvolume maar niet met grote van groepen. Diersoorten met een hoge algemene intelligentie komen in verschillende groepen voor, wat duidt op onafhankelijke evolutionaire ontwikkeling.

Evolutie wordt vaak op 2 manieren verkeerd begrepen:

• Scala naturae

• Evolutie en mechanismes verwarren

Een consequentie hiervan is dat men dieren menselijke eigenschappen toe gaat schrijven, ook wel automorfisme genoemd.

Maar bijvoorbeeld emoties zijn bij dieren niet objectief observeerbaar, het is dus onzinnig om ze te onderzoeken.

Een ander voorbeeld is bijvoorbeeld het feit dat apen na een gevecht de aap die verloren heeft troosten, dit ziet men onterecht voor empathie aan.

Vaak wordt namelijk niet alleen de verliezer maar ook de winnaar van het gevecht getroost, waarschijnlijk is het dus eerder een vorm van zelfbescherming dan van empathie. Ook verminderd het troosten de stress die het dier ervaart niet.

En als het bijvoorbeeld gaat om het gebruiken van gereedschap zijn vogels vaak veel intelligenter dan kraaien, terwijl apen toch wel veel dichter bij intelligente mens staan.

Vaak denkt men dat mechanismes specifieke adaptaties zijn van diersoorten, maar ook dit klopt niet altijd. Bij vogels die eten verzamelen en bewaren in de grond en in bomen, is namelijk onderzocht of zij ook een beter geheugen hebben dan vogels die dit niet doen , dat zou men namelijk verwachten. Dit blijkt echter niet zo te zijn.

Evolutionaire/functionele overwegingen kunnen mechanismes dus niet verklaren, ze kunnen alleen aanwijzingen geven voor het onderzoeken van deze mechanismes. Deze aanwijzingen kunnen misleidend zijn, maar daarom zijn het ook aanwijzingen en geen verklaringen.

Evolutie is dus een aanwijzing voor menselijke cognitie, de hersenen van de mens hebben zich ontwikkeld door selectiedruk in het stenen tijdperk.

Evolutionaire psychologie is een lastig onderwerp, omdat er geen cognitieve fossielen zijn, maar slechts verhalen. Naast biologische evolutie is er ook culturele evolutie, en evolutie gaat dus niet over mechanismes.

Bron

Deze samenvatting is gebaseerd op het studiejaar 2013-2014.