Deze samenvatting is gebaseerd op het studiejaar 2013-2014.

3. Wat weten we al van cognitieve ontwikkeling?

Casey, B. J., Tottenham, N., Liston, C., & Durston, S. (2005). Imaging the developing brain: What have we learned about cognitive development? Trends in Cognitive Sciences, 9(3), 104-110.

Introductie

Het menselijk brein ondergaat significante veranderingen wat betreft structurele architectuur en functionele organisatie tijdens de levensloop. Neuroimaging technieken geven de mogelijkheid deze veranderingen op te merken in het levend menselijk brein.
Corticale funcies worden gefinetuned. De regio's met basisfuncties groeien eerst, daarna de regio's die zich bezighouden met top-down controle van gedrag.

In 2005 werd voor het eerst fMRI gebruikt voor ontwikkelingsvragen. Het brein ontwikkelt zich tijdens de kindertijd en adolescentie. Informatie over biologische substraten van cognitieve ontwikkeling helpen ons interventies te ontwikkelen voor individuen met atypische ontwikkeling.

De neuroimaging technieken geven alleen een indirecte meting van hersenstructuren en functies.

Structurele MRI geeft informatie over anatomische bouw van de hersenen. Functionele MRI geeft informatie over neurale activiteit door het meten van veranderingen in bloedtoevoer (zuurstofrijkbloed » activiteit). DTI (diffusion tensor imaging) meet connectiviteit van fibers tussen anatomische structuren. Het is lastig om het mechanisme dat achter verandering zit definitief te karakteriseren. Hersenontwikkeling is een dynamisch proces van regressieve en progressieve veranderingen. Op jonge leeftijd zijn er heel veel neuronen en er worden er ook meer aangemaakt (synaptogenesis). Naarmate je ouder wordt, wordt het aantal neuronen minder (synaptic pruning). Ze gaan efficiënter werken. Veranderingen met betrekking tot de hersenschors die opgemerkt zijn door MRI kunnen een combinatie zijn van myelinevorming, dendritic pruning en dichtheid van neuronen.

Neuroanatomical development of the human brain

MRI studies hebben de neuroanatomische weg van menselijke breinontwikkeling vastgelegd en deze komen overeen met bevindingen van dode mensen. Claims over causaliteit zijn lastig te maken. Er is geen simpel lineair verband met directe associaties in gedrag.

De meest overtuigende studies zijn longitudinale MRI studies. De volgorde waarin de cortex volgroeit, is parallel met cognitieve mijlpalen in menselijke ontwikkeling.
De eerste regio's die ontwikkelen zijn de primaire functies (motorisch, sensorisch). Daarna de temporale en parietale regio's (taal en ruimtelijk inzicht). Hogere orde functies (prefrontaal en lateral temporal) volgroeien als laatst. Het verlies van grijze stof begint in de primary sensorimotor gebieden, en als laatst in de dorsolaterale prefontale cortex. Dit komt overeen met studies die laten zien dat de prefrontale cortex langduriger rijpt. Het verlies van grijze stof is nodig, omdat het brein dan gevormd wordt tot een volledig functionerend, volgroeid brein.

Witte stof neemt juist toe met leeftijd, ruwweg lineair, tot in de jonge volwassenheid. De myelination van axons gaat door. Er zijn dus regressieve en progressieve processen tegelijk. Connecties worden gefinetuned.
Structurele ontwikkelingen correleren met gedragsperformance. Functionele veranderingen in breinontwikkeling zijn gereflecteerd in structurele veranderingen.

Development of human brain connectivity

MRI-studies laten zien dat corticale connecties worden gefinetuned door het elimineren van overbodige synapses en het versterken van relevante connecties. DTI kan handig zijn om de rol van corticale connectiviteit te onderzoeken als het gaat om ontwikkeling van cognitieve ontwikkeling en hersenontwikkeling, omdat het informatie geeft over richting en regelmaat van gemyelineerde fibers. Een paar studies hebben hersenactiviteit gekoppeld aan cognitieve ontwikkeling, maar het is lastig om hier specifiek over te zijn (welke activiteit zorgt voor wat?).

Functional organization of the developing human brain

De ontwikkeling van de prefrontale cortex speelt een belangrijke rol bij de rijping van hogere cognitieve functies. Rijpe cognitie wordt gekarakteriseerd door het vermogen om irrelevante informatie te filteren en onderdrukken. Kinderen gebruiken bij taken als Go/No-Go en Stroop-task meer regio's dan volwassenen. Dat kan, omdat bij volwassenen de gebieden meer gefinetuned zijn, waardoor activiteit afneemt met de leeftijd. Regio-specifieke verschillen in activatie per leeftijd kunnen rijping zijn, maar kunnen ook verschillen in performance zijn. Daarom is het belangrijk om gedragsreacties te verzamelen. Kinderen presteren altijd lager dan volwassenen op hogere cognitieve taken, en je kunt niet controleren voor performance verschillen. Daarom is het lastig om te zeggen of iets aan leeftijd ligt of aan algemeen prestatieverschil.
Om dit probleem op te lossen, kunnen proefpersonen na het onderzoek ten eerste worden opgedeeld in subgroepen, gebaseerd op prestatie. Je kunt nu drie activatiepatronen onderscheiden:

1. prestatie/leeftijd-onafhankelijk,

2. prestatiegerelateerd,

3. leeftijdgerelateerd.

Deze benadering zorgt voor een beter begrip van hoe rijping gerelateerd is aan cognitief vermogen. Een andere mogelijkheid om het probleem op te lossen, is de moeilijkheid van de taak manipuleren. Onrijpe cognitie wordt gekarakteriseerd door een verhoogde sensitiviteit voor storingen door concurrerende bronnen.

De meeste observaties van ontwikkelingen worden gedaan in een cross-sectionele setting, of door studies te vergelijken. Cross-sectionele studies kunnen valse suggesties geven over veranderingen met de tijd. Er zijn grote individuele verschillen. De ontwikkelingstrajecten van sensimotore en associationgebieden (prefrontaal) zijn verschillend. Het is daarom belangrijk om longitudinale onderzoeken te doen.

Cortical organization with learning

Het patroon van resultaten in studies laat zien, dat activiteit in taakrelevante regio's vergroot wordt naarmate er meer getraind wordt, terwijl taakirrelevante regio's minder actief worden. Het is daarom belangrijk om bij studies de bijdrage van ervaring en leren apart te onderzoeken en te scheiden van effecten die we zien door rijping.

Future directions

In de toekomst zou men een individu vaker kunnen scannen, zodat je meer te weten komt over de koers van leren. Zo kun je de ontwikkeling en op ervaring gebaseerde procesen vasleggen.

Daarnaast kunnen imaging methoden gecombineerd worden (bijv. EEG en fMRI). Het combineren van deze methoden zorgt dat we meer begrijpen van neurale en cognitieve ontwikkeling.

3. De hersenwetenschap en menselijke intelligentieverschillen

Differentiële psychologie houdt zich bezig met de mentale verschillen tussen mensen. Het gaat voornamelijk om verschillen in cognitie en persoonlijkheid, die kwantitatief onderzocht kunnen worden. Differentiële psychologie wil dit kunnen beschrijven, maar ook ontdekken wat de impact ervan is op het echte leven en de etiologie blootleggen (inclusief biologische basis). Differentiële neurowetenschap bekijkt die biologische basis.

Intelligentie wordt gemeten door psychometrische tests. Differentiële psychologie gaat ervan uit dat mensen die goed zijn in een vaardigheid, ook goed zijn in andere vaardigheden. Dit noemen zij general intelligence (G). G voorspelt veel voor cognitieve tests.

Intelligentieverschillen in de populatie volgen een normaaldistributie. De verschillen blijven stabiel in rangorde door de hele ontwikkeling. Intelligentieuitkomsten zijn geassocieerd met belangrijke levensuitkomsten en spelen een rol bij alledaagse beslissingen.

The psychometric properties of intelligence

Het is niet gepast om aan te nemen dat een cognitieve taak slechts één relevante mentale module heeft.

• Scores op tests naar cognitieve vaardigheden zijn altijd positief gecorreleerd (positive manifold). Een G-factor voorspelt zo’n 40% van de variantie.

• Elke individuele cognitieve test laat een bepaalde hoeveelheid specifieke variantie zien. Dit kan errorvariantie of systematische variantie zijn.

• Tests die qua inhoud meer op elkaar lijken, zijn sterker gecorreleerd. Mensen hebben gebieden van sterkte en zwakte in sommige cognitieve domeinen. Individuele verschillen dragen bij aan een klein deel van de variantie.

• Een klein beetje variantie wordt voorspeld door de individuele verschillen die men heeft bij blootstelling aan een test.

De hiërarchie van intelligentie is: eerst G, dan reasoning, spatial ability, memory, processing speed, vocabulary. Leeftijd heeft ook een effect op G.

Volgens Spearman is general intelligence een algemene cognitieve vaardigheid die je gebruikt bij elk cognitief probleem. G verklaart een grote hoeveelheid variantie. Het is de genetische variantie.

From differential psychology to neuroscience

Neurowetenschap houdt zich bezig met het feit dat ongeveer de helft van de variantie verklaard wordt door een algemene cognitieve vaardigheid, maar dat de rest wordt verklaard door specifiekere vaardigheden die weer opgedeeld kunnen worden in fluid en crystallized aspecten die afhangen van leeftijd.

G maakt het voor neurowetenschap lastig, want bij het meten zie je de activiteit van zowel G als specifieke vaardigheden. Zo kun je minder goed lokaliseren waar hersenactiviteit is. Sommige vaardigheden zijn uniek voor een taak, anderen vaardigheden worden gebruikt bij meerdere vaardigheden.

Twee biologische bevindingen uit de differentiële psychologie zijn:

• verschillen in general intelligence zijn erfelijk;

• algemene intelligentie en breingrootte laten matige, positieve correlatie zien.

Basic genetic influences on intelligence

Onderzoek naar intelligentie en genetische invloeden is voornamelijk gebeurt met tweelingen en adoptiekinderen. Schattingen van erfelijkheid zijn van 30-80%. General intelligence is het meest erfelijk. Genetische invloed op specifieke vaardigheden is lager. De erfelijkheid van general intelligence neemt toe met leeftijd. De rangorde blijft wel stabiel.

Shared genetic influences between brain structure-function and intelligence?

Bij volwassenen is er sterke genetische invloed op hersenstructuur, dichtheid en volume van grijze en witte stof. Het verklaart 70 tot 90% van de variantie. Variaties in deze structuren kunnen endophenotypes zijn voor intelligentie (ze dragen er direct aan bij). Genen kunnen dus meer invloed hebben op die structuren dan direct op intelligentie. Structuur en functie zijn namelijk hoog gecorreleerd met intelligentie.

De hersenontwikkeling bij kinderen is onder genetische controle. Genetische invloed op general intelligence is groter dan op specifieke regio’s. Genetische invloed is het sterkst op moment waarop het brein zich het meest ontwikkelt.

Het is lastig om een genetische locus te benoemen die betrouwbaar geassocieerd is met intelligentie. Er zijn geen genen die we verantwoordelijk kunnen stellen voor variatie in cognitie en de afname van cognitie met leeftijd. Het is mogelijk dat genetische variantie bij intelligentie komt door mutatie-selectie-balans. Veel onderzoeken naar genetische invloed op intelligentie geven maar kleine effecten.

Brain imaging and intelligence differences

De centrale hypothese die al lang gebruikt wordt, is: hoe groter het brein, hoe slimmer. Huidige onderzoeksresultaten laten zien dat hoofdgrootte gemiddeld correleert met intelligentie. Met MRI kunnen we dit onderzoeken bij levende mensen. Er was een positieve correlatie met grootte van frontaal, parietaal en temporale cortex. Met MRI kun je ook grijze stof scheiden van witte stof. Er is een hogere correlatie tussen intelligentie en grijze stof, dan tussen intelligentie en witte stof.

Voor de meeste hersenregio’s geldt, dat de linker hemisfeer belangrijker is bij cognitieve taak prestatie. Dikte van de Cortex is ook positief gerelateerd aan intelligentie. De exacte relatie tussen weefsel in het brein en intelligentie blijft onbekend. Het is niet duidelijk waarom dikkere cortex, meer neuronen en een groter brein leiden tot hogere intelligentie, zeker omdat er tijdens de hersenontwikkeling pruning plaatsvindt.

Een onderzoek van Shaw en collega’s liet zien dat kinderen met hoge intelligentie een dunne cortex hadden die sneller dik werd tot de puberteit, terwijl de rest van de cortex verdunde. Verschillen in dikte van de cortex kunnen dus wel meer invloed hebben op intelligentie dan we denken.

Een andere manier waarop je kunt kijken naar de functie van een breinweefsel is door laesies.

Frontale en parietale cortex lijken door dit soort onderzoek te maken te hebben met werkgeheugen, links frontaal voor verbaal begrip en rechts parietal voor ruimtelijke organisatie.

Intelligentie is niet in een vaste breinregio, maar het is een klein netwerk. Hoge intelligentie heeft misschien een ongestoorde informatietransfer. Witte stof neemt af met de leeftijd en er is een relatie gevonden tussen witte stof laesies en cognitieve vaardigheden. Ook in andere onderzoeken is een positieve relatie gevonden tussen intelligentie en witte stof, ook op verschillende leeftijden.

Hoge intelligentie kan er voor zorgen dat je gedrag laat zien door de levensloop dat er voor zorgt dat witte stof intact blijft. Daarnaast is het mogelijk dat intelligentie en witte stof overlappende sets van genetische- en omgevingsinput hebben. De organisatorische efficiëntie van witte stof is belangrijk voor hogere intelligentie.

Uit studies blijkt dat intelligentere mensen sneller reageren dan minder intelligente mensen. Er zijn met verschillende brain imaging methoden (EEG, fMRI en PET) onderzoeken gedaan naar intelligentiegerelateerde taken. Daaruit blijkt dat er inderdaad een netwerk achter intelligentie zit. Daarnaast klopt het ook dat het brein efficiënter informatie verwerkt bij intelligentere mensen.

Functionele connectiviteit wil zeggen dat er correlatie is tussen activatiepatronen van verschillende hersengebieden. Sommige hersengebieden zijn ook actief tijdens rustperioden, maar er is een verschil in activatie tussen intelligente en minder intelligente mensen (minder activatie). Hersenactiviteit kan dus gebruikt worden om onderscheid te maken tussen intelligente en minder intelligente mensen, ook als ze geen cognitieve taak krijgen.

Veel studies laten ook verschillen tussen sekses zien. Bij mannen zijn hun cognitieve functies gebaseerd op minder maar dikkere en compactere fibres. Mannen lijken ook efficiënter op neuronaal niveau (minder hersenactivatie). Vrouwen lijken efficiënter op neuronaal niveau als het gaat om verbale taken. Mannen en vrouwen verschillen ook in hersengrootte en structuur, maar minder wat betreft general intelligence. Blijkbaar kunnen mannen en vrouwen dezelfde niveaus van intelligentie bereiken door verschillende structuren in het brein te gebruiken.

Er is ook verschil binnen de seksegroep zelf. Mensen kunnen eenzelfde intelligentie hebben, maar andere neuronale routes gebruiken omdat ze verschillende breinstructuren hebben of verschillende ervaringen of cognitieve strategieën.

Mensen kunnen compenseren voor cognitieve gebreken door andere hersengebieden te gebruiken met een indirecte relatie tot intelligentie. Compensatie zorgt voor een meer verspreid proces in het brein met een bredere activatie.