Samenvatting Cognitive Neuroscience, the biology of the mind (Gazzaniga, 3e druk 2008)

Hoofdstuk 1. De Geschiedenis van Neurowetenschappen

Het menselijk brein, zoals we deze nu kennen, bestaat ongeveer 100.000 jaar. Men is pas na gaan denken over het brein toen de noodzaak dagelijks bezig te zijn met overleven, minder werd. De enorme uitbreiding van de corticale hersengebieden in onze evolutionaire ontwikkeling is hetgeen wat ons onderscheid van andere dieren. Het is deze uitbreiding geweest die het mogelijk heeft gemaakt dat de mens niet alleen over taal kan beschikken maar ook over o.a. kunst, cultuur en uiteraard wetenschap. De cognitieve neurowetenschap kreeg zijn naam eind zeventiger jaren. Cognitie betekent het proces van begrijpen en de neurowetenschap bestudeerd het zenuwstelstel. Grote beperking die er vroeger was, was dat men geen methoden had om de psyche systematisch en op experimentele wijze te onderzoeken. Willis was de eerste die specifieke schade aan het brein kon relateren aan storingen in gedrag. Hij stelde een theorie op die beschreef hoe informatie door het brein getransporteerd werd (neuronale conductie). Zodoende staat Willis aan het begin van de cognitieve neurowetenschap.

Het brein

De moderne wetenschap houdt zich in essentie bezig met de vraag of het brein als een geheel werkt of in delen. In de negentiende eeuw ontwikkelde met name de heren Gall en Spurzheim de frenologie. Aanhangers van de frenologie stellen dat ieder deel van het brein betrokken is bij een specifieke functie, zoals taal, maar ook persoonlijkheidskenmerken. Er werden in totaal 35 specifieke functies onderscheiden. Wanneer een functie vaker wordt gebruikt, zal het bijbehorende deel van het brein groeien waardoor er een bult ontstaat. Door uitwendig onderzoek naar deze bulten kon de persoonlijkheid worden bepaald, waaronder bijvoorbeeld een criminele persoonlijkheid. Gall noemde dit anatomische personologie, hij testte zijn ideeën niet, maar zijn idee van specifieke functies en specifieke hersendelen sluit aan bij het idee van Willis.

Flourens bestreed het lokalisatie standpunt. Op grond van dieronderzoek meende hij dat het gehele brein een rol speelt bij gedrag. Hij maakte beschadigingen in het brein van dieren en merkte op dat de locatie van de beschadiging niet gepaard ging met specifiek functieverlies,  maar dat het dier volledig herstelde. Hieruit maakte hij op dat het brein juist als een geheel functioneerde. Hij noemde dit idee ook wel de agregate field theory.

Hughlings Jackson observeerde patiënten met hersenbeschadiging en kwam tot een topografische organisatie van het brein; iedere lichamelijke functie in het lichaam hield verband met activiteit in een bepaald deel van de hersenen. Dit komt weer overeen met de localisatie theorie. Zo ontdekte hij dat laesies aan de rechterzijde van het brein meer effect hadden op visuo-spatiële processen dan laesies aan de linkerzijde. Ook bleek dat het totale verlies van een functie na hersenbeschadiging zeldzaam was. Zodoende concludeerde hij dat verschillende regionen bijdragen aan bepaald gedrag.

Na een beroerte kon een patiënt van Broca niet meer spreken, maar nog wel taal begrijpen. De hersenbeschadiging werd gelokaliseerd in de linker frontale lobe, nu bekend als het gebied van Broca dat is betrokken bij het produceren van taal.

Wernicke beschreef een patiënt wiens spraakvermogen na een beroerte juist onaangetast was, maar geen begrijpelijke taal uitsloeg. Deze patiënt had ook hersenbeschadiging in het linker deel van de hersenen, maar in een gebied achter het  gebied van Broca. Het gebied van Wernicke ligt op het punt waar de temporale en pariëtale kwabben elkaar raken dat is betrokken bij het begrijpen van taal.

Hersenonderzoek bij mensen was toentertijd pas na het overlijden van een patiënt mogelijk, dus richtte men zich op dieren. Fritsch en Hitzig ontdekten dat elektrische stimulatie van bepaalde hersengebieden van een hond, bepaalde bewegingen tot gevolg hadden.

Op basis van celstructuur en ligging, bepaalde Brodmann 52 aparte gebieden in het brein. Deze vorm van wetenschap staat bekend als cyto-architectuur, men kijkt dan op celniveau naar de hersenen om te bepalen of de celtypen pet regio verschillen.

Golgi is verantwoordelijk voor een grote omslag in de neurowetenschappen. Hij ontwikkelde een stof die neuronen zwart kleurden, waardoor aparte neuronen zichtbaar werden. Hij bleef het brein echter zien als één geheel van weefsel met hetzelfde cytoplasma (syncytium).

Cajal gebruikte de stof die Golgi ontwikkelde en ontdekte dat neuronen aparte eenheden zijn en dat elektrische signalen in één richting wordt vervoerd, namelijk van dendriet naar axon. Golgi heeft de ideeën van Cajal altijd bestreden.

Meerdere wetenschappers hebben bijgedragen aan de neuron doctrine. Zo beschreef Purkinje de eerste zenuw cel in het zenuwstelsel en was hij de uitvinder van de  stroboscoop.

De twintigste eeuw

Ook Sherrington zag het neuron als apart onderdeel en introduceerde de term synaps om de verbinding tussen twee neuronen te beschrijven. Toch bleven veel wetenschappers aan het begin van de twintigste eeuw vasthouden aan de holistische visie. Gezien de kennis en onderzoeksmogelijkheden uit die tijd, is deze visie zelfs logisch. Zo had Goltz een deel van de cortex van een hond verwijderd, zonder dat de hond een verlies aan functies had. Ook bij mensen met hersenbeschadiging zijn er soms geen symptomen merkbaar.

Een vooruitgang in de wetenschap was wel dat bijna iedere wetenschapper accepteerde dat sommige functies gelokaliseerd zijn in de cerebrale cortex. Hogere functies zoals denken en geheugen zouden echter nog steeds niet te lokaliseren zijn. Later kwamen de localistische en niet localistische visie samen; ja er zijn specifieke delen, maar allen werken samen. Je kunt ze dus apart bekijken, maar in het ‘echte’ leven is er samenwerking.

Hughlings Jackson waarschuwde voor het verschil tussen lokalisatie van symptomen en functies. Hersenbeschadiging kan leiden tot uiterlijke symptomen, maar houdt niet altijd in dat de verloren functie op de plek van de beschadiging gelokaliseerd is. Er kunnen ook neuronen beschadigd zijn die verbonden zijn aan andere delen van de hersenen.

De visie dat het geheel verschilt van de som der delen (Gestalt), was rond de eeuwwisseling in opkomst. Vanuit deze visie ontwikkelde von Monakow het idee dat beschadiging in één deel van de hersenen effect kan hebben op een ander deel (diaschisis). Head meende dat na hersenbeschadiging er een nieuw systeem ontstaat binnen de hersenen. Lashley ontdekte dat hersenbeschadiging geen effect heeft op functies als het leren of uitvoeren van taken op grond van onderzoek bij ratten. Terugkijkend op zijn onderzoek, blijken de conclusies zwak.

Uiteindelijk heeft de holistische visie het onderspit gedolven. Wel hebben wetenschappers die deze visie volgden belangrijke ontdekkingen gedaan.

Rond 1930 werden de eerste sensorische en motorische systemen in kaart gebracht. In 1970 en 1980 bleek dat elk systeem meerdere neurale routes heeft. De grote complexiteit van de hersenen blijkt uit het feit dat zelfs nu nog routes en andere onderdelen van systemen worden ontdekt.

Het psychologische verhaal

Tot de opkomst van de experimentele psychologie hielden voornamelijk filosofen zich bezig met vraagstukken rondom de geest en hadden hierbij twee visies; rationalisme en empirisme. Volgens het rationalisme kan je door de juiste gedachten, tot het ware geloof komen. Rationalisme wordt vaak verward met logisch denken, maar het is een complexere en uitgebreidere manier van denken. Volgens het empirisme volgt uit sensorische ervaring alle kennis. Alle filosofen benadrukte de rol van sensorische ervaring. De associatieve visie die hieruit volgde was de basis voor de experimentele psychologie. Deze stelde dat door directe ervaring simpele ideeën ontstaan, maar als je deze met elkaar associeert er hele complexe concepten kunnen ontstaan. Psychologische associationisten geloven dat de totale ervaring van een persoon zijn of haar mentale ontwikkeling bepaald. 

Ebbinghaus was één van de eerste wetenschappers die interne mentale processen zoals geheugen ging meten en analyseren. Thorndike ontdekte dat als een respons wordt beloond, deze respons een gewoonte wordt. Zonder beloning neemt de gewoonte weer af. Het idee dat alle gedrag kan worden aangeleerd staat lijnrecht tegenover het nativisme, het idee dat alle kennis aanwezig is vanaf de geboorte. De associatieve visie domineerde de Amerikaanse psychologie. Ook sensorische processen zouden zijn aangeleerd. De Gestalt psychologie bracht hier verandering in door aan te tonen dat perceptie niet was aangeleerd, maar aangeboren.

Het behaviorisme bleef echter domineren tot ongeveer 1950. De grootste bijdrage aan de ommezwaai kwam van Chomky die ontdekte dat het leren van taal niet kan worden verklaard vanuit de leertheorie. Dit principe was zo complex en universeel, dat het wel aangeboren moest zijn. Miller, lange tijd overtuigd behaviorist, liet deze visie in diezelfde periode varen en toonde de grenzen van het korte termijn geheugen, namelijk 7 +/- 2 chunks.

Hoewel de huidige wetenschap zich voornamelijk richt op universele en aangeboren structuren, blijven sommige wetenschappers onderzoek doen vanuit de associatieve visie en het behaviorisme.

Hoofdstuk 2. Cellulaire Mechanismen en Cognitie

De cellen van het zenuwstelsel

Binnen de neuropsychologie wordt vaak reductionistisch gewerkt. Dit houdt in dat men het geheel probeert te begrijpen door de delen te identificeren. Middels deze methode kwam men erachter dat het lichaam bestaat uit cellen die units vormen. Deze theorie, de cel theorie,

werd lange tijd als tegenstrijdig gezien. Cajals idee dat het zenuwstelsel uit individuele neuronen bestaat, bracht hier verandering in. Zijn ‘ neuro doctrine’ beschrijven twee kern principes:

1. Connectionele specifiteit: Cellen zijn niet met elkaar verbonden omdat het cytoplasma van de neuronen niet met elkaar in contact staat. Informatie wordt verzonden via specifieke routes van neuronen..
2.  Dynamische polarisatie: Ieder neuron heeft een eigen specialisatie; sommige neuronen zenden informatie van het lichaam naar de hersenen, andere neuronen verzenden informatie van de hersenen naar het lichaam, bijvoorbeeld de spieren. Er zijn ontvangende en zendende cellen. Binnen het zenuwstelsel zijn er twee soorten cellen, namelijk neuronen en glial cellen.

De structuur van neuronen

Een neuron bestaat uit een cellichaam omringd door cytoplasma en een membraan. Het cellichaam heeft een kern, endoplasmatische reticullum, ribosomen, mitochondria, Golgi systeem en andere organellen. Aan het cellichaam zitten dendrieten die informatie ontvangen van andere neuronen via synapsen (postsynaptisch) en axonen die informatie verzenden via synapsen (presynaptisch). Neuronen verschillen van elkaar in functie, vorm, locatie en interconnectiviteit. De meeste neuronen zijn zowel pre- als postsynaptisch. Aan de dendrieten zitten kleine knobbeltjes waarmee signalen ontvangen kunnen worden. Deze knobbeltjes worden spines genoemd. De signalen die via de neuronen gaan zijn elektrisch, maar op synaps niveau zijn ze chemisch, zoals Cajal beweerde. Golgi had echter deels ook gelijk, er bestaan een klein aantal elektrische synapsen.

De uiteinden van een axon zetten een elektrisch signaal om in een chemisch signaal door afgifte van neurotransmitters in de synaps spleet. Er zijn vier categorieën neuronen te onderscheiden:

1. Unipolaire neuronen zijn onderdeel van één proces en komen vaak voor in het ongewervelde zenuwstelsel. Deze neuronen kunnen ofwel axonen ofwel dendrieten hebben.
2. Bipolaire neuronen zijn het prototype neuronen, omdat ze zowel een dendriet als een axon hebben. Deze neuronen maken vaak deel uit van een sensorisch proces.
3.  Pseudo-unipolaire neuronen lijken unipolaire neuronen, maar zijn eigen bipolaire neuronen waarvan de dendrieten en axon zijn samengesmolten.
4.  
5. Multipolaire neuronen maken deel uit van zowel sensorische als motorische processen. Deze neuronen hebben één axon, maar meerdere dendrieten. Deze vorm van neuronen komt het meeste voor in de hersenen.

De rol van gliacellen

Glialcellen komen voor in zowel het centrale- als het perifere zenuwstelsel en zijn talrijker dan het aantal neuronen. Ze zorgen voor ongeveer een derde van het hersenvolume. Ondanks dat deze cellen zelf geen signalen doorgeven daalt de functionaliteit van de neuronen als er geen glialcellen zouden zijn. Vroeger dacht men dat glialcellen er vooral waren om structuur te geven, daarom kregen ze de naam neuroglia. Glialcellen komen in het hele zenuwstelsel voor, maar de typen verschillen.

Er zijn 3 typen gliacellen. Astrocyten zijn groot en symmetrisch. ze omringen neuronen en staan in contact met bloedvaten. Hierdoor kunnen ze ionen door de vaatwand vervoeren en vormen ze bijvoorbeeld de bloed-hersen-barrière, de barrière tussen het centraal zenuwstelsel en de bloedvaten om de hersenen. Microglia zijn klein en asymmetrisch. Ze spelen een rol bij beschadigd weefsel. Ze omringen beschadigde cellen en voeren ze af. Het laatste type gliacel is de oligodendrocyt, zij hebben als functie het vormen van myeline in het centraal zenuwstelsel.

Myeline is een vettige stof waarmee veel axonen zijn bedekt. Hierdoor worden elektrische signalen makkelijker vervoerd. Myeline wordt in het centraal zenuwstelsel gevormd door oligodendrocyten en in het perifeer zenuwstelsel door Schwann cellen. Deze gliacellen omringen de axonen tijdens hun ontwikkeling en het cytoplasma van de gliacellen wordt als het ware uit de cellen geperst. Oligodendrocyten kunnen myeline voor meerdere axonen vormen, een Schwann cel kan dit slechts voor één axon. Tussen de axonen zitten de knooppunten van Ranvier, zonder myeline, waardoor actiepotentialen sneller kunnen worden doorgegeven langs de axon. Het actiepotentiaal springt als het ware van knoop naar knoop.

Het doorgeven van signalen door neuronen

Neuronale communicatie

Belangrijkste doel van neuronen is het analyseren en doorgeven van informatie. De communicatie tussen twee neuronen wordt neuron signaling genoemd. Dit proces kent verschillende stadia. Een neuron ontvangt een signaal, chemisch of fysiek van aard, en dit geeft een verandering in het membraan van de postsynaptische neuron. Het neuron dat het chemische signaal verstuurd wordt post-synaptisch genoemd en het neuron dat het signaal ontvangt wordt pre-synaptisch genoemd. Een lange afstandssignaal kan worden opgewekt in een regio waar de stroming van verschillende synaptische input wordt geïntegreerd, of door stimulatie van een sensorische receptor (spike triggering zone).

Het neuronale membraan en het membraan potentiaal

Het membraan van een neuron bestaat uit lipiden, vettige moleculen. Er ontstaat een extra-en intracellulaire ruimte. Omdat de laag uit vet bestaat kan het zijn vorm in vocht behouden en kunnen stoffen die in water zijn opgelost er niet makkelijk doorheen (ionen en eiwitten).

Het membraan bevat ook transmembraan proteïnen die bepaalde moleculen in en uit de neuron vervoeren. Voorbeelden hiervan zijn ionkanalen of ionpompen die ionen zoals natrium (Na+), kalium (K+) en chloride (Cl-) in en uit het membraan brengen. Sommige kanalen staan altijd open (passief), andere kanalen worden gesloten en geopend door elektrische, chemische of lichamelijke stimuli (gated).

Het membraan is voor bepaalde ionen beter doorlaatbaar, dan voor anderen. Zo laat het meer kalium ionen (K+) door, dan natrium (Na+) en chloor ionen(Cl-). Dit noem je selectief permeabel en dat komt doordat er meer open (passieve) ionkanalen zijn voor kalium dan voor natrium. Een actieve transporter zoals de natrium-kaliumpomp gebruikt adenosine trifosfaat (ATP) om zich te openen en te sluiten. De natrium-kalium pomp is een eiwit dat energie kan vrijmaken uit ATP. Met behulp van deze energie kan natrium uit de cel en kalium naar binnen. Van één ATP molecuul worden drie natrium ionen naar buiten gepompt en twee kalium ionen naar binnen gepompt. De relatief ondoorlaatbare membraan zorgt ervoor dat de ionen niet terug gaan door het proces van diffusie. Als het membraan in rust is (rust potentiaal) zijn er meer natrium ionen buiten de neuron en meer kalium ionen in de neuron. Daardoor doet de kracht van ongelijke verdeling zijn werk: natrium wil de cel in (van hoge naar lage concentratie) en kalium wil naar buiten.  Het membraan is voor kalium beter doorlaatbaar dus er gaat een beetje kalium naar buiten. Hierdoor ontstaat een verschil in lading rond de neuron, een elektrische gradiënt. Omdat er meer kalium naar buiten gaat wordt de buitenkant namelijk meer positief, waardoor de binnenkant van de neuron de kalium probeert vast te houden. Er ontstaat een balans, waarbij het elektrisch gradiënt gelijk is aan de concentratie gradiënt en dit wordt het elektrochemisch equilibrium genoemd. Nernst heeft een formule voor dit evenwicht ontwikkeld:

Ek = (RT / zF) log e ([K+]o / [K+]i)

Ek is het equilibrium voor kalium. R staat voor de gasconstante, T voor de absolute temperatuur in Kelvin, z voor evalentie van het ion, F voor Faraday’s constante. Log e is het natuurlijke logaritme, [K+]o is de concentratie kalium buiten de cel, [K+]i is de concentratie kalium in de cel.

Elektrische geleiding in neuronen

Twee eigenschappen van neuronen zijn belangrijk voor het verzenden van signalen. Ten eerste zijn neuronen volume geleiders. Dit houdt in dat stroming door hen en hun membraan heen kan. Ten tweede kunnen ze verschillende elektrische stroompjes vormen, namelijk receptor potentialen, synaptische potentialen en actiepotentialen.

Hoe kun je het membraan potentiaal meten?

Om het transmembraan-verschil in potentiaal te meten, wordt zowel buiten als in de cel een micropipet elektrode geplaatst. Door op dezelfde wijze nog twee elektrodes te plaatsen waarbij stroom in het cellichaam wordt geïnjecteerd, kunnen veranderingen in het potentiaal worden bestudeerd. De buitenkant van de neuron wordt altijd gezien als nul volt, dus de binnenkant van de neuron in rust heeft een negatieve waarde.

Om te begrijpen hoe neuronen signalen doorgeven, is het eerst belangrijk om de passieve eigenschappen van neuronen uit te leggen. In essentie zijn neuronen zakken van elektronische geleidingsstof (het cytoplasma), welke gebonden zijn door een elektrische isolator (het celmembraan). De neuron zelf is omringt door extracellulaire vloeistof, welke even goed geleid als het cytoplasma. Membranen hebben een hoge, maar variabele, weerstand en ze kunnen voor korte tijd lading opslaan.

Activatie van een synaps heeft een serie gevolgen:

• De synaps wordt geactiveerd;
• Actieve elektrische stroompjes worden langs het membraan bij de synaps vrijgegeven en vormen synaptische potentialen;
• Deze stroom veroorzaakt elektrische geleiding. Dit is een stroom die door geleiding passief langs de dendrieten en het cellichaam loopt (electrotonic geleiding);
• Als deze passieve stroom sterk genoeg is, kan deze gedepolariseerd worden, waardoor de cel positiever wordt en de kans op een actie potentiaal stijgt. Ook kan er hyperpolarisatie ontstaan waardoor de cel juist minder positief wordt en de kans op een actiepotentiaal daalt.
• De actiepotentiaal is een actief proces (want openen en sluiten kanalen), maar zorgt ervoor dat passieve stroompjes de axon instromen;
• De passieve stroompjes kunnen naastgelegen stukken van de axon depolariseren, waardoor nieuwe actiepotentialen ontstaan. Dit gaat door tot de uiteinden van de axon waar neurotransmitters worden afgegeven naar de volgende neuron.

Bij onderzoek naar de passieve stroom langs de axon is stroom geïnjecteerd aan het begin van de axon met een micropipet elektrode en is de stroom op verschillende punten langs de axon gemeten. Hoever een passieve stroom langs de axon komt is afhankelijk van de amplitude van de originele stroom, de weerstand van het membraan en de geleiding van de intra- en extracellulaire vloeistof.

Dichtbij de elektrode die in de axon is geplaatst is de stroom het sterkst, hoe verder je van de elektrode vandaan gaat, hoe zwakker de stroom wordt. Dit heet decremental conduction

Het doel van elektrische geleiding in neuronen is zorgen dat er neurotransmitters vrijkomen. Is de passieve elektrotonische geleiding hier sterk genoeg voor? Dat hangt van de omstandigheden af; de sterkte van het signaal neeemt af over afstand. Dus voor lange afstand communicatie zal het niet voldoende zijn. Daarnaast hangt het ook af van de sterkte van de originele stroom: Hoe sterker, hoe verder hij komt. De sterkte van de stroom wordt beïnvloed door kracht en het aantal synaptische input of de intensiteit van de fysieke stimulus bij de receptor. Ook is de weerstand van de membraan van belang. Bij hoge weestand kom je verder (er lekt immers minder weg). Tot slot is de mate van geleiding van de intracellulaire vloeistof van belang. Deze is meestal hoog, maar is afhankelijk van de grootte van de dendrieten, cellichamen en axonen. Een groot oppervlakte zorgt ervoor dat de stroom makkelijker vloeit en dus verder komt.

Toch is de afstand die de passieve manier kan afleggen niet zo groot (1mm). Length constant is de maat voor de afstand die de stroom aflegt, waarop de potentiaal op een derde van zijn origineel zit.

Actieve elektrische eigenschappen van neuronen

Omdat de passieve manier niet ver genoeg komt voor bijvoorbeeld je ruggenmerg heb je ook een actief proces voor communicatie, namelijk actiepotentialen.

Een actiepotentiaal wordt opgewekt door passieve elektrotonische stromingen, dus beide soorten (actief en passief) geleiding zijn aan elkaar gerelateerd.

Als het neuron depolariseert, kan er een actiepotentiaal ontstaan. Een actiepotentiaal is een snelle depolarisatie en repolarisatie van het membraan op een specifieke plek. Deze depolarisatie moet wel een bepaalde drempel halen, anders ontstaat er geen actiepotentiaal. De amplitude van de actiepotentiaal is niet afhankelijk van de depolarisatie (mits deze de drempelwaarde haalt). Hiervoor geldt namelijk het alles-of-niets-principe. Als de depolarisatie sterker is dan de drempel, blijft de amplitude van het actiepotentiaal hetzelfde. Zoals eerder besproken zijn er niet-gesloten ionkanalen en relatief gesloten ionkanalen (passief/gated). Bepaalde relatief afgesloten ionkanalen, openen en sluiten afhankelijk van het membraan potentiaal. Ze zijn gesloten tijdens het rustpotentiaal en gaan open als het membraan depolariseert. Dit gebeurt bijvoorbeeld als er een stroom langs het membraan komt. Het ionkanaal gaat open, waardoor natrium ionen de neuron binnenkomen en de neuron verder depolariseert. Dit proces heet de Hodgkin-Huxley cyclus. Na enige vertraging worden dezelfde soort ionkanalen voor kalium geopend waardoor kalium ionen uit de neuron stromem en de neuron repolariseert. Hierdoor komt het neuron uiteindelijk weer terug in het rustpotentiaal. Door de uitstroom van kalium ionen repolariseert de neuron zelfs even tot onder het rustpotentiaal (hyperpolarisatie), wat bekend staat als de herstelperiode (refractoire periode). Tijdens de herstelperiode is het moeilijker een actiepotentiaal te creëren omdat er relatief meer stroom nodig is om de drempel te halen. Aan het begin van de herstelperiode, tijdens de absolute herstelperiode, is het zelfs onmogelijk een actiepotentiaal te creëren  omdat de hierboven beschreven relatief gesloten ionkanalen voor natrium geïnactiveerd zijn en niet open kunnen. Hierna volgt de relatieve herstelperiode. Een actiepotentiaal is dan wel mogelijk, maar er is een grotere depolariserende stroom nodig.

Een belangrijk aspect binnen neuronale communicatie is de snelheid waarmee signalen worden doorgegeven. Als de weerstand van het membraan toeneemt en de weerstand van het axon afneemt, bevordert dit de snelheid. De weerstand van axonen neemt af bij een grotere diameter van de axon. Er zijn uiteraard grenzen aan de diameter van axonen. Dit probleem wordt opgelost door myeline. Myeline ontstaat door glialcellen waarvan het cytoplasma naar buiten geduwd wordt. Myeline omringt de axonen en verhoogt hiermee de weerstand van het membraan. Ook zorgt myeline voor elektrische isolatie waardoor stroompjes over een grotere afstand door de axon worden vervoerd. Hierdoor zijn minder actiepotentialen nodig, namelijk alleen bij de knopen van Ranvier. Een actiepotentiaal springt hierdoor als het ware van knoop naar knoop.

Twee krachten zijn van belang wat betreft een actiepotentiaal. Namelijk de elektrische en de chemische gradiënt.

Het elektrische gradiënt

Omdat er tijdens het rustpotentiaal relatief meer negatief geladen deeltjes zich in de cel bevinden dan er buiten zullen deze deeltjes, mits de bariere tussen binnen en buiten tijdelijk opgeheven wordt, door bijvoorbeeld het opengaan van ionkanalen, op basis van kans meer naar buiten stromen dan naar binnen. Dit zal leiden tot een netto-uitstroom van negatief geladen deeltjes. Dit zal een depolariserende werking hebben op het membraan potentiaal.

Het chemische gradiënt

Omdat er tijdens het rustpotentiaal relatief meer Kalium deeltjes zich in de cel bevinden dan er buiten zullen deze deeltjes, mits de barrière tussen binnen en buiten tijdelijk opgeheven wordt, door bijvoorbeeld het opengaan van ionkanalen, op basis van kans meer naar buiten stromen dan naar binnen. Dit zal leiden tot een netto-uitstroom van kalium deeltjes (K+). Dit zal een depolariserende werking hebben op het membraan potentiaal.

Omdat er tijdens het rustpotentiaal relatief minder natrium deeltjes zich in de cel bevinden dan er buiten zullen deze deeltjes, mits de barrière tussen binnen en buiten tijdelijk opgeheven wordt, door bijvoorbeeld het opengaan van ionkanalen, op basis van kans meer naar binnen stromen dan naar buiten. Dit zal leiden tot een netto-instroom van natrium deeltjes (Na+). Dit zal een polariserende werking hebben op het membraan potentiaal.

Zowel het elektrische als het chemische gradiënt opereert volgens het principe dat daar waar relatief meer is van een bepaald deeltje (met een bepaalde elektrische of chemische eigenschap), zonder barrière, relatief meer zal bewegen naar daar waar relatief weinig van dat deeltje is.

Deze krachten zijn essentieel voor het behoud van het rustpotentiaal en het ontstaan van een actiepotentiaal. Wanneer de barrière verwijdert wordt kunnen deze krachten vrij acteren om ionen in en uit de neuron te laten stromen, net als een pijl die vrij is om te ontsnappen van een gespannen boog wanneer hij losgelaten wordt. Deze barrière kan verwijdert worden door het openen van ionkanalen doordat neurotransmitters binden aan receptoren op een neuron.

Transmembraan proteïnen: ion kanalen en pompen

Ionkanalen zijn proteïnen die bestaan uit polipeptiden (eiwitten). Polipeptiden zijn weer opgebouwd uit aminozuren. Een peptide bestaat uit tenminste twee aminozuren. Proteïnen zijn lange draden met een driedimensionale structuur. De primaire structuur zijn de aminozuren. De secundaire structuur is de lengte van de spiraal. De tertiaire structuur is de mogelijkheid van proteïnen om zich als spiraal op te vouwen waardoor de driedimensionale structuur ontstaat.

Ionkanalen kunnen passief zijn of actief, wat inhoudt dat ze afgesloten worden door elektrische, chemische of fysieke stimuli. Wanneer het membraan bijvoorbeeld wordt gedepolariseerd, gaan actieve ionkanalen openstaan om ionen door te laten. Actieve ionkanalen die worden bestuurd door chemische stimuli zijn receptoren van neurotransmitters. Receptoren bevinden zich op de dendrieten. Er zijn twee soorten postsynaptische receptoren: direct gekoppeld en indirect gekoppeld. Direct gekoppelde receptoren veranderen, nadat een neurotransmitter er op bind, van vorm waardoor de in- en uitstroom van ionen beïnvloed kan worden. Indirect gekoppelde receptoren openen of sluiten zichzelf niet door van vorm te veranderen maar door een boodschap in de cel door te geven waardoor indirect elders ionkanalen beïnvloed kunnen worden. Het doorgeven van dit soort indirecte boodschappen in de cel wordt gedaan door zogeheten G proteins en second messengers.

Synaptische transmissie

Synaptische transmissie is het doorgeven van signalen door neuronen bij elektrische of chemische synapsen.

Chemische transmissie

Chemische transmissie gebeurt in een aantal stappen. Allereerst moet een actiepotentiaal de uiteinden van de axon bereiken. De uiteinden worden gedepolariseerd waardoor calcium (Ca2+) ionen binnenstromen. Vervolgens smelten blaasjes met daarin neurotransmitters samen met het membraan en worden neurotransmitters vrijgegeven in de synaptische spleet. De neurotransmitter bindt zich aan een receptor op het postsynaptische membraan. Dit kan leiden tot een exhiberend of een inhiberend potentiaal. Een exhiberend postsynaptische potentiaal kan in een neuron tot een nieuw actiepotentiaal leiden en in een spiercel tot een actiepotentiaal in de spier en tot samentrekking van de spier. Een inhiberend postsynaptische potentiaal verkleind de kans op een actiepotentiaal in een postsynaptische neuron. Een inhiberend postsynaptisch potentiaal kan de postsynaptische neuron depolariseren, maar toch onder de drempel voor een actiepotentiaal blijven.

Elektrische transmissie

Elektrische synapsen hebben geen synapsspleet waardoor ze in direct contact staan met elkaar. De cytoplasma’s zijn continu gehouden door middel van gap junctions. Hierdoor zijn de isopotentiaal (zelfde potentiaal). Elektrische verandering gebeurd dus bijna tegelijkertijd. Depolarisatie is wel lager in de postneuron. Elektrische transmissie is snel (vluchtreflex), maar er zijn ook nadelen. Zo is er geen inhibitie, is het minder plastisch en kan het signaal niet versterkt worden.

Neurotransmitters

Loewi bewees als eerste wetenschapper dat chemische transmissie bestaat door onderzoek te doen bij kikkers. Hij ontdekte hierbij ook dan de neurotransmitter acetylcholine effect heeft op de hartslag. Vandaag de dag zijn er meer dan honderd verschillende transmitters bekend. Het zijn moleculen, variërend in maat en chemische bouw, die gedeelde eigenschappen hebben:

• Ze worden allemaal door presynaptische neuronen gemaakt
• Worden getransporteerd naar axon terminal in blaasjes die loslaten in de spleet
• Na binding met postsynpatische neuron worden ze verwijderd

Er zijn vier criteria waar een stof aan moet voldoen om een neurotransmitter te zijn:

1. Synthese en localisatie in presynaptisch neuron en opgeslagen worden in terminal
2. Vrijlating bij actie potentiaal die de terminal depolariseren
3. Postsynaptisch neuron moet receptoren voor ze hebben
4. Bij kunstmatig toedienen moeten ze dezelfde reactie geven als daadwerkelijke stimulatie van de presynaptisch neuron zou hebben

Klassen van neurotransmitters: er zijn verschillende manieren om te classificeren. Bijvoorbeeld biochemisch. Neurotransmitters kun je dan onderverdelen in aminozuren (gaba), biochemische zuren (dopamine). Een andere klasse is neuropeptiden.

Peptiden zijn lange spiralen en zijn onder te verdelen in vijf groepen, tachykinines, neurohypofyseale hormonen, hypothalamische afgifte hormonen, opioide peptiden en de restcategorie.

Een neuron kan in het algemeen één tot meerdere neurotransmitters afgeven. Conditionele neurotransmitters brengen alleen een effect teweeg in de postsynaptische neuron als afgifte van de neurotransmitter samenvalt met andere factoren. Grote neurotransmitters worden in het cellichaam gemaakt, kleine in de synaptische terminal. Wel worden enzymen die nodig zijn voor de kleine transmitters in het cellichaam gemaakt. De synthese van cathecholamines begint bijvoorbeeld met tyrosine.

Na de afgifte van neurotransmitters en de opname van een aantal neurotransmitters door het postsynaptisch neuron, blijft er een hoeveelheid neurotransmitters achter in de synaptische spleet. Deze neurotransmitters worden verwijderd doordat ze weer worden opgenomen door de presynaptische neuron, door afbraak van de neurotransmitters met behulp van enzymen of door diffusie van de neurotransmitters. Het niveau van transmitters word geregeld door autoreceptoren.

Drugs, neurotransmissie en ziekte

Medicatie kan neurotransmissie beïnvloeden door de actie van de transmitter direct na te doen, er voor te zorgen dat er meer transmitter vrijkomt of door de heropname te blokkeren. Een laatste manier is door de binding te bemoeilijken. Zo blokkeert SSRI heropname en voorkomt MAO afbraak.

Uit onderzoek komt naar voren dat een hoog niveau MAO de kans op crimineel gedrag na misbruik verkleint. Een te hoog dopamine niveau wordt teruggevonden bij patiënten met schizofrenie, terwijl patiënten met parkinson er juist gebrek aan hebben. Een dopamine antagonist bind aan de dopamine receptor, waardoor de dopamine zelf niet meer kan binden. Een agonist doet het effect van de transmitter juist na.

Ook door het gebruik van drugs wordt het neurale systeem verstoord, met name op het niveau van neurotransmitters.

Hoofdstuk 3. Neuroanatomie en ontwikkeling

Neuroanatomie

Neuroanatomie is de studie naar de structuur van het zenuwstelsel. Onderzoek hiernaar valt uiteen in de grove en de fijne of microanatomie. Bij het eerste niveau kijk je naar algemene structuren die met het blote oog te zien zijn en bij het tweede niveau kijk je naar de organisatie van neuronen en connecties.

Verschillende methoden binnen de neuroanatomie

Totdat neuro-imaging technieken hun intrede deden, werden hersenen na overlijden op sterk water gezet om te kunnen onderzoeken. Grove neuroanatomie begint bij het verwijderen van de hersenen uit het lichaam. Hierbij valt op dat de hersenen worden omringd door botweefsel (schedel) en een dichte laag van collageen vezels (dura mater). Aan de buitenkant van de hersenen zien we de gyri (opvallende en uitpuilende rondingen) en de sulci (geplooide delen die eruit zien als lijnen en kreukels of plooien). Bij de eerste ontleding wordt zichtbaar dat de hersenen bestaan uit grijze en witte materie. De grijze materie is een corticale laag die de witte materie omringt. De term grijze materie komt voort uit het feit dat vroeger alleen onderzoek werd gedaan bij hersenen van overledenen. Bij levende hersenen is de grijze materie rozig gekleurd. De grijze kleur na overlijden komt door de cellichamen van neuronen en glia. De witte materie is bij levende hersenen melkachtig wit gekleurd. De witte kleur komt door de vette myeline rond de axonen.

Door de grove neuroanatomie komen we veel te weten over de hersenen, maar door microanatomie wordt informatie op een gedetailleerder niveau verkregen. Histologie is het bestuderen van weefselstructuren door microscopische technieken, wat veel gebruikt wordt in de microanatomie. Denk hierbij aan de eerder besproken Cajal, Golgi en Purkinje. Neuroanatomen willen weten hoe neurale paden door het zenuwstelsel lopen. Dit is moeilijk omdat deze paden geen simpele eenduidige circuits zijn. Eén neuron kan via de axonen aan verschillende andere neuronen signalen doorgeven, zelfs aan neuronen in andere hersengebieden. Bij de aanduiding van neurale verbindingen wordt eerst het begin- en dan het eindpunt genoemd. Cortico-corticale verbindingen lopen van het ene naar het andere corticale gebied. Thalamo-corticale verbindingen lopen van de thalamus naar een corticaal gebied. Cortico-thalamische verbindingen, of cortifugale verbindingen lopen van een corticaal gebied naar de thalamus.

Veel ontdekkingen in de neuroanatomie zijn te danken aan de kleurstoffen waardoor delen van het zenuwstelsel zichtbaar kunnen worden gemaakt, deze matode wordt celstaining genoemd. De degeneratie methode is een oude, maar effectieve methode waarbij axonen naar beschadigde gebieden worden gevolgd. Een moderne methode is het gebruik van het enzym HRP. Bij retrograde gebruik wordt het enzym ingespoten in de axonen en vervoerd naar het cellichaam. Bij anterograde gebruik wordt het enzym in het cellichaam ingevoerd en naar de axonen vervoerd. In dieronderzoek wordt HRP ingespoten, het dier gedood en de hersenen behandeld met chemicaliën om HRP te kleuren voor verder microscopisch onderzoek. Een andere methode is het gebruik van radioactief gelabeld materiaal omdat daarbij een afbeelding van de gelabelde delen gemaakt kan worden met behulp van fotografisch materiaal. Uit microanatomisch onderzoek is naar voren gekomen dat neuronen overeenkomsten hebben, maar eigenlijk als heterogeen moeten worden beschouwd door hun verschillen qua grootte en vorm.

De gebruikte technieken zoals de kleurstof van Golgi, Nissl of Weigert, maken het mogelijk bij individuele cellen onderzoek te doen naar de opbouw en lagen in verschillende delen van de hersenen. Met deze technieken kwam Brodmann tot een cyto-architectonische kaart van de hersenen. Middels de tracttracing methode is het mogelijk om connecties tussen neuronen en breinregionen te identificeren.

De grove en functionele anatomie van de hersenen

Het zenuwstelsel bestaat uit het centrale zenuwstelsel (hersenen en wervelkolom) en het perifere zenuwstelsel (de rest). Het perifere zenuwstelsel vervoert sensorische signalen naar de hersenen en motorische signalen van de hersenen naar de spieren. Het somatisch motor systeem bestaat uit alle spieren waarvan de bewegingen door de wil geregeld worden. Het autonome motor systeem bestaat uit alle ongecontroleerde spieren zoals het hart en spijsvertering.

De cerebrale cortex

De cerebrale cortex bestaat uit twee symmetrische hemisferen die vooral bestaan uit neuronen. Het omringt kernstructuren zoals het limbisch systeem, de basale ganglia en diencephalon. De voorhersenen bestaan uit de cerebrale cortex, basale ganglia en diencephalon. De hersenen zijn geplooid en gevouwen (sulci en gyri) om ruimte te besparen. Zonder deze structuur zou ons hoofd veel groter moeten zijn. Ook liggen hierdoor neuronen dichter bij elkaar, waardoor neurale verbindingen minder lang hoeven te zijn en signalen snellen kunnen worden doorgegeven. De cerebrale cortex is gemiddeld 3 mm dik en bevat relatief veel cellichamen waardoor het grijzig van kleur is (grijze stof) bij onderzoek na overlijden.

Anatomische onderverdeling:

De hemiferen hebben vier kwabben, die hun naam te danken hebben aan de bovenliggende botstructuur. Iedere hemisfeer bestaat uit de frontale, pariëtale, temporale en occipitale kwab. Sommigen tellen het limbisch systeem mee als vijfde, limbische kwab. De frontale en pariëtale kwab worden gescheiden door de centrale sulcus. De temporale kwab wordt gescheiden van de frontale en pariëtale kwab door de laterale fissure, ook bekend als Sylvian fissure. De scheiding van de occipitale kwab met de pariëtale en temporale kwab bestaat op dorsaal niveau uit de pariëto-occipitale kwab en op ventraal-lateraal niveau uit de pre-occipitale inkeping.

De linker en rechter hemisfeer worden gescheiden door de interhemisferische of longitudinale fissure. Beide hemisferen staan tegelijkertijd met elkaar in verbinding via het corpus callosum dat bestaat uit axonen van corticale neuronen.

De cerebrale cortex kan, naast de hierboven beschreven anatomische indeling in kwabben op verschillende manieren worden ingedeeld. Cyto-architectuur deelt de hersenen in op grond van overeenkomsten in vorm en organisatie van de cellen. Brodmann verdeelde de hersenen op deze manier in 52 regio’s. Andere anatomen zijn zelfs tot 200 verschillende regio’s gekomen, maar deze kloppen waarschijnlijk niet allemaal.

Uiteindelijk kan een deel van de hersenen worden aangeduid met de naam die Brodmann eraan gegeven heeft, de cyto-architectonische naam, de grof anatomische naam of de functionele naam. De functionele naam kan gezien de huidige onderzoekstechnieken snel veranderen.

De cerebrale cortex kan ook worden verdeeld aan de hand van de patronen van de verschillende lagen: de neocortex, de mesocortex en de allocortex. De neocortex is het grootste gedeelte en bestaat uit zes lagen. De mesocortex is de omschrijving voor het para-limbisch systeem dat bestaat uit de cingulate gyrus, para-hippocampale gyrus, insulare gyrus en orbitofrontale cortex. De mesocortex bestaat uit zes lagen en ligt tussen de neocortex en de allocortex. De allocortex heeft één tot vier lagen en bestaat uit het hippocampale complex en de primaire olfactore cortex.

De kwabben van de cerebrale cortex spelen een rol in verschillende neurale processen. Er kunnen verschillende kwabben betrokken zijn bij één proces, maar vaak speelt het proces zich voor het grootste gedeelte af in één kwab De meest voorkomende processen per kwab zullen hieronder besproken worden.

De frontale kwab is voornamelijk betrokken bij het plannen en uitvoeren van bewegingen. De frontale kwab is onder te verdelen in de motor cortex en de prefrontale cortex. De axonen van de neuronen in de motor cortex lopen tot de wervel kolom, hersenstam en synapsen van motorneuronen in de wervelkolom. De prefrontale cortex is betrokken bij de planning en uitvoering van gedrag waarbij informatie over een periode moet worden samengevoegd. De prefrontale cortex bestaat uit de dorso-laterale cortex, de orbitofrontale cortex en de anterior-cingulate- en mediaal-frontale gebieden.

De pariëtale kwab is voornamelijk betrokken bij somatosensore processen, waarbij sensorische informatie binnenkomt via de thalamus. Vanaf de thalamus gaat de informatie over pijn en temperatuur via het anterolaterale systeem. Informatie over tast, proprioceptie en beweging gaat via het dorsale kolommediale lemniscale systeem.

De occipitale kwab is voornamelijk betrokken bij visuele processen. Visuele informatie gaat via retina, optische cel en laterale geniculate nucleus naar de primaire visuele cortex. De primaire visuele cortex bestaat uit zes lagen die zich bezighouden met kleur, licht, spatiële frequentie, oriëntatie en beweging. Vanaf de occipitale kwab loopt één neurale verbinding (ventrale pad) naar de temporale kwab die zich bezighoudt met het ‘wat’ van de visuele informatie om tot object identificatie te komen. Een andere neurale verbinding (dorsale pad) loopt van de pariëtale kwab en houdt zich bezig met het ‘waar’ van de visuele informatie om tot lokalisatie en beweging van het object in de ruimte te komen.

De temporale kwab is voornamelijk betrokken bij auditieve processen, waarbij auditieve informatie via oor en mediale geniculate van de thalamus binnenkomt bij de supra temporale cortex.

De associatie cortex is het deel van de neocortex dat zich niet uitsluitend bezighoudt met ofwel sensorische ofwel motorische informatie. De associatie cortex is betrokken bij hogere mentale processen en in interactie met sensorische en motorische delen van de cortex.

Het limbisch systeem, de basale ganglia, de hippocampus en het diencephalon

Het limbisch systeem bestaat uit verschillende structuren die de hersenstam omringen: de cyngulate gyrus die van voor naar achteren boven het corpus callosum loopt, de hypothalamus, de anteriore thalamische nuclei en de hippocampus. Het limbisch systeem is betrokken bij emotionele processen, leren en geheugen. Er worden steeds meer functies van het limbisch systeem ontdekt.

De bassala ganglia bestaan uit de globus pallidus, caudate nucleus en putamen. De caudate nucleus en putamen worden samen ook wel eens het neostriatum genoemd. De basale ganglia spelen een belangrijke rol bij het controleren van beweging. Sommige neuro-anatomen zijn van mening dat amygdala en substantie nigra ook deel uit zouden moeten maken van de basale ganglia, maar volgens de huidige classificatie vallen ze niet onder de basale ganglia. De basale ganglia, subthalamische nucleus en substantie nigra spelen een mediërende rol in motorische controle, cognitieve en executieve functie. De basale ganglia zenden signalen uit naar voornamelijk de motor cortex, premotor cortex en prefrontale cortex.

De hippocampus ontvangt signalen van de entorhinale cortex en is betrokken bij emotionele processen en geheugen.

Het diencephalon bestaat uit de thalamus en hypothalamus. Alle sensorische signalen, met uitzondering van reuk, gaan via de thalamus naar de verschillende sensorische gebieden. De thalamus is  verdeeld in een aantal nuclei. De laterale geniculate nucleus ontvangt informatie van de retina en verzendt deze naar de primaire visuele cortex. De mediale geniculate nucleus ontvangt auditieve informatie van het oor en verzendt deze naar de primaire auditieve cortex. De ventrale-posteriore nucleus ontvangt somatosensorische informatie en verzendt deze naar de primaire somatosensorische cortex.

De thalamus verwerkt ook informatie van de basale ganglia, het cerebellum, de neocortex en de mediale temporale lobe. De pulvinare nucleus, onderdeel van de thalamus, speelt een rol in de controle van aandacht en object herkenning.

De hypothalamus is betrokken bij het autonome zenuwstelsel en endocriene systeem, en speelt een rol bij emotionele processen. Ook bestuurt de hypothalamus de hypofyse. De hypothalamus ontvangt informatie uit verschillende delen van de hersenen en verzendt informatie naar de prefrontale cortex, amygdala en wervelkolom. Door afgifte van hormonen heeft de hypothalamus invloed op neurale processen en tegelijkertijd wordt de hypothalamus beïnvloedt door de hormonen in het bloed. Tevens houdt de hypothalamus de homeostase in balans.

De hersenstam

De hersenstam bestaat uit drie delen; de middenhersenen, de pons en de medula. De hersenstam controleert ademhaling en bewustzijn (slaap/waak). Beschadiging van de hersenstam kan daardoor levensbedreigend zijn en zelfs dodelijke gevolgen hebben.

De middenhersenen zijn betrokken bij visuo-motorische functies, visuele reflexen, auditieve processen en motorische coördinatie. Een belangrijk deel van de middenhersenen, de reticulaire formatie, is betrokken bij aandacht, ademhaling, cardiale modulaties, reflexmatige spieractiviteiten en pijnregulatie. De substantia nigra gebruikt met name dopamine als neurotransmitter, de locus coerculeus gebruikt met name norepinefrine en de raphne nuclei met name serotonine.

De pons is voornamelijk betrokken bij auditieve- en evenwichtsprocessen. Samen met de medulla vormen ze het ‘hindbrain’. De medula is betrokken bij de motorische controle van gezicht, mond en hart.

Cerebellum

Het cerebellum overkoepelt de hersenstam ter hoogte van de pons. Het cerebellum speelt een cruciale rol bij evenwicht en gecontroleerde bewegingen.

De wervelkolom

De wervelkolom verzendt de laatste signalen in het motorisch proces naar de spieren, en verzendt de eerste signalen in het sensorische proces naar de hersenen. De zenuwen worden beschermd door het botweefsel van de rugwervels.

Het autonome zenuwstelsel

Het autonome zenuwstelsel is onderdeel van het perifere zenuwstelsel en valt uiteen in het sympathische zenuwstelsel dat betrokken is bij lichamelijke processen in actie (fight-flight), en het parasympathische zenuwstelsel dat betrokken is bij lichamelijke processen in rust. Het sympatische deel maakt gebruik van de stof noradrenaline en het parasympatische deel van acethylcholine.

Ontwikkeling van het zenuwstelsel

Overzicht grove ontwikkeling

Na de bevruchting begint de blastula met specialiseren. De blastula heeft drie hoofddtypen cellijnen: ectoderm, mesoderm en endoderm. Ectoderm vorm het zenuwstelsel, de huid, lens, oog, oor en haar. Mesoderm vormt het skelet en de spieren en endoderm vormt het verteringsstelsel. Het brein ontwikkelt zich vanuit de neural tube

Vorming van de cerebrale cortex

Dit wordt ook wel de corticogenese genoemd. Het bestaan uit een aantal processen.

• Neuronale proliferatie

Bijna alle neuronen worden prenataal gevormd. Middels het injecteren van thymidine kun je zien wanneer welke cellen zich vormen. Met autoradiografische methoden kun je zien hoe ze zich verspreiden

• Neurale migratie

De neuronen die de cortex vormen ontstaan vanuit de ventriculaire zone. Een precursor cel is een ongedifferentieerde cel van waaruit glialcellen of neuronen gemaakt kunnen worden. Na mitose gaan ze via de radial glial cel uit de centricullaire zone. De cortex wordt van binnen naar buiten opgebouwd. De jongste cellen zitten dus aan de buitenkant.

• Neurale determinatie en differentiatie

Middels determinatie en differentiatie wordt een precursor cel een glial of neuron. Dit is al voor de celmigratie bepaald. Cellen die ver  weg van elkaar zaten in de ventricullaire zone zitten dat ook in de cortex. Dit noem je de radial unit hypothese.

Geboorte van nieuwe neuronen in je leven

Er worden nieuwe neuronen geboren bij dieren in de hippocampus en olfactory bulb. Mogelijk gebeurd dit ook op andere plaatsen, maar onderzoek staat nog in de kinderschoenen en zodoende zijn nog niet alle gebieden in de hersenen grondig onderzocht. Ook komt uit onderzoek naar voren dat mensen nieuwe neuronen aanmaken.

Postnatale hersenontwikkeling

Een belangrijk aspect van neurale ontwikkeling is synaptogenese (vorming van synapssen). Nadat er synapsen gevormd zijn vind er pruning plaats (snoeien). Er is bewijs dat deze processen in regionen op verschillende tijden plaats vinden. Middels de pruning worden bepaalde verbindingen verbroken, waardoor andere versterkt worden.

Plasticiteit van het zenuwstelsel

de organisatie van het lichaam is weerspiegeld in de corticale representatie van het lichaam. Het mappen van specifieke delen van het lichaam op de cortex wordt somatotopy genoemd. Je ziet dit vaak terug in leerboeken met de homunculus (gek poppetje met overdreven handen en andere lichaamsdelen).

Het volwassenen brein kent plasticiteit, dit vind je terug bij patiënten maar ook onderzoek levert hier bewijs voor.

Hoofdstuk 4. Methoden binnen de neurowetenschappen

In de geschiedenis van de wetenschap is te zien dat sommige hypothesen, die voor waar werden gehouden, uiteindelijk niet blijken te kloppen. Dit heeft te maken met de onderzoeksmethoden waarover men toentertijd beschikte, maar ook met de vragen die men stelde.

Een voorbeeld hiervan is het 6e eeuwse idee dat de aarde het middelpunt van het zonnestelsel was en de zon om de aarde draaide. De uitvinding van de telescoop en Galileo die dit idee durfde te betwijfelen, hebben ertoe geleid dat nu bekend is dat de aarde om de zon draait. Vanuit de algemene relativiteitstheorie van Einstein kan men nu echter zeggen dat beide modellen, zowel het heliocentrische als het geocentrische, allebei waar zijn, afhankelijk van het referentiepunt dat men kiest. Wil men de banen van de planeten begrijpen als een functie van zwaartekracht dan zal men het zwaarste hemellichaam (i.e. de zon) als referentiepunt moeten nemen. Wil men echter vanuit een aardse blik de bewegingen van de hemellichamen begrijpen dan neemt men de aarde als referentiepunt. Het kiezen voor een aardse referentiepunt wordt duidelijk vanuit de vele conventies in onze taal als “De zon is opgekomen”, “Een zonsondergang”, “De zon staat 'smiddags op zijn hoogste punt” etc. Vanuit een heliocentrisch perspectief zijn deze uitspraken technisch gezien onzin. De zin of onzin van deze uitspraken is afhankelijk van het gekozen referentiepunt.

Binnen de cognitieve neurowetenschap maken wetenschappers tegenwoordig gebruik van PET scans en MRI scans waardoor bij levende mensen hersenonderzoeken kunnen worden uitgevoerd en de hersenen veel preciezer kunnen worden onderzocht dan voorheen.

Cognitieve psychologie

Cognitieve psychologie bestudeert mentale activiteit als informatieverwerkingsproces. De assumptie hierbij is dat we niet direct uitoefenen op de wereld, maar dat percepties en acties worden beïnvloed door interne transformaties/bewerkingen. Daarnaast zijn er twee belangrijke onderliggende concepten:

1.    Informatieverwerking is afhankelijk van interne representaties

2.    Mentale representaties worden onderworpen aan transformaties zoals geheugen bijvoorbeeld perceptie beïnvloedt

Mentale operaties

De cognitieve psychologie gaat ervan uit dat een taak bestaat uit verschillende mentale operaties waarbij een representatie binnenkomt (input) en wordt verwerkt tot een nieuwe representatie (output).

Sternberg heeft een taak ontworpen om te onderzoeken hoe goed men sensorische informatie kan vergelijken met een representatie in het geheugen. Proefpersonen krijgen de instructie een serie van één, twee of 4 letters te onthouden. Vervolgens worden één voor één letters op het scherm getoond waarbij de proefpersoon dient aan te geven of de getoonde letter overeenkomt met een van de letters uit de serie die onthouden moest worden.

Volgens Sternberg zijn bij deze taak 4 primaire mentale operaties betrokken:

1.    Stimulus identificatie

2.    Vergelijking van de stimulus met de items uit representaties

3.    Beslissing of de stimulus gelijk is aan één van de items uit de representatie

4.    Respons

Elke operatie kan bijbehorende operaties hebben. Volgens Sternberg zijn er twee mogelijke manieren waarop dit herkenningsproces kan werken. Het herkenningsproces kan parallel lopen, waarbij alle items tegelijk worden vergeleken met de stimulus. Het proces kan ook serieel lopen, wat zou betekenen dat er grenzen zijn aan informatieverwerking. Deze laatste veronderstelling blijkt te kloppen volgens onderzoek. Ook blijkt dat vergelijking met een item uit het geheugen een vaste tijd heeft, die wordt beïnvloedt door de moeilijkheid en door ervaring. De stimulus wordt vergeleken met alle items uit de representatie ook als de gelijke al eerder gevonden wordt. Dit is niet logisch. Mogelijk wordt aan het einde van de vergelijking pas bekeken of er een gelijke is gevonden of niet.

Andere mentale operaties blijken parallel te werken, zoals blijkt uit woord-superioriteit-effect. Proefpersonen moeten reageren als een bepaalde letter in een reeks letters voorkomt. De reactietijd blijkt korter als de reeks letters een woord vormen, dan bij een willekeurige reeks letters.

Beperkingen van informatieverwerking

De beperkingen van informatieverwerking zijn onder andere onderzocht met behulp van de Stroop taak.

Allereerst worden proefpersonen gevraagd namen van kleuren zo snel mogelijk te lezen. Vervolgens krijgen proefpersonen gekleurde vlakken te zien en worden gevraagd zo snel mogelijk de kleur te noemen. Tot slot krijgen proefpersonen namen van kleuren te zien, maar de kleur van de inkt verschilt soms van de naam van de kleur die beschreven staat. Proefpersonen worden gevraagd zo snel mogelijk de kleur van de inkt te noemen en het woord te negeren. Uit het feit dat proefpersonen in de laatste fase langzamer reageren blijkt dat twee herkenningsprocessen automatisch in werking worden gesteld; zowel woordherkenning als kleurherkenning. Hierbij blijkt dat het soort respons ook van invloed is.

Het drukken op een knop gaat sneller dan het uitspreken van de respons, waaruit blijkt dat met name het woordherkenningsproces  interfereert bij een gesproken respons.

De beperkingen van informatieverwerking worden ook onderzocht door proefpersonen twee taken tegelijkertijd uit te laten voeren. De interactie van verschillende mentale operaties kan verminderen door ervaring, zoals bij autorijden.

Computermodulatie

Computers worden veel gebruikt door cognitieve psychologen om cognitieve processen te simuleren. Kunstmatige intelligentie bestaat uit deze gesimuleerde cognitieve processen. Computers krijgen input en moeten deze verwerken tot bepaalde output, vaak gedrag van een robot. Als de output van het model niet overeenkomt met de menselijke output, dan klopt de simulatie niet.

Modellen zijn expliciet

Bij computermodellen moet het interne proces exact gespecificeerd worden. Braitenberg heeft dit aangetoond door twee uiterlijk gelijke machines met innerlijk verschillend lopende draden. De ene machine gaat naar een warmtebron toe, de ander keert zich er juist van af. De conclusie is dat de uitkomst van een intern proces zelfs al kan veranderen door verschillende patronen van verbindingen. Een verschil in gedrag hoeft dus niet te liggen aan verschillende (soorten) informatieverwerking, maar kan ook liggen aan verschillen in patronen van connectiviteit.

Representaties bij computermodellen

Modellen volgens neurale netwerken zijn in opkomst, waarbij één onderdeel een bepaald proces representeert. Deze modellen kunnen variëren op grond van de verklaring die men wil aantonen door middel van het model. Bij deze modellen kan men ook hersenbeschadigingen nabootsen, bijvoorbeeld door kunstmatige laesies in het kunstmatige netwerk.

Testbare voorspellingen door modellen

Op grond van computermodellen kan men hypotheses vormen die bij echte hersenen getoetst kunnen worden. Zo onderzochten Kali en Dayan bijvoorbeeld naar antwoorden op vragen met betrekking tot het episodisch geheugen. Deze antwoorden probeerden zij te genereren door een computer model te maken.

Beperking van de computermodellen

Computermodellen zijn beperkt omdat het een simpele weergave van het zenuwstelsel is. Dit komt mede door wat bekend is over het zenuwstelsel. Ook kunnen de modellen slechts kleine problemen nabootsen. Het is echter niet de taak van de wetenschap om de werkelijkheid in zijn volledige complexiteit totaal te doorgronden. Omdat onderzochte fenomenen vaak zeer complex zijn probeert men, met het doel om toch enig inzicht te krijgen, modellen te maken. Deze modellen zijn dan versimpelde weergaven van het complexe fenomeen in de realiteit. Op deze wijze is men toch in staat om complexe fenomenen te begrijpen, verklaren en om op basis van deze modellen voorspellingen te doen of de werkelijkheid te veranderen/ manipuleren, zoals bijvoorbeeld wenselijk is in het geval van psychiatrische stoornissen. Een andere beperking is dat de manier waarop modellen leren niet overeen lijkt te komen met hoe biologische organismen dat doen.

Dieren en experimentele technieken

Het gebruik van dieren voor onderzoek staat nog altijd ter discussie, maar heeft tegelijkertijd veel opgeleverd voor de medische en biologische wetenschappen.

Opnames van één enkele cel (single-cell recording)

Single-cell recording heeft de wetenschap vele stappen verder gebracht. Bij deze techniek wordt een dunne elektrode ingebracht in de hersenen van een dier, waardoor elektrische activiteit kan worden gemeten. Het doel van deze techniek is om te onderzoeken of een manipulatie steeds dezelfde verandering in elektrische activiteit teweegbrengt. Intracellulair zou dit het beste werken, maar vaak gaat de cel dan kapot. Zodoende wordt hij vaak extracellulair geplaatst, waardoor je minder zeker bent dat je daadwerkelijk activiteit van één cel meet.

Deze techniek wordt vooral veel gebruikt bij onderzoek naar het visuele systeem van primaten. Een elektrode wordt dan geplaatst op het corticale gebied waarvan men een repons verwacht bij visuele stimuli. Uit dit soort onderzoek is gebleken dat cellen reageren op visuele stimuli in een bepaalde regio in het gezichtsveld. Deze receptieve velden blijken wel te overlappen met naastgelegen receptieve velden. Deze respons hangt samen met de activatie van de fotoreceptoren van de retina.

Wanneer er licht valt op een bepaald deel van de retina worden de bijbehorende receptieve velden geactiveerd. Als het licht dooft of verplaatst, neemt ook de activatie van de receptieve velden af. Op grond hiervan kunnen topografische kaarten van representaties worden opgesteld. Dit soort kaarten kan worden opgesteld voor een groot deel van de hersenen. Een beperking van deze techniek is de correlationele aard van de techniek, wat soms kan worden opgelost door fysiologische en neuro-anatomische methoden te combineren. Je kunt kijken naar losse cellen, maar ook hier geld dat het geheel groter is dan de som der delen.

Laesies

Laesies van de hersenen leveren een grote bijdrage aan de wetenschap, maar worden vanwege ethische redenen niet uitgevoerd bij mensen, wel bij dieren. Na de laesie van een neurale structuur kan worden geobserveerd hoe het dier zijn gedrag aanpast, en of (en hoe) andere neurale structuren worden beïnvloed door de laesie. De technieken voor het uitvoeren van de laesies zijn in de loop der jaren steeds preciezer geworden. Er wordt  gebruik gemaakt van elektrische stroompjes en chemicaliën. Sommige chemicaliën verdoven een bepaald deel van de hersenen, waardoor een tijdelijke laesie ontstaat. Hierdoor kunnen de uitkomsten met en zonder laesie worden vergeleken.

Genetische manipulatie

De ontdekking en beschrijving van de chromosomen bij mensen heeft een grote bijdrage geleverd aan de wetenschap. Voor genetische ziektes als de ziekte van Huntington is de genetische code ontdekt die ontwikkeling van de ziekte voorspelt. Veel onderzoek wordt gedaan naar het veranderen van deze genetische codes en het voorkomen van hun werking (namelijk het ontwikkelen van de ziekte). Bij een knock-out procedure worden bepaalde genen uitgeschakeld en vervolgens kijkt men dan naar het effect er van op gedrag.

Gedragsmatige genetici hebben ontdekt dat delen van cognitieve functies erfelijk zijn door onderzoek bij ratten. Veel onderzoek naar deze erfelijkheid wordt gedaan bij fruitvliegjes en muizen omdat deze dieren zich relatief snel en talrijk kunnen voortplanten. Door het genetisch materiaal van dieren te veranderen kan het effect van genetische manipulatie worden onderzocht.

Neurologie

In de huidige wetenschap wordt nog altijd veel onderzoek gedaan bij patiënten met hersenbeschadiging. Tegenwoordig hebben we echter tegelijkertijd de technieken om de neurologische beschadigingen te diagnosticeren.

Het structureel vastleggen van neurologische schade

Hersenletsel kan gevolg zijn van bijvoorbeeld trauma, bloedingen een tumor of degeneratieve stoornissen. Er zijn verschillende manieren waarop je een hersenstructuur kunt vastleggen.

De Computed Tomografie (CT) scan geeft een driedimensionale weergave van bijvoorbeeld de hersenen en is te vergelijken met een röntgenfoto hoewel die een tweedimensionale weergave geeft.

Een CT scan maakt een weergave van de hoeveelheid röntgenstraling, die wordt opgenomen door het weefsel. Hoe hoger de dichtheid van het weefsel, hoe groter de opname van straling. Bot heeft bijvoorbeeld een hele hoge dichtheid en absorbeert dus veel straling, bloed heeft een lage weefseldichtheid en absorbeert dus weinig straling. De CT scan laat dan een beeld zien van grijze en witte kleuren. Deze techniek is slecht in het onderscheiden van grijze en witte stof in de hersenen, omdat beide een ongeveer gelijke weefseldichtheid hebben en dus ongeveer dezelfde kleur op de scan.

De Magnetic Resonance Imaging (MRI) scan vormt een sterk magnetisch veld waarop de protonen in het weefsel reageren. Deze reactie wordt gemeten door radiogolven en tegelijkertijd door het weefsel te laten en verstoringen te registreren. Je kunt dus de organisatie van protonen en andere magnetische deeltjes in de hersenen in kaart brengen. Een MRI scan geeft een duidelijkere weergave dan een CT scan, en zodoende zijn dus grijze en witte stof ook beter van elkaar te onderscheiden.

Diffusion Tensor Imaging (DTI) voer je uit met een mri scanner, maar in tegenstelling tot traditionele MRI met DTI de dichtheid en beweging van water in de axonen. Uitgaande van difussie principes. Difussie van water in het brein is anisotropic, dit wil zeggen dat het water niet gelijkmatig in alle directies op gaat.

Anisotrophie zie je het duidelijkst in de axonen omdat de myeline een vettige laag creëert waardoor de waterstroom sterker gelimiteerd wordt dan in de grijze stof gebieden.

Oorzaken van neurologische stoornissen

Ondanks dat onze hersenen goed beschermt worden door een schedel en er voldoende aders zijn die de verschillende gebieden van zuurstof en voedingsstoffen kunnen voorzien, is het brein toch gevoelig voor stoornissen.

• Vasculaire stoornissen

De hersenen hebben een voortdurende toevoer van zuurstof en glucose nodig. Twintig procent van de zuurstof die wordt ingeademd, wordt gebruikt door de hersenen. Een continue aanbieding van zuurstof is noodzakelijk, een zuurstofgebrek van 10 minuten kan al leiden tot neurale sterfte. Met een angiografie kun je de circulaire systemen in de hersenen in kaart brengen. Er wordt een kleurstof ingespoten en dit laat zien waar er bloed stroomt. De toevoer van zuurstof en glucose komt via de twee interne carotide aderen, welke beide vertakken in de anterieure cerebrale ader en de middelste cerebrale ader en de twee vertebrale aderen.

Een cerebraal vasculair accident (CVA) ontstaat wanneer de bloedtoevoer doorbroken wordt. De meest voorkomende vorm van CVA is een beroerte.

Een beroerte ontstaat doordat de bloedtoevoer wordt geblokkeerd door bijvoorbeeld een embolie. Een embolie is een losgekomen deeltje van opgehoopt vetweefsel in het hart. Als de bloedtoevoer te lang wordt geblokkeerd sterven de cellen. Symptomen van een  beroerte kunnen zich verschillend uiteten, ook afhankelijk van de locatie van het propje. Een propje dichtbij de hersenstam geeft bijvoorbeeld verlies van bewustzijn, terwijl meer corticaal er ineens verlies van spraak of beweging kan zijn. De gevolgen van een beroerte zijn afhankelijk van de locatie van de blokkade.

Er zijn nog andere soorten cerebraal vasculaire stoornissen, zoals ischemie en een aneurysma. Een ischemie is een gedeeltelijke onderbreking van de bloedtoevoer, dit kan komen doordat een propje de ader gedeeltelijk afsluit, of omdat een daling in bloeddruk er voor zorgt dat het bloed niet de hersenen volledig bereikt. Een te hoge bloeddruk is ook niet goed, dit kan er namelijk voor zorgen dat de vaatwanden breken en het bloed wegstroomt (hersenbloeding).  Andere stoornissen zijn het gevolg van problemen in arterische structuren. Cerebrale arteriosclerose is bijvoorbeeld het smaller en harder worden van de bloedvaten wat tot persistente ischemie kan leiden. Een aneurysma is het opblazen van een ader als een ballonnetje. Dit kan gebeuren wanneer een verstopping plaatselijk zorgt voor zo veel druk in een ader dat deze opblaast. Mocht dit blaasje vervolgens knappen dan kan dit ernstige gevolgen hebben. Bij een hersenbloeding is vaak direct operatie nodig, bij een beroerte is het embolie meestal te klein en zal bloedverdunnende medicatie worden gebruikt.

• Tumoren

Herschade kan ook ontstaan door een tumor; weefsel met een abnormale groei dat geen fysiologische functie heeft. De meeste tumoren ontstaan in de glia en andere delen van de witte materie. Kwaadaardige tumoren zullen na verwijdering vaak weer aangroeien. Het belangrijkste bij een tumor is het vaststellen van de locatie en de prognose.

Drie typen tumoren worden onderscheiden:

1.  Gliomas zijn tumoren die beginnen met een abnormale groei van gliacellen.
2. Meningioma beginnen in het membraam om de hersenen. Deze tumoren kunnen problemen veroorzaken door de druk op de hersenen.
3. .Matastatische tumoren beginnen in een non-cerebrale structuur zoals longen, huid of borsten.

• Degeneratieve en infectieve stoornissen

Degeneratieve stoornissen hangen samen met genetische vervormingen en invloeden uit de omgeving. De oorzaak van de ziekte van Parkinson is onbekend maar lijkt samen te hangen met sterfte van cellen in dopaminerge neuronen. Ernstige Parkinson kan goed behandeld worden door electroden te implanteren in de dopaminerge kernen van de substantia nigra. Door de neuronen hier regelmatig op pulserende wijze te stimuleren kan de dopamineactiviteit hersteld worden naar het gezonde niveau, resulterende in een aanzienlijke en soms zelfs totale afname van tremor en andere symptomen. Progressieve neurologische stoornissen kunnen worden veroorzaakt door een virus zoals HIV, herpes simplex complex en multipele sclerosis.

Beide soorten stoornissen worden gekenmerkt door verergering van de symptomen en een graduele onset. De periode waarin de symptomen verergeren tot een hoogtepunt verschilt per ziekte. Voorbeelden van degeneratieve stoornissen zijn alzheimer, Parkinson en huntington.

• trauma

Hersenbeschadiging kan ook ontstaan door een trauma (klap op het hoofd). Ook wanneer de schedel niet beschadigd is, kan er bijvoorbeeld door de klap van het ongeluk hersenbeschadiging zijn ontstaan in het gebied van de hersenen waar het hoofd een klap heeft gekregen (coup). Men spreekt van open of gesloten letsel. Bij open letsel is de schedel daadwerkelijk kapot, bij gesloten letsel niet. Door trauma kan zelfs beschadiging aan de tegenovergestelde zijde van de hersenen ontstaan, omdat de hersenen als het ware aan de andere kant tegen de schedel zijn gebotst (contrecoup). Aanvullende hersenbeschadiging kan ontstaan door vasculaire problemen of  infecties als gevolg van het trauma.

• epilepsie

Epilepsie wordt omschreven als buitensporige en abnormale hersenactiviteit. Als het ware een storm van kortsluiting dat door de hersenen trekt en de normale vuurfrequenties van neuronen verstoord. Epilepsie is goed in beeld te brengen met een EEG.

Functionele neurochirurgie

Veel onderzoek is gedaan bij patiënten voor en na een operatie waarbij vezels van het corpus callossum waren verbroken. Hierdoor werden verbindingen tussen de twee hemisferen verbroken. Het doel van deze operaties was het verminderen van epileptische insulten. Uit deze redenering zijn de frontale lobotomieoperaties ontstaan, populair bij behandeling van schizofrenie, depressie en andere psychiatrische stoornissen.

Tegenwoordig wordt gebruik gemaakt van hersenstimulatoren die in de basale ganglia worden geïmplanteerd. Deze stimulatoren geven elektrische signalen af. Een radicalere aanpak is de transplantatie van hersenen van geaborteerde foetussen in de substantia nigra bij Parkinson patiënten. De resultaten zijn veelbelovend, maar aanvullend onderzoek is nodig.

Samenvoegen van methodes

Binnen de cognitieve neurowetenschappen worden de krachten van de cognitieve psychologie, computermodellen, neurowetenschappen en neurologie gebundeld.

Cognitieve tekorten na hersenbeschadiging

Onderzoek bij patiënten met neurologische beschadiging is populair vanwege de huidige neuro-imagingtechnieken en de paradigma’s in de cognitieve psychologie. De verwachting is dat bij beschadiging in een bepaald deel van de hersenen, bepaalde functies zullen uitvallen of verminderen. Bij onderzoek zal grondig gebruik moeten worden gemaakt van een controlegroep.

Ook zal de onderzoeker zich moeten afvragen of de vermindering/uitval van functies alleen door de beschadiging in een bepaald deel van de hersenen komt of dat de beschadiging grotere neurologische verstoringen tot gevolg heeft gehad. Zo is bijvoorbeeld gebleken dat veel patiënten na neurologische beschadiging depressieve klachten hebben.

Bij cognitief psychologisch onderzoek wordt vaak gebruik gemaakt van een experimentele taak en een controle taak. Hierbij verschillen de twee taken idealiter op slechts één aspect. Wanneer twee groepen beide taken uitvoeren en verschillen op één taak, is er sprake van enkele dissociatie. De gelijkheid van de taken voor beide groepen  kan een probleem vormen. Een geheugentaak kan door een patiëntengroep minder goed  worden uitgevoerd door verminderd concentratievermogen. Het verschil tussen de patiëntengroep en de controlegroep zegt dan echter niets over verschil in geheugen.

Bij dubbele dissociatie worden deze problemen ondervangen. Bij dubbele dissociatie vertoont de ene groep gebreken op de ene taak en de andere groep op de andere taak. Beide groepen worden met elkaar en met een controlegroep vergeleken.

Onderzoek bij groepen patiënten met dezelfde neurologische diagnose is bekritiseerd vanwege de onderlinge variabiliteit. Het beste lijkt individuele patiënten te bestuderen en de bevindingen te beschrijven. Op basis van deze beschrijvingen kunnen modellen ontworpen worden, hoewel dit beperkt is.

Individuele patiënten dragen bij aan onderzoek naar functionele componenten van cognitie. Voor onderzoek naar cognitieve processen lijkt onderzoek met groepen weer meer op te leveren.

Virtuele laesies: transcraniale magnetische stimulatie

Door transcraniale magnetische stimulatie (TMS) kunnen laesies, uitgevoerd in dieronderzoek, worden nagebootst bij mensen. Met deze technieken kunnen neurale functies in een bepaald deel van de cortex tijdelijk worden onderbroken (virtuele leasie) en gedrag of cognitieve functies worden onderzocht. Door een magnetisch veld te vormen bij een bepaald deel van de cortex, geven de neuronen signalen af. Wanneer dit veld wordt geplaatst bij het gebied van de hand in de motor cortex, leidt dit tot activatie van de spieren in pols en vingers.

TMS heeft wel zijn beperkingen. De effecten zijn kortdurend. De methode heeft het beste resultaat bij relatief simpele taken zoals het bewegen van de ledematen. Ook kan de techniek alleen worden toegepast bij de oppervlakkige delen van de hersenen.

Functionele imaging

Neurale activiteit is een elektrochemisch proces. Wanneer meerdere  neuronen tegelijkertijd actief zijn, vormen ze elektrische potentialen, die gemeten  kunnen worden door elektroden op de schedel. De weergave van deze signalen is een elektro-encefalogram (EEG). Voor verschillende gedragingen blijken verschillende EEG patronen te bestaan, zoals bijvoorbeeld verschillende perioden gedurende het slapen.

Een EEG kan afwijkingen in hersenfuncties weergeven en hersenactiviteit over een groot deel van de hersenen weergeven. Hierdoor is een EEG bijvoorbeeld erg nuttig bij onderzoek naar en behandeling van epilepsie.

Het is echter moeilijker om met een EEG hersenactiviteit in een specifiek deel van de hersenen te meten. In neurocognitief onderzoek wordt een EEG met name gebruikt om hersenactiviteit te meten bij de respons tijdens een taak, het taakgerelateerde potentiaal. Deze potentialen blijken ook nuttig om het niveau van verstoring in de hersenactiviteit bij patiënten met neurologische beschadigingen te identificeren. Het is belangrijk bij de resultaten van een EEG te onthouden dat opnames zijn gemaakt door elektrodes op de schedel. De elektrische activiteit die wordt gemeten, is niet de daadwerkelijke activiteit binnenin de hersenen. Het is niet mogelijk deze activiteit met behulp van een EEG te meten. Wel wordt geprobeerd dit te benaderen door met computermodellen te werken die de elektrische activiteit in de hersenen nabootsen. Een gerelateerde techniek is magneto-encephalografie (MEG).

Actieve neuronen produceren ook kleine magnetische velden, die m.b.v. MEG kunnen worden gemeten en weergegeven. Het voordeel van MEG  is dat magnetische velden niet worden verstoord door bijvoorbeeld de schedel, in tegenstelling tot EEG. Nadeel van MEG is dat alleen magnetische velden die parallel met het oppervlak van de schedel lopen kunnen worden gedetecteerd.

Twee relatief nieuwe technieken op het gebied van neuro-imaging zijn de positron emission tomografie (PET) en de functionele MRI (fMRI). Hiermee kunnen metabolische veranderingen die samenhangen met neurale activiteit, worden gemeten.

Wanneer de hersenen vanwege activiteit meer zuurstof nodig hebben, zal de bloedtoevoer moeten toenemen om dit te bewerkstelligen. Een PETscan kan deze bloedstroom zichtbaar maken, door gebruik van radioactieve elementen als markers. Deze elementen verliezen vrij snel positronen in de bloedstroom. De positronen kunnen botsen met elektronen, waardoor gamma straling ontstaat. Met behulp van de PETscan kan worden bepaald waar de deeltjes gebotst zijn. Tijdens bijvoorbeeld een taak kan met PET de relatieve hersenactiviteit worden gemeten. Het verschil tussen een experimentele taak en een controle taak wordt aangeduid als de regionale cerebrale bloedstroom (rCBF).

Ook fMRI maakt gebruik van het feit dat geactiveerde hersendelen een verhoogde bloedtoevoer hebben. Door radiogolven gaan de protonen van waterstof atomen slingeren. Hemoglobine vervoert de zuurstofdeeltjes in het bloed. Nadat de zuurstof is afgegeven, is de hemoglobine paramagnetisch en gevoeliger dan hemoglobine die nog wel zuurstof vervoert. FMRI bepaalt het Blood Oxygen Level Dependence effect (BOLD-effect), de ratio van hemoglobine met en zonder zuurstof. Het lijkt logisch dat bij verhoogde hersenactiviteit er meer hemoglobine zal zijn zonder zuurstof omdat de hersenen veel zuurstof nodig hebben. Dit gebeurt echter niet exact gelijktijdig. Hersenactiviteit vindt namelijk sneller plaats dan een toename in bloedtoevoer, waardoor de verhoogde bloedtoevoer net wat later plaatsvindt dan de daadwerkelijke neuronale activatie. Het moment waarop de hoeveelheid hemoglobine met zuurstof ineens snel afneemt, namelijk bij toegenomen hersenactiviteit, wordt gemeten door fMRI. De populariteit van fMRI is inmiddels de populariteit van PET overstegen. Dit heeft een aantal redenen. Allereerst zijn MRI scanners praktischer en in bijna elk ziekenhuis aanwezig. Ook is de spatiële resolutie van MRI beter. Bovendien worden er bij MRI geen radioactieve elementen geïnjecteerd, waardoor meerdere metingen achter elkaar mogelijk zijn. Andere voordelen zijn dat de temporele resolutie van fMRI beter is en dat metingen aan een bepaalde gebeurtenis kunnen worden gekoppeld.

Hoofdstuk 5. Sensatie en Perceptie

Auditorische perceptie

Audition verwijst naar het proces van dingen kunnen horen. Kunnen horen speelt een belangrijke rol in ons dagelijks leven; denk maar aan een auto, voor je hem hebt gezien kun je hem vaak al horen en dus waarschuwt het geluid ons dat we voorzichtig moeten zijn want er komt een auto aan. Maar hoe verwerkt het brein deze geluiden en wat gebeurd er in het oor?

Neurale paden van audition

Complexe structuren in ons binnen oor zetten geluiden om in een neuraal signaal. Een geluidsgolf die ons oor binnenkomt laat ons trommelvlies trillen, deze vibratie zorgt voor kleine golfjes van de vloeistof in het oor. De golfjes stimuleren tril haartjes van het basilar membraan en zo ontstaat er een actie potentiaal (zie figuur 5.1 op blz 165 voor een overzicht van het oor). De haartjes coderen voor geluidfrequentie, ze zijn vooral gevoelig voor een frequentie tussen de 1000 en 4000 herz, dat zijn de geluiden die we goed kunnen horen. Spraak valt hier bijvoorbeeld onder, maar ook het huilen van een baby. De haartjes aan het eind van het slakkenhuis worden geactiveerd door een hoge frequentie. Output van het slakkenhuis wordt geprojecteerd naar twee structuren in het midden van onze hersenen: cochlear nucleus en inferior colliculus, vanuit hier wordt de informatie naar de mediale geniculate nucleus (MGN) gestuurd. MGN is een onderdeel van de thalamus, de thalamus is een soort verzamelstation waar alle sensorische informatie binnenkomt. Vanuit de thalamus wordt het dan naar de primaire sensorische gebieden gestuurd. De thalamus stuurt geluid door naar de primaire auditieve cortex (A1). In de hersenen vind je een tonotopische organisatie, dit houdt in dat cellen in regio x van de auditieve cortex reageren op lage frequenties en regio y bijvoorbeeld op hoge frequenties.

Auditorische perceptie gaat niet alleen over het identificeren van de akoestische stimulus, maar ook over het lokaliseren van de stimulus. Een mooi voorbeeld hiervan is een vleermuis, dit dier maakt gebruik van echo om zijn prooi de lokaliseren; de toon die het dier produceert kaatst tegen de prooi en komt terug (echo), zo weet de vleermuis waar de prooi zich bevind. Weten wat de prooi is, levert voor de vleermuis niet veel op, de locatie doet er wel toe. De cognitieve neurowetenschap heeft zich zodoende vooral op het ‘waar’ geconcentreerd in onderzoek naar audio en minder op het ‘wat’. Door integratie van beide oren wordt ‘waar’ bepaald.

Cues voor lokalisatie

In onderzoek naar auditorische perceptie wordt vaak gebruik gemaakt van een uil, omdat dit dier een zeer goed ontwikkeld gehoorsysteem heeft. Uilen kunnen goed zien in het donker, maar kunnen niet blind op hun visie vertrouwen zodoende vertrouwen ze op geluid. Uilen gebruiken twee soorten cues om geluid te localiseren.

1. Het verschil tussen wanneer het geluid het linkeroor bereikt en het rechteroor (interaural time)
2. Het verschil in de intensiteit van het geluid tussen de twee oren

Beide cues stammen af van het feit dat het geluid dat beide oren bereikt niet identiek is. Dat beide aanwijzingen onafhankelijk van elkaar zijn blijkt uit het volgende onderzoek. Op grond van de interaurale tijd beweegt de uil zijn kop horizontaal, op grond van de intensiteit van het geluid beweegt de uil zijn kop verticaal. De cues worden door onafhankelijke neurale paden verwerkt.

Olfactory perceptie

Ook reuk perceptie speelt een belangrijke rol bij overleving, zo kunnen dieren (en wij ook) ruiken of voedsel veilig is, of dat er bijvoorbeeld geen gas weglekt.

Neurale paden

Het olfactory pad in de hersenen is uniek, de receptoren staan namelijk in direct contact met de buitenwereld. Daarnaast gaat de zenuw niet eerst naar de thalamus, maar direct naar de primaire olfactory cortex. In figuur 5.6 zie je een gedetailleerde beschrijving van het pad. De geur moleculen (odorants) komen in de neusholte terecht, dit kan op verschillende manieren.

Bijvoorbeeld tijdens normale ademhaling of als we lucht opsnuiven. Maar ze kunnen ook op een passieve manier binnenkomen, omdat de luchtdruk in de neus meestal lager is dan buiten (druk gradiënt). Een laatste manier waarop de moleculen in de neusholte kunnen komen is door middel van retronasal olfaction, moleculen gaan dan van de mond naar de neusholte. De moleculen hechten zich aan de receptoren, het membraan in de neushole wordt olfactory epitheel genoemd. De receptoren reageren niet op alle odoranten. Als een odorant zich aan een bipolair neuron bindt, wordt er een signaal naar de neuronen in de olfactory bulb gestuurd (glomeruli). De axonen van de glomeruli vormen de olfactory nerve die naar de primaire olfactory cortex loopt. De meeste vezels hebben een connectie met de ipsilaterale cortex, maar sommige hebben een connectie contralateraal.

De rol van snuiven bij reukperceptie

Het reukvermogen van de mens werd tot zeer recent eigenlijk helemaal niet onderzocht in de cognitieve neurowetenschap. Dit komt doordat reuk eigenlijk onderschat werd, daarnaast zijn de meetmethoden ook niet eenvoudig. Het is ook lastig om te bepalen wanneer reuk nog wel en niet meer aanwezig is.

Meneer Sobel deed onderzoek naar ons reukvermogen. Deelnemers snoven neutrale lucht, lucht met vanille geur of lucht die rook naar potloden. Deelnemers moesten om de zoveel tijd de lucht opsnuiven en zeggen of er een geur was of niet. Hersenactiviteit werd gemeten. Onverwachts bleek dat ruiken geen activatie van de primaire olfactory cortex gaf, de orbitofrontale cortex werd wel geactiveerd. Activatie van de primaire olfactory cortex bleek gerelateerd aan de snuifrate, het lijkt dus meer in relatie te staan met een motorische respons dan de perceptie van geur. Maar verder onderzoek liet zien dat de cellen in de olfactory cortex snel habitueren aan een bepaalde geur. Sobel paste zijn onderzoek aan door een sterke toename of afname in  geur te creëren. Nu werd er wel activatie van de primaire olfactory cortex gevonden tijdens perceptie.

Aanpassing van onze neusvleugels

Het blijkt dat onze neusvleugels zich in grootte aanpassen, tijdens een bepaalde periode is de ene neusopening groter dan de ander en na enige tijd wisselt dit weer. Waarom doen ze dit? Je kunt dit een beetje vergelijken met onze ogen, elk oog geeft een net iets ander beeld door aan onze hersenen, dit doen onze twee neusgaten ook. Dit is om op een efficiënte manier meer complexe informatie te verwerken.

 Geur en geheugen

Je herkent het vast ook wel bij jezelf; de geur van versgebakken appeltaart doet je terug denken aan de tijd dat je op woensdagmiddag uit school naar je oma toe ging. Of misschien doet brandlucht je wel herinneren aan die keer dat de kaars op tafel omviel en het tafelkleed in brand vloog. Geur is verbonden aan ons geheugen, onderzoekers denken dat dit is omdat de olfactory cortex direct verbonden is met de limbische cortex. Het limibische systeem speelt op zijn beurt weer een rol in emotie en geheugen.

Smaak perceptie

Smaak en reuk hangen sterk met elkaar samen. Beide beginnen ook met de stimulatie door chemicaliën. Zodoende worden ze ook wel chemische zintuigen genoemd.

Neurale paden

Het begint allemaal bij eten, moleculen die ook wel tastant worden genoemd. Ze stimuleren receptoren in smaakreceptoren en dit geeft depolarisatie. Smaakcellen zitten in onze smaakpapillen. De meeste smaakpapillen bevinden zich op de tong, maar ze worden ook in de wang gevonden. De basis smaken zijn zout, zuur, zoet en bitter. De basis smaak umami verwijst naar wat je proeft als je proteïne rijk eten eet (vlees). Na depolarisatie van de smaakcel wordt er een signaal naar de gustary nucleus gezonden in de dorsale medulla. Deze stuurt het signaal door naar de thalamus.

De smaak bitterheid geeft een belangrijk waarschuwingssignaal af, dit komt ook naar voren uit het feit dat we beel beter zijn in het detecteren van bittere substanties dan bijvoorbeeld zoute substanties. De orbitofrontale cortex is gespecialiseerd bij het verwerken van smaak.

Somatosensorische perceptie

Dit is niet simpelweg de perceptie van aanraking, maar gaat ook over proprioceptie, pijn beleving en temperatuur gewaarwording.

Neurale paden

De somatosensorische receptoren liggen onder onze huid. Aanraking en druk worden opgemerkt door de corpuscles en pijn door de nociceptoren.

Somatosensorische verwerking

De primaire somatosensorische cortex ontvangt de informatie terwijl de secondaire somatosensorische cortex meer complexe representaties maakt.

 Visie

Neurale paden van visie

Mensen vertrouwen veel op hun visie, zodoende is dit een veel bestudeerd onderwerp.

Een reden waarom visie zo belangrijk is, is dat het ons instaat stelt om informatie in ons op te nemen op een afstand. Dit wordt ook wel remote sensing genoemd of exteroceptieve perceptie. We hoeven niet in direct contact met iets te staan om het te kunnen verwerken. Dit geheel in tegenstelling tot bijvoorbeeld aanraking; je moet iets direct voelen om de informatie te kunnen verwerken. Het op een afstand kunnen verwerken van visuele informatie heeft natuurlijk duidelijk voordelen. Zo hoeven we niet eerst naar de tijger toe te lopen om hem te zien, maar kunnen we veilig op een afstand blijven.

Visuele informatie komt binnen door de reflectie van licht op een object. Dit licht kaatst af op het object en komt vervolgens het oog binnen via de lens en wordt ondersteboven geprojecteerd op de retina. De onderste laag van de retina bestaat uit fotoreceptoren die lichtgevoelige moleculen bevatten (fotopigmenten). Wanneer licht op de fotoreceptoren valt, vallen ze uit elkaar en verandert de elektrische stroom rond de fotoreceptoren. Hierdoor ontstaan actiepotentialen die afgegeven worden door de fotoreceptoren. Fotoreceptoren kun je dus zien als een vertaalmachine, het zet externe stimulus van licht om in een intern neuraal signaal.

Er zijn twee typen fotoreceptoren. (1) Staafjes reageren op lage niveaus van stimulatie en zijn daarom vooral handig in de schemering en in het donker. Staafjes zijn gelijkmatig verdeeld over de retina. (2) Kegeltjes hebben grotere hoeveelheden of sterker licht nodig en zijn daardoor met name overdag actief. Kegeltjes worden ook gebruikt voor het zien van kleuren. Ze zijn onder te verdelen in rood, groen en blauw, wat staat voor de verschillende golflengten in licht. Kegeltjes bevinden zich voornamelijk opeengepakt in het midden van de retina, vlak bij de optische zenuw. Dit gebied heeft de fovea. In de rest van de retina zijn ook kegeltjes, maar veel minder. De kegeltjes zijn nodig voor het zien van detail en de staafjes voor het kunnen waarnemen tijdens omstandigheden waarin er sprake is van een lage lichtintensiteit.

Van het oog naar het centraal zenuwstelsel

De signalen van de fotoreceptoren gaan via de bipolaire cellen naar de ganglioncellen. Er zijn veel meer fotoreceptoren dan dat er ganglioncellen zijn, zodoende is het nodig dat de informatie convergeerd. De axonen van de ganglioncellen vormen de optische zenuw die de informatie vervoert naar het centraal zenuwstelsel. Voordat de zenuw de hersenen binnenkomt splitst de optische zenuw zich in twee delen: een temporale tak, welke ipsilateraal blijft lopen en een nasale tak, welke contralateraal loopt. De plek waar de banen die contralateraal gaan lopen elkaar kruizen noemt men het optisch chiasma (zie ook figuur 5.15 op blz 179).

 Het linkerdeel van het gezichtsveld valt op de rechterhelft van de retina in beide ogen, dus het nasale deel van het linkeroog en het temporale deel van het rechteroog. Voor het rechterdeel van het gezichtsveld geldt het omgekeerde. Door de splitsing van de optische zenuw wordt alle informatie van het linkerdeel van het gezichtsveld naar de rechter hemisfeer gestuurd en gaat alle informatie van het rechterdeel van het gezichtsveld naar de linker hemisfeer.

Eenmaal aangekomen in de hersenen wordt elke optische zenuw verdeeld in paden die verschillen in waar ze uiteindelijk in de subcortex uitkomen.

 Negentig procent van de axonen gaat via de laterale geniculate nucleus (LGN), een aantal kernen die zich midden in het brein bevinden op de thalamus, naar de primaire visuele cortex, in de ocipitaalkwab, wat wordt gezien als het meer primitieve visuele systeem. Tien procent van de axonen gaat naar  de superieure colliculus en de pulvinare nucleus en spelen een rol in visuele aandacht.

Corticale visuele gebieden

Buiten de primaire visuele cortex, zijn er vele corticale visuele gebieden. Bij apen zijn al meer dan dertig van dit soort gebieden ontdekt. De primaire visuele cortex (v1) wordt ook wel striate cortex genoemd, andere visuele gebieden (v,2,3 etc) worden extrastriate visuele gebieden genoemd.

Hoe men een visueel gebied definieert is afhankelijk van de criteria die er gebruikt woorden. Een helder criterium is dat de cellen in het gebied moeten reageren op visuele stimuli, maar als dit het enige criterium zou zijn dan kun je geen onderscheid maken in gebieden. Een veel gebruikte methode is meten hoe spatiële informatie word gerepresenteerd in de verschillende corticale gebieden.

In de loop van de evolutie zijn verschillende visuele gebieden gevormd. Er zijn verschillende hypothesen voor de reden van deze vormingen. Volgens één  vormen de gebieden een hiërarchie, waarbij elk gebied iets toevoegt in de verwerking. Simpele cellen berekenen de randen van een object. Volgende cellen gebruiken deze informatie voor de hoeken en weer andere cellen bepalen met alle informatie de uiteindelijke vorm van een object. Deze simpele hiërarchie lijkt niet te kloppen met de uiteenlopende verbindingen zoals hierboven beschreven.

De specialisatie hypothese houdt vast aan het idee dat visuele perceptie een analytisch proces is. Verschillende visuele gebieden houden zich bezig met verschillende kenmerken van de visuele informatie. Volgens deze hypothese verwerken de verschillende gebieden niet alleen waar een object is, maar ook specifieke informatie over eigenschappen van het object. De verwerking is dus verdeeld en gespecialiseerd. Onderzoek steunt deze hypothese. Cellen in de medial temproral lobe (MT of gebied v5) blijken bijvoorbeeld allemaal hetzelfde te reageren op verschillende kleuren, maar ze zijn gevoelig voor beweging en richting. Bepaalde cellen zijn alleen actief als de stimulus in hun receptieve veld valt en zijn actiever als de stimulus juiste richting heeft.

Aan de hand van de resultaten van het onderzoek bij apen, is men het menselijk brein gaan bestuderen met behulp van neuro-imaging technieken.

Om vast te stellen welke gebieden betrokken zijn bij kleur detectie, voerde Zeki het volgende onderzoek uit: In de controleconditie kregen proefpersonen een collage te zien met verschillende grijstinten. De gebieden die gevoelig zijn voor contrasten, zouden dan geactiveerd worden. In de experimentele conditie werden de grijze vlakken vervangen door kleuren die samenhangen met de helderheid van de grijstint. De verwachting hierbij was dat niet alleen de gebieden gevoelig voor contrast zouden worden geactiveerd, maar ook de gebieden gevoelig voor kleur.

Op dezelfde manier is herkenning van beweging bestudeerd, In de controle conditie kregen proefpersonen een collage van zwarte en witte vlakken te zien. In de experimentele conditie bewogen deze vlakken vijf seconde in de ene richting en vijf seconde in de andere richting.

Om de activiteit zichtbaar te maken werd gebruik gemaakt van een PETscan.

De beide onderzoeken laten duidelijk zien dat de twee taken verschillende hersendelen activeren. In het kleuronderzoek werd activatie voor kleurdetectie met name zichtbaar in de meest anterieure en inferieure gebieden van de occipitale lobe, in beide hemisferen. In het bewegingsonderzoek werd activatie voor detectie van beweging met name zichtbaar bij de scheiding tussen de temporale, pariëtale en occipitale lobe, in beide hemisferen.

Bij vergelijking van onderzoek bij dieren en mensen is het belangrijk te onthouden dat er verschillen zijn tussen de hersenen. Zo is het menselijk brein bijvoorbeeld groter. Verschillen tussen hersenen van mensen en dieren maken dat je voorzichtig moet zijn met het generaliseren van dier onderzoek naar mens onderzoek en andersom.

Met behulp van fMRI zijn de gebieden betrokken bij detectie van beweging verder onderzocht. Hierbij is foveale stimulatie en perifere stimulatie van de retina onderzocht. Visuele scherpheid blijkt groter bij stimulatie van de fovea dan bij stimulatie van de periferie.

Neuro-imaging is ook gebruikt bij visuele illusies. Bij het Enigma patroon, waarbij de illusie van beweging wordt gewekt, worden dezelfde gebieden geactiveerd als bij het zien van een object dat daadwerkelijk beweegt. Een ander soort visuele illusie is het kijken naar een groene en grijze cirkel (figuur 5.23b blz. 189). Als je staart naar de groene cirkel en daarna naar de grijze cirkel wisselt dan zul je merken dat de grijze cirkel verkleurd. Scans van mensen tijdens deze visuele illusie laten zien dat er een hoge mate van activatie is in gebieden inferieur aan v4. Deze resultaten laten zien dat percept gerelateerd is aan activiteit in hogere visuele gebieden.

Analyse en representatie van visuele kenmerken

Treisman heeft de visuele zoektaak ontworpen om perceptie van visuele stimuli te onderzoeken. In de kenmerk conditie verschilde het te onderscheiden object van alle andere objecten op één dimensie. De hoeveelheid andere objecten in deze taak heeft geen invloed op de reactietijd. In de samengevoegde conditie verschilt het te onderscheiden object op meerdere dimensies. Bij deze taak blijkt dat hoe meer andere objecten er zijn, des te langer de reactietijd is.

Horizontale zoekfuncties worden gezien als primitief. Stimuli die de oudere visuele gebieden activeren, hangen vaak samen met deze horizontale zoekfuncties. Met behulp van de visuele zoektaak kan worden onderzocht welke kenmerken van een visuele stimulus een rol spelen bij perceptie.

De Ponzo illusie bestaat uit twee horizontale lijnen van dezelfde lengte tussen twee diagonale lijnen. De diagonale lijnen creëren de illusie van diepte waardoor de ene horizontale lijn langer lijkt dan de andere. Deze illusie houdt stand wanneer de helderheid van kleur verschilt tussen de lijnen en de achtergrond. Isoluminante stimuli zijn stimuli die niet verschillen in helderheid. Uit de Ponzo illusie blijkt dat er verschillende visuele paden zijn voor kleur en helderheid. Bij een visuele illusie die beweging van gekleurde vlakken suggereert, valt de illusie van beweging ook weg als de gekleurde vlakken isoluminant zijn.

Tekorten in de visuele perceptie

Voordat men beschikte over beeldvormende methoden leerden mensen vooral van leasie studies.

Verrey heeft in 1888 een patiënt beschreven die geen kleur meer kon zien in het rechter deel van het gezichtsveld. Hierdoor kwam Verrey op het idee dat er meerdere specialisaties van functies in de visuele cortex zouden bestaan. In die tijd waren onderzoekers echter nog aan het begin van de ontdekking van de anatomie van de cortex. De ideeën van Verrey hebben hierdoor in zijn tijd weinig aandacht gekregen.

Achromatopsie: tekort in de perceptie van kleur

Mensen die kleurenblind zijn, hebben vaak een genetische afwijking waardoor de werking van de fotoreceptoren verstoord is. De fotoreceptoren zijn dan ongevoelig voor één of meer golflengten van kleur.

Achromatopsie is een stoornis in het centraal zenuwstelsel waardoor een tekort in de perceptie van kleur ontstaat. In plaats van kleur zien patiënten met deze stoornis allerlei grijstinten. Andere kenmerken van visuele perceptie zoals het zien van diepte zijn intact. Bij achromatopsie is niet enkel de perceptie van kleur zelf verstoord, maar ook de perceptie van kleursterkte. Er wordt bijvoorbeeld geen verschil gezien tussen donkergroen en lichtgroen.

Het is niet vreemd dat andere kenmerken van visuele perceptie ook verstoord zijn. Bij een hersenbeschadiging door bijvoorbeeld een beroerte wordt geen rekening gehouden met de ‘functionele grenzen’ van hersengebieden. Er is onderzoek gedaan bij een patiënt met een laesie bij de temporaal-occipitale grens in de rechter hemisfeer. De patiënt moest aangeven wanneer hij twee keer dezelfde kleur zag. De stimulus werd aangeboden op de fovea, maar ook op de vier kwadranten van het gezichtsveld. De patiënt had met name moeite om de gelijkenis van kleur aan te geven wanneer de stimulus werd aangeboden in het kwadrant linksboven. Bij deze patiënt werd eigenlijk onderzoek gedaan naar tekorten in de perceptie van vorm. Bij verschillende taken gericht op perceptie van contrast, oriëntatie en beweging werden dezelfde resultaten gevonden. Alleen bij perceptie van vorm werd een tekort geconstateerd bij het aanbieden van een stimulus in het kwadrant linksboven. Men moet er bij hersenschade dus op beducht zijn dat verschillende functiedomeinen voor een bepaalde hoeveelheid beschadigt kunnen zijn. Men hoeft niet altijd te voldoen aan het stereotypebeeld van volledige uitval van slechts 1 specifiek functiedomein. De werkelijkheid is vaak complexer dan de relatief simpele kaders die aangeboden worden in studieboeken.

Akinetopsie: tekort in de perceptie van beweging

Een patiënte met bilaterale laesies in de temporo-pariëtale cortices, in de posteriore en laterale delen van de midden temporale gyrus wordt beschreven. Deze gebieden corresponderen met de perceptie van beweging. Zij ziet de wereld alsof er achter elkaar foto’s worden genomen in plaats van achter elkaar als een film. De snelheid waarmee objecten bewegen, kan zij niet inschatten. De perceptie van kleur en vorm is intact.

Waarschijnlijk is dit alleen het gevolg van bilaterale laesies en niet van unilaterale laesies. Er zijn geen soortgelijke casussen beschreven. Perceptie van beweging blijft intact zo lang tenminste één hemisfeer niet beschadigd is. De hypothese hierachter is dat de perceptie van beweging over tijd gebeurd waardoor de signalen naar de beschadigde hemisfeer tijd hebben verder te gaan naar de onbeschadigde hemisfeer.

Er is onderzoek gedaan naar drie hersengebieden, MT, V1 en een controle gebied met behulp van TMS. Proefpersonen werden gevraagd aan te geven of de stimulus naar links of naar rechts bewoog. Voor het midden temporale gebied gold dat wanneer de TMS vlak voor de stimulus tot 40 msec erna werd geactiveerd, dit resulteerde in een slechte respons. Wanneer de TMS 40 msec of langer na het aanbieden van de stimulus werd geactiveerd, had dit geen effect op de respons. In het V1 gebied werd de respons pas verslecht door TMS vanaf 50 tot 90 msec na het aanbieden van de stimulus. Uit dit onderzoek is geconcludeerd dat er mogelijk twee routes naar het midden temporale gebied zijn. Niet alleen via V1, maar ook via een route die het V1 gebied omzeilt. Wellicht loopt deze route direct van de magnocellulaire laag van de laterale geniculate nucleus naar het midden temporale gebied.

Perceptie zonder visuele cortex

Wanneer een patiënt schade heeft aan zijn primaire visuele cortex, dan verwacht je dat diegene blind is en dat wordt ook gevonden. Maar de blindheid hoeft niet voor het hele gezichtsveld te gelden. Als de lesie beperkt is tot een bepaalde helft van het visuele veld dan noemt men dat hemianopsie. Een kleinere leasie kan een specifieker gebied uit lagen vallen (scotoma). Patiënten die dit hebben kunnen binnen het scotoma niks zien.

• Spatiele oriëntatie en object perceptie bij hamster

Uit onderzoek bij dieren is gebleken dat de superiore colliculus een rol speelt bij oogbewegingen. Als deze wordt aangetast kan het dier zijn ogen niet meer bewegen. Schneider heeft de rol en de werking van de colliculus bestudeerd door onderzoek bij hamsters. De hamsters werden getraind voor twee taken. In de eerste taak moest de hamster zijn kop bewegen in de richting van een zonnebloempit in de hand van de onderzoeker. Aangezien hamster dol zijn op zonnebloempitten, was het niet moeilijk ze voor deze taak te trainen. Bij de tweede taak moest de hamster kiezen tussen twee gangen met aan het eind een horizontaal of verticaal gestreepte deur. Achter de deur die gekozen moest worden lag wederom een zonnebloempit. Na de training werden de hamsters verdeeld over twee experimentele groepen. De eerste experimentele groep kreeg een bilaterale laesie in de visuele cortex. De tweede experimentele groep werd onderworpen aan een erosie van de input van de superiore colliculus. Deze had hierdoor geen functie meer. De eerste experimentele groep, met de laesie in de bilaterale visuele cortex, bleek niet meer in staat de tweede taak uit te voeren. Ze konden geen onderscheid tussen de twee deuren. De eerste taak was geen probleem. De tweede experimentele groep, bij wie de functie van de superiore colliculus was weggenomen, kon de eerste taak niet meer uitvoeren. De hamsters zaten alsof ze blind waren. Wanneer de zonnebloempit echter langs de snorharen werd gestreken, werd er direct gereageerd. Uit dit onderzoek is geconcludeerd dat hamsters blijkbaar een apart systeem hebben voor spatiële oriëntatie en voor object herkenning.

‘ Blindsight’: Bewijs voor resterende functies na corticale blindheid

De resultaten van het hamsteronderzoek kunnen niet klakkeloos worden doorgetrokken naar mensen. De rol van subcorticale paden in spatiële oriëntatie bij mensen is onderzocht door Weiskranz. Hij onderzocht of een patiënt een visuele stimulus kon waarnemen wanneer deze werd gepresenteerd op zijn scotoma. In het onderzoek waren twee condities, een lichtbundel op de scotoma of helemaal geen lichtbundel. De patiënt werd gevraagd na het horen van een toon, zijn ogen te bewegen naar de plek van de stimulus. Voor de patiënt leken beide condities gelijk, aangezien hij telkens helemaal niets zag. In dat geval werd hij gevraagd te gokken. De resultaten gaven echter aan dat in de conditie met de lichtbundel, de patiënt vaker goed gokte. Weiskrantz noemde dit fenomeen ‘ blindsight’.

De patiënt gedraagt zich als een blind persoon en subjectief voelt dit ook zo, maar het lukt soms toch om stimuli te lokaliseren.

Tekorten in andere aspecten van visuele perceptie

Tekorten in andere aspecten van visuele aspecten zijn minder voorkomend en betwistbaar. Bij perceptie van diepte geven veel hersengebieden en ook andere kenmerken van de visuele perceptie informatie over diepte. Perceptie van vorm gebeurt op grond van verschillende andere percepties zoals beweging en kleur. Er doen dus verschillende paden mee aan objectherkenning, zodoende is het ook redelijk logisch dat er nog geen patiënt beschreven is die bijvoorbeeld vorm-blind is.

Multimodale perceptie

De zintuigen die wij als mens hebben staan natuurlijk niet los van elkaar, ze vormen een geheel. Dit zie je ook terug in het feit dat we meer nauwkeurig zijn/ meer efficiënt zijn op sensorische taken, als we informatie van meerdere zintuigen kunnen gebruiken.

Multimodale verwerking in de hersenen

Logischerwijs zou je zeggen dat een kandidaat regio een gebied zou zijn waarbij informatie uit verschillende sensorische gebieden samenkomt. Door een electrode in het brein van een dier te plaatsen kon men dit onderzoeken. Stimuli in verschillende sensorische modi werd aangeboden. Zo ontdekte men dat cellen in de superior temporale sulcus reageren op visuele, auditorische en somatosensorische stimuli.

Cellen in de superoir colliculus combineren informatie vanuit verschillende sensorische kanalen en integreren dit in een geheel. Zodoende geldt ook hier dat het geheel meer is dan de som der delen. Stein vond dat de reactie van individuele cellen in de superior colliculus groter was bij een gecombineerd signaal, dan wanneer een enkele sensorische stimuli aangeboden was. Dit wordt multisensorische integratie genoemd. Dit is effectief, omdat een enkele sensorische stimuli misschien niet sterk genoeg was om een reactie te geven, combinatie van meerdere dus wel.

Synesthesie

Synesthesie is een fenomeen waarbij de verschillende zintuigen eigenlijk door elkaar lopen. Zo ervaren mensen het getal 6 bijvoorbeeld ook als de kleur rood. Het fenomeen is idiosyncratisch, dat wil zeggen persoonlijk. Niet elke synesthesist ervaart hetzelfde, misschien ervaart een ander de kleur groen bij het getal 6. Synesthesie lijkt een genetische basis te hebben omdat het in families voorkomt.

Synesthesie is een goed voorbeeld van het idee dat verschillende sensorische gebieden aan elkaar gerelateerd zijn.

Hoofdstuk 6. Object herkenning

Agnosie: een casus

Tekorten in delen van de perceptie worden samengevat met de term agnosie. Er zijn verschillende vormen van agnosie.

Patiënt G.S. heeft een vorm van agnosie. Rond de leeftijd van dertig jaar heeft hij een levensbedreigende beroerte gehad. Ondanks herstel van de meeste functies, blijft G.S. problemen houden met het herkennen van objecten. G.S. heeft echter geen problemen in de gezichtsscherpte, of met de kleur of vorm van een object. Bij onderzoek blijkt G.S. de naam van het object te kunnen benoemen, bij het horen van de omschrijving van het object, door reuk en door tast. G.S. heeft een vorm van visuele agnosie. Bij het zien van een cijferslot, benoemt G.S. het object eerst als telefoon, later als klok. Zijn handen maken een beweging alsof ze een cijferslot open draaien. Als G.S. naar zijn handen kijkt, benoemt hij het object direct als cijferslot.

Twee corticale paden voor visuele perceptie

Er bestaan twee corticale paden voor visuele perceptie. Het ventrale of occipitaal-temporale pad loopt over de inferiore longitudinale fasciculus. Via dit pad vindt object perceptie en object herkenning plaats, waardoor het ook bekend staat als het ‘wat’-pad. Het dorsale of occipitale-pariëtale pad loopt over de superiore longitudinale fasciculus. Dit pad is betrokken bij spatiele perceptie, de bepaling waar het object is in de ruimte en de spatiele configuratie tussen objecten, waardoor het ook bekend staat als het ‘waar’-pad.

Meer bewijs voor het onderscheid tussen het wat en waar pad kwam uit onderzoek van Pohl. Hij heeft onderzoek gedaan bij primaten naar de visuele perceptie. De primaten kregen een tafel met twee putjes waarin zich mogelijk voedsel bevond. Bij de discriminatietaak voor het oriëntatiepunt bevond zich voedsel in het putje waar een cilinder naast stond, in het andere putje niet. Nadat de dieren voldoende getraind waren, werd de locatie van het voedsel omgedraaid. In het putje waar geen cilinder naast stond, was voedsel te vinden. De dieren werden telkens getraind en de voorwaarden werden telkens omgedraaid, totdat de dieren zeven omkeringen voldoende hadden volbracht. De object discriminatietaak had dezelfde opzet, maar nu stond er een cilinder naast het putje met voedsel en een kubus naast het putje zonder voedsel. Ook dit werd na training omgedraaid tot een totaal van zeven omkeringen. Een aantal primaten werden onderworpen aan bilaterale laesies in de pariëtale lobes. Deze groep had een slechtere score op de discriminatietaak voor het oriëntatiepunt. De dieren konden worden getraind in de eerste fase, maar voor de omgekeerde situatie konden ze niet getraind worden. Een aantal primaten werd onderworpen aan bilaterale laesies in de temporale lobes. De training voor de object discriminatietaak verliep langzamer bij zowel de eerste training als bij de omkeringen in vergelijking met de controlegroep. Uit dit onderzoek komt het bestaan van de ‘wat’- en ‘waar’-paden naar voren. Andere onderzoeken naar laesies bevestigen dit.

Laesies in het ventrale pad geven alleen bij visuele taken moeilijkheden bij object discriminatie. In de temporale kwab komt een verschil tussen de anteriore en posteriore gebieden naar voren. De posteriore gebieden zijn betrokken bij visuele discriminatie en de anteriore gebieden bij visueel geheugen.

Alle hierboven beschreven tekorten in de visuele perceptie zijn in onderzoek alleen gevonden bij bilaterale laesies. Een beschadiging aan enkel 1 kant van de hersenen is dus niet voldoende om te zorgen voor volledig functieverlies.

Pohl heeft ook onderzoek gedaan naar gecombineerde laesies. Na laesies in de rechter striate cortex en linker inferiore temporale cortex, werd een primaat corticaal blind in het linker deel van het gezichtsveld. Er vond geen verandering plaats in de uitvoering van de object discriminatie taak. Wanneer ook een laesie van de callosale vezels werd gedaan, was de primaat niet meer in staat de taak uit te voeren. Op grond van deze resultaten kan een contralaterale verzending van informatie naar de werkende kwab worden verondersteld. Ook gecombineerde laesies in het dorsale pad zijn onderzocht. Na een unilaterale laesie in de pariëtale kwab verslechterde de prestatie op de discriminatietaak voor oriëntatiepunt iets. Wanneer daarbij ook een laesie in de contralaterale striate cortex werd uitgevoerd had dit grote gevolgen. Er was een veel langere training voor de omkeringen nodig. Een derde laesie in het corpus callosum had ook gevolgen voor de prestatie, maar minder groot dan na de contralaterale laesie. Dit impliceert dat de verwerking van de ‘waar’-informatie meer afgezonderd per hemisfeer plaatsvindt.

Verschillen in representatie tussen dorsale en ventrale paden

De neuronen in de pariëtale kwab kunnen niet -selectief in reactie zijn. Ze worden bijvoorbeeld geactiveerd zodra een stimulus het gezichtsveld binnenkomt. Dit is gebleken uit onderzoek met apen. Veertig procent van de neuronen reageren op stimuli in de fovea, zestig procent op stimuli daarbuiten. De neuronen in de temporale kwab hebben verschillende manieren van selectiviteit in reactie. Desimone heeft de cellen in de temporale kwab gedetailleerd onderzocht. Uit zijn onderzoek komt naar voren dat 41% van de cellen reageert bij een stimulus, ongeacht of de stimulus simpel of complex is, net zoals de neuronen in de pariëtale kwab. Daarentegen reageert 59% van de neuronen selectief op alleen complexe stimuli

Om dit te onderzoeken bij mensen, is er neuro-imaging onderzoek gedaan om de verschillen tussen de ‘wat’- en ‘waar’-paden te beschrijven. Er werd gebruik gemaakt van de PETscan. Proefpersonen kregen twee schermen met ieder drie objecten te zien. In de eerste conditie, de positie taak, werden proefpersonen gevraagd aan te geven of op beide schermen de objecten op dezelfde plaats stonden. In de tweede conditie, de object taak, werden proefpersonen gevraagd aan te geven of de objecten op beide schermen dezelfde objecten te zien waren. In dit onderzoek waren de stimuli dus identiek, alleen de opdracht verschillend. Bij de positie taak werd een verhoogde cerebrale bloedtoevoer in de pariëtale kwab in de rechter hemisfeer geconstateerd. Bij de object taak werd een verhoging in de cerebrale bloedtoevoer in de bilaterale scheiding tussen de occipitale en temporale kwabben waargenomen.

Er is veel onderzoek gedaan bij mensen naar het onderscheid dorsaal-ventraal, maar de uitkomsten verschillen ietwat met betrekking tot de neurale loci die zouden doen. Redenen hiervoor zijn verschillende analyse methoden en het feit dat mensen verschillende strategieën kunnen gebruiken voor het uitvoeren van een taak. Om dit verschil in gebruik van strategieën te ondervangen, gebruikte Kanwisher de volgende onderzoeksopzet. Proefpersonen kregen drie soorten tekeningen te zien die bestonden uit lijnen. De eerste serie waren tekeningen van bekende objecten. Hierbij werden proefpersonen verondersteld gebruik te maken van de strategieën kenmerkextractie, vormomschrijving en vergelijking met het geheugen. De tweede serie tekeningen waren tekeningen van, voor de proefpersoon, nieuwe objecten. Hierbij werden proefpersonen verondersteld gebruik te maken van kenmerkextractie en vormomschrijving. In de derde serie werden alleen lijnen door elkaar getoond. Hierbij werden proefpersonen verondersteld alleen gebruik te maken van kenmerkextractie. Door hersenactiviteit in de verschillende series tekeningen met elkaar te vergelijken, kan de hersenactiviteit per strategie worden bepaald.

Perceptie voor identificatie versus perceptie voor actie

Onderzoek bij apen en mensen met hersenbeschadiging blijken verschillende uitkomsten te hebben. Laesies bij mensen zijn vaak gelokaliseerd in het ventrale pad zoals bij prosopagnosie, maar laesies en beschadigingen lopen vaak door naar de pariëtale gebieden.

Patiënte D.F. heeft hersenbeschadiging als gevolg van koolmonoxide vergiftiging. Op de CT-scan zijn geen afwijkingen te zien. Een MRIscan laat echter bilaterale laesies in de occipitale kwabben zien. D.F. heeft een sterke stoornis in object herkenning. Wanneer zij een object in haar hand houdt, kan ze het wel herkennen. De agnosie is geen gevolg van verminderde gezichtsscherpte. Bij een onderzoek zijn er opvallende uitkomsten bij D.F. Zij ziet een cilinder horizontaal met een gleuf. D.F. heeft een kaart in haar hand. Ze wordt gevraagd de kaart zo te draaien dat deze in de gleuf zou passen, zonder de kaart daadwerkelijk in de gleuf te stoppen (perceptie conditie). Dit lukt D.F. niet. Vervolgens wordt D.F. wederom gevraagd de kaart zo te draaien dat deze in de gleuf zou passen en wordt ze gevraagd de kaart ook in de gleuf te stoppen (actie conditie). Dit lukt D.F. in één keer. Wanneer D.F. wordt gevraagd de actie te herhalen zonder de cilinder (geheugen conditie) lukt dit ook zonder problemen. Uit dit onderzoek komt naar voren dat bij verschillende systemen verschillende visuele informatie wordt gebruikt. Volgens de onderzoekers Goodale en Milner bestaat er een onderscheid tussen ‘wat’ en ‘hoe’ in plaats van ‘wat’ en ‘waar’. Het dorsale visuele systeem is blijkbaar betrokken bij motorische systemen voor hoe een actie moet worden uitgevoerd. Dit is andersom ook gevonden. Bij optische ataxie, waarbij er laesies bestaan in de pariëtale cortex, is er wel object herkenning. Hierbij kan de visuele informatie niet gebruikt worden voor actie.

Computationele problemen bij object herkenning

Variabiliteit bij sensorische informatie

Object constantie is de mogelijkheid objecten te herkennen in verschillende situaties. Object consistentie is essentieel voor perceptie, want het zou erg lastig zijn als je  iets alleen herkend vanuit een bepaalde hoek. Er zijn verschillende vormen van variabiliteit mogelijk

:

1.        De sensorische informatie die binnenkomt hangt af van het gezichtspunt en positie van het object. Beide kunnen keer op keer verschillen. Het perceptuele systeem is hierop aangepast om objecten te kunnen blijven herkennen.
2.      De sensorische informatie die binnenkomt wordt beïnvloed door verschillen in belichting. Het licht kan van verschillende kanten komen. Ook ontstaan er verschillen door verschillen in schaduw. Herkenning van objecten lijkt ongevoelig voor deze verschillen.
3.     Objecten worden vaak gezien in verschillende omgevingen met vele andere objecten, niet in isolatie, maar ook dit heeft geen invloed op herkenning van het object.

Herkenning: afhankelijk of onafhankelijk van het gezichtspunt

Je kunt twee ‘kampen’ onderscheiden bij het denken over herkenning. Volgens de ‘view-dependent frame of reference’ theorieën (1) is herkenning van een object afhankelijk van het gezichtspunt. Bij bijvoorbeeld het zijaanzicht van een fiets kan de fiets worden herkend op basis van het frame, de wielen en het zadel. Bij een bovenaanzicht van de fiets kan deze worden herkend door het stuur en de lange vorm. Deze verschillende representaties van hetzelfde object zouden zijn opgeslagen in het geheugen. Herkenning vindt dan plaats door de visuele informatie te matchen met een opgeslagen representatie van een object uit het geheugen. Dit lijkt onwaarschijnlijk omdat er dan bijzonder veel representaties in het geheugen opgeslagen zouden moeten zijn. Bovendien kunnen we een nieuw object vanuit een ander gezichtspunt ook herkennen.

Volgens de ‘view-invariant frame of reference’ theorieën (2) worden eerst de basis eigenschappen bepaald en later de object specifieke eigenschappen. De theorie van Marr stelt dat het bij het herkennen van een object belangrijk is de belangrijke en minder belangrijke aslijnen van het object te bepalen. In het geval van een fiets is de lengte van de fiets de belangrijke aslijn en het stuur een minder belangrijke aslijn. Vanuit verschillende gezichtspunten blijven er altijd een aantal aslijnen zichtbaar.

Het is mogelijk dat het brein beide frames of reference gebruikt bij objectherkenning. In de fMRI studie van Vuillemier werd dit onderzocht. In eerdere studies werd gevonden dat bij herhaling van de stimulus men een afname in BOLD respons vond bij de tweede representatie in vergelijking met de eerste representatie van de stimulus. Dit wordt het repetition supression effect genoemd en wijst op neurale efficiëntie. In het onderzoek van Vuillemier met betrekking tot view dependent kregen deelnemers een object te zien dat bij de tweede aanbieding hetzelfde of vanuit een ander gezichtspunt werd gezien. Men vond dat een repetition supression effect in hersengebieden in de linker hemisfeer, ongeacht of de tweede aanbieding hetzelfde of een ander gezichtspunt had. Dit laat zien dat er gebruik wordt gemaakt van een view-invariant frame of reference. Bij de rechter hemisfeer werd echter gevonden dat er alleen een repetition supression effect op trad als het gezichtspunt bij de tweede aanbieding hetzelfde was, dit duidt op view-dependent frame of reference.

Vorm encoderen

Volgens één van de vele theorieën over de verwerking van visuele informatie wordt het object opgedeeld in kenmerken. Regelmatigheden en opvallende kenmerken in een figuur worden gecombineerd. Zo houdt een T-vorm vaak in dat twee verschillende vormen of figuren elkaar overlappen. Ook opvallende kenmerken dragen bij aan objectherkenning. Zo blijft een appel, ongeacht de kleur, altijd worden herkend als appel door de eigen vorm.

Grootmoeder cellen en samenwerkende codering

De selectieve reactie van cellen in de temporale kwab lijkt te kloppen met de theorieën van hiërarchische object perceptie. Boven aan de hiërarchie staan gnostische eenheden, cellen die vuren bij de herkenning van een object. Hieruit komt de term grootmoeder cellen voort. Bij het zien van je grootmoeder, wordt volgens deze benadering de bijbehorende cel geactiveerd. Deze theorie stuit echter op verschillende problemen:

1.    Als die bepaalde cel zou sterven zou dit betekenen dat er geen herkenning van het bijbehorende object kan plaatsvinden. Dit is onwaarschijnlijk.
2. We komen dagelijks nieuwe objecten tegen en kunnen die ook herkennen.
3. Het idee verklaard niet hoe het zich aanpast aan de veranderende ‘oma’ door de jaren heen

Een alternatieve theorie is die van samenwerkende codering. Verschillende cellen werken samen voor de herkenning van verschillende kenmerken van het object. Dit verklaart ook waarom men zich kan vergissen bij herkenning en bijvoorbeeld een vreemd persoon kan aanzien voor een bekende.

Het is belangrijk om je te realiseren dat wanneer men spreekt over selectiviteit dit gaat om een relatief begrip, niet absoluut. Een gebied is selectief actief, dat wil zeggen dat het ook door andere stimuli geactiveerd kan worden, maar als je het vergelijkt met een andere stimuli of een ander gebied dan laat het meer activatie voor een specifieke stimuli zien.

Subtypes van agnosie

Patiënten met visuele agnosie hebben problemen met object herkenning terwijl de visuele informatie wel wordt geregistreerd op coritcaal niveau in tegenstelling tot iemand die helemaal blind is. Visuele agnosie kan worden opgedeeld in apperceptieve agnosie en associatieve agnosie. Bij apperceptieve agnosie zijn er problemen met object herkenning door problemen met perceptuele verwerking. Er zijn echter geen problemen bij vorm discriminatie. Bij associatieve agnosie is er een normale visuele representatie, maar deze informatie kan niet worden gebruikt voor object herkenning. Deze vorm van agnosie wordt niet snel ontdekt tijdens neuropsychologisch onderzoek.

Apperceptieve agnosie

Warrington heeft hier onderzoek naar gedaan. De onderzoekspopulatie bestond uit rechtshandige patiënten met normale gezichtsscherpte die als gevolg van een beroerte of een tumor een unilaterale cerebrale laesie hadden. Sensorische problemen waren een exclusie criterium. Warrington maakte bij haar onderzoek gebruik van de Gollin incomplete figures Task en de Incomplete Letter Task. Bij de Gollin Picture Task wordt een vaag getekend object getoond. Dit object wordt steeds duidelijker getekend. Onderbroken lijnen worden bijvoorbeeld doorlopende lijnen. Bij de Incomplete Letter Task worden incomplete letters getoond. Patiënten met een laesie in de linker hemisfeer vertoonden weinig afwijkingen in prestaties, maar vaker taalproblemen.

Patiënten met een laesie in de rechter hemisfeer vertoonden slechtere prestaties dan patiënten met een laesie in de linker hemisfeer of proefpersonen uit de controle groep. Dit zou kunnen betekenen dat bij patiënten met een laesie in de rechter hemisfeer de perceptuele categorisatie is verstoord, evenals de object constantie. Om deze hypothese te testen, maakte Warrington gebruik van de Unusual Views Object Test waarbij objecten vanuit een gebruikelijk en ongebruikelijk gezichtspunt worden getoond. Patiënten met een laesie in de rechter hemisfeer hadden geen moeite het object te benoemen vanuit een gebruikelijk gezichtspunt, wel vanuit een ongebruikelijk gezichtspunt. Ook hadden deze patiënten moeite om aan te geven of een object getoond vanuit beide gezichtspunten, hetzelfde object was of niet. Uit dit onderzoek komt naar voren dat patiënten met een laesie in de rechter hemisfeer moeite hebben met object herkenning omdat de rechter hemisfeer een grote rol speelt bij de perceptie van objecten. De linker hemisfeer speelt een grotere rol bij taalverwerking. Dit zijn voorbeelden van hemisferische specialisatie waarbij dezelfde gebieden in verschillende hemisferen betrokken zijn bij verschillende functies.

Associatieve agnosie

Associatieve agnosie houdt het verlies van visuele objectherkenning in, maar niet als gevolg van een verstoring van perceptuele vaardigheden. Patiënt F.R.A. heeft een infarct gehad in de linker posteriore cerebrale ader. F.R.A. heeft geen problemen met perceptuele testen. Bij verschillende objecten die over elkaar zijn getekend, kan F.R.A. ieder object met een andere kleur inkleuren. Opvallend is echter dan hij de objecten niet kan benoemen. Wanneer de naam van een object wordt genoemd (verbaal), kan F.R.A. een omschrijving van het object geven. Wanneer een tekening van een hond en een muis wordt getoond, kan F.R.A. niet aangeven welk dier groter is. Na het horen van de namen van de dieren, is dit geen probleem meer. Bij associatieve agnosie zijn er alleen problemen met object herkenning bij visuele modaliteit.

Ook hier heeft Warrington onderzoek gedaan door gebruik te maken van een test waarbij objecten moesten worden gematcht op overeenkomst in functie. Bij het zien van drie plaatjes, werden patiënten gevraagd aan te geven welke twee objecten dezelfde functie hebben. Dit is een probleem voor patiënten met posteriore laesies in de linker- of rechter hemisfeer. Volgens Warrington heeft dit twee verschillende redenen. Patiënten met laesies in de rechter hemisfeer kunnen de objecten niet herkennen. Patiënten met laesies in de linker hemisfeer kunnen de objecten wel herkennen, maar de functionele verbinding niet maken door een tekort aan semantische representaties.

Intergratie van delen naar gehelen

Warrington heeft een anatomisch model voor cognitieve operaties bij object herkenning ontworpen. Centraal in dit model staat het idee dat object herkenning bestaat uit twee categoriale stadia. De initiële visuele analyse van de input wordt verwerkt in beide hemisferen. Deze  verwerkte informatie wordt gebruikt voor perceptuele categorisatie, dit is de eerste categorische operatie.. De perceptuele input wordt vergeleken en gematcht met opgeslagen representaties. Dit is nodig vanwege de sensorische variabiliteit die er bestaat. Het is een presemantisch proces dat met de rechter hemisfeer geassocieerd wordt. Presemantisch wil zeggen dat je al wel weet of twee objecten hetzelfde zijn, maar dat je het object nog niet kunt benoemen. Daarna vindt in de linker hemisfeer de semantische categorisatie plaats, dit is het tweede stadium. De visuele input wordt gerelateerd aan het lange termijn geheugen waar de naam en functie van het object is opgeslagen. Het lijkt een goed model, maar in onderzoek wordt niet altijd een relatie gevonden tussen associatieve agnosie en linker-hemisfeer lesie. Iets wat je op basis van dit model wel zou verwachten.

Ook is het niet helemaal duidelijk wat er nou precies op cognitief niveau gebeurd bij perceptuele categorisatie. Dit komt naar voren wanneer gekeken wordt naar een aantal casussen.

Humphreys en Riddoch onderzochten patiënt H.J.A. die een beroerte had gehad tijdens een operatie. H.J.A. had bilaterale laesies in de occipitale kwab die doorliepen naar het ventrale deel van de temporale kwab. Bij onderzoek naar de agnosie bij deze patiënt bleek dat hij 80% correcte responsen gaf bij het benoemen van huishoudelijke objecten en 40% correcte responsen bij het benoemen van lijntekeningen. Met betrekking tot het tactiele vermogen en het lange termijn geheugen werden geen afwijkingen of problemen geconstateerd. Op grond van deze resultaten kon de diagnose associatieve agnosie worden gesteld. H.J.A. had echter geen object herkenning bij overlappende objecten. Dit zou duiden op integratieve agnosie. Bij integratieve agnosie moeten alle delen van een object worden samengevoegd tot een geheel, omdat alle delen van een object nodig zijn voor object herkenning. H.J.A. kreeg de taak in een scherm met een heleboel letters T, de omgekeerde T aan te geven. H.J.A. moest voor deze taak alle letters apart bekijken en beoordelen voor hij de omgekeerde T kon aangeven.

Patiënt C.K. heeft hersenbeschadiging na een auto-ongeluk. Wanneer wordt gevraagd een cirkel met daar aan vast twee ruitvormen na te tekenen, tekent C.K. dit als een figuur in plaats van drie losse figuren.

Een artiest met agnosie na een beroerte kon nog goed tekenen en natekenen. Objecten in de eigen tekeningen kon hij echter niet meer herkennen.

Categorale specificiteit bij agnosie

Associatieve agnosie is dus het gevolg van verlies van semantische kennis met betrekking tot visuele structuren of eigenschappen van objecten.  Vroege perceptuele analyse gaat goed, maar de koppeling met lange termijn geheugen mist en zodoende wordt het object niet herkent. Uit rapportages met patiënten komt een apart verschijnsel naar voren, het lijkt erop dat sommige patiënten problemen ervaren voor specifieke objecten of categorieën. Neem bijvoorbeeld patiënt J.B.R. hij heeft herpes simplex encefalitis. Als gevolg hiervan heeft hij amnesie, geheugenverlies en woord-vind problemen. De diagnose associatieve agnosie wordt gesteld. J.B.R. heeft met name moeite met het benoemen van levende objecten. Ook bij andere patiënten wordt er een dissociatie gevonden tussen levende en niet-levende objecten. 

Hoe is dit mogelijk? Het model van Warrington zou dit kunnen verklaren. Als je aanneemt dat associatieve agnosie een verlies van kennis over visuele eigenschappen weerspiegeld, dan kun je aannemen dat categorie specifieke agnosie gevolg is van het verlies van specifieke semantische kennis. Semantische kennis is gestructureerd; we weten dat konijnen, honden en katten horen tot de categorie dieren omdat ze bepaalde eigenschappen delen. Scharen, tafels en stoelen delen ook eigenschappen waardoor ze bij elkaar horen. Deze eigenschappen kunnen fysiek of functioneel zijn.

Bij patiënten met hersenletsel dat een agnosie veroorzaakt blijven toch vaak nog connecties tot semantische kennis bespaard. Zodoende komt het voor dat zelfs patiënten die zeer ernstig letsel hebben toch nog enkele objecten kunnen herkennen. Het is dus mogelijk dat letsel bepaalde gebieden beschadigd die specifieke kennis bevatten. Het feit dat er categorie-specifieke problemen bij patiënten worden gevonden ondersteund dit idee. Je vind zelfs dissociaties; een patiënt die problemen ervaart bij het herkennen van niet-levende objecten doet het vaak beter op taken die draaien om herkenning van levende objecten. Toch moet men voorzichtig zijn met conclusies trekken, want de dubbele dissociatie wordt vaak aangetoond d.m.v. verschillende soorten stimuli materiaal. Vaak ontbrak er controle materiaal en het zou mogelijk kunnen zijn dat de niet-levende object trials moeilijker waren dan de levende-object trials voor bepaald stimulus materiaal.

Een idee is dat niet-levende objecten representaties opwekken die levende objecten niet hebben. Een schaar heeft niet alleen een uiterlijk, maar ook een functie en gaat gepaard met actie. Dit is niet het geval voor levende objecten. Bij een kat weet je nog hoe het voelt om deze te aaien, maar voor een krokodil of panter is dit vaak niet mogelijk. Volgens dit idee zijn niet-levende objecten dus makkelijker te herkennen omdat ze meerdere vormen van representatie met zich mee kunnen brengen. Mogelijk maakt dat dat patiënten door de extra representaties ze nog wel kunnen herkennen.

Dit gebeurde bijvoorbeeld bij patiënt G.S. die aan het begin van dit deel werd beschreven. Bij het zien van een cijferslot en het benoemen als telefoon in eerste instantie, beweegt G.S. zijn handen alsof hij een code intikt waarna hij het object kan herkennen en benoemen.

 .

Computationele verklaring voor categorie specifieke problemen

Farah en McClelland hebben de organisatie van het semantisch geheugen onderzocht met behulp van computer simulaties. Hierbij bestonden twee hypothesen:

1.    Het semantische geheugen is verdeeld op basis van de categorieën levende en niet-levende objecten. Mogelijk is er per categorie nog een onderverdeling.

2.    Het semantische geheugen is verdeeld op basis van object eigenschappen. Voor niet-levende objecten bestaan meer kinetische en motorische representaties.

Voor de computersimulatie werd gebruik gemaakt van een connectionistische netwerk. Dit model simuleert prestatie wanneer personen wordt gevraagd om object namen te associëren met visuele representaties van het object. Het perifere input systeem bestond uit een verbaal deel, de naam, en een visueel deel, het plaatje. Beide delen hadden 24 input units. Het semantisch systeem is verdeeld in een visueel deel en een functioneel deel met de verhouding 3:1. Deze verdeling is gemaakt op grond van omschrijvingen van objecten in het woordenboek. Objecten worden drie keer vaker visueel omschreven dan functioneel. Twintig patronen werden ingevoerd voor twintig representaties van objecten. De simulatie werd uitvoerig getraind en getest voor de herkenning van de twintig objecten. Na de training werden verschillende laesies uitgevoerd, waarna de simulatie weer werd getest. Na laesies met betrekking tot het visuele en semantische geheugen, ontstonden problemen met de associatie van namen en plaatjes van levende objecten. Na laesies met betrekking tot het functionele en semantische geheugen bleken dezelfde problemen te ontstaan, maar dan voor niet-levende objecten.

De perceptie van gezichten

Prosopagnosie

Het herkennen van gezichten is erg belangrijk omdat we daardoor personen herkennen. Dit belang is te merken aan het enorme vermogen van mensen om gezichten te herkennen. Het herinneren van een naam bij een gezicht is bijvoorbeeld moeilijker. Prosopagnosie houdt in dat men problemen heeft om gezichten te herkennen, waarbij er geen sprake is van een achteruitgang in intellectueel functioneren. Het beperkt zich tot de visuele modaliteit en geldt voor zowel onbekende als bekende gezichten.

Zijn gezichten speciaal?

Eén van de hypothesen met betrekking tot het herkennen van gezichten veronderstelt een gespecialiseerde gezichtsverwerking module die gevormd is tijdens ons evolutionaire verleden. In eerste instantie geeft een gezichtsuitdrukking namelijk de meest duidelijke informatie over de affectieve staat van de ander. Dit is de meest belangrijke informatie met betrekking tot eventueel vluchten of vechten. Het lijkt echter logischer te veronderstellen dat er een algemeen systeem bestaat voor de herkenning van visuele input. De evolutionaire hypothese zal empirisch moeten worden getoetst. Hierbij kunnen de volgende vragen worden gesteld:

Zijn de verschillende processen om visuele input te herkennen ook fysiek aparte processen?

Zijn de veronderstelde verschillende processen functioneel onafhankelijk van elkaar?

Verwerken twee systemen informatie op verschillende manieren?

Neurale mechanismen voor de herkenning van gezichten

De meeste patiënten met prosopagnosie hebben ook op andere gebieden van object herkenning problemen. Dit maakt in de discussie met betrekking tot het al dan niet bestaan van gespecialiseerde systemen voor het herkennen van gezichten overigens niets uit. Hersenbeschadiging bij mensen is nooit specifiek en houdt zich bijna nooit aan de grenzen van bepaalde hersengebieden. Prosopagnosie ontstaat vaak na bilaterale laesies als gevolg van  beroerte, hoofdtrauma, encefalitis en vergiftiging.

Farah heeft literatuuronderzoek gedaan naar patiënten met prosopagnosie. Van de 71 patiënten bleken patiënten een bilaterale laesie te hebben, 4 patiënten een unilaterale laesie in de linker hemisfeer en 21 patiënten in de rechter hemisfeer. De meeste laesies bevonden zich in de occipitale en temporale cortices.

Neurofysiologen hebben onderzoek gedaan naar gespecialiseerde cellen voor het herkennen van gezichten bij primaten. De dieren kregen 5 stimuli van gezichten te zien, waarvan 4 gezichten van primaten waren en 1 stimuli het gezicht van een onderzoeker. Ook kregen de dieren 5 stimuli te zien met de meest belangrijke kenmerken van gezichten. Een aantal gespecialiseerde cellen reageerde alleen bij het zien van een andere aap, andere gespecialiseerde cellen reageerden bij het zien van gezichten, ongeacht aap of mens. Bij het zien van niet-gezichten bleven deze cellen stil. Uit onderzoek komt het bestaan van twee gespecialiseerde gebieden voor het herkennen van gezichten naar voren; de superiore temporale sulcus en de inferiore temporale gyrus. Het is echter niet zeker of deze gebieden alleen betrokken zijn bij het herkennen van gezichten, het is immers onmogelijk om alle soorten stimuli te testen. Ondanks dit gegeven blijkt uit onderzoek dat de specificiteit toch behoorlijk is. Apen werden in een fMRI scanner gestopt en kregen plaatjes van gezichten of objecten te zien. Delen van de superior temporal sulcus lieten grotere activatie zien bij de plaatjes van gezichten in vergelijking met plaatjes van objecten.

Er zijn een aantal alternatieve verklaringen geposeerd. Bijvoorbeeld dat gezichten emotie bij ons opwekken en dat zodoende de cellen sterk reageren, maar stimuli die angst veroorzaakten bij apen activeerden niet dezelfde cellen als dat gezichten deden.

McCarthy deed onderzoek bij mensen met behulp van fMRI. Uit de resultaten kwam een grotere BOLD respons  voren in het ventraal oppervlak van de temporale kwab in de fusiforme gyrus bij gezichten in vergelijking met zowel random patronen als objecten. Deze respons wordt met name in de rechter hemisfeer gevonden. Dit gebied staat dan ook wel bekend als FFA, fusiform face area.

Onderscheid tussen herkenning van gezichten en object herkenning

Of er voor het herkennen van gezichten en object herkenning verschillende systemen bestaan is moeilijk te zeggen, omdat beide op verschillende manieren worden getest. Voor object herkenning zijn veel meer verschillende stimuli voor handen. Deze testen kunnen worden gezien als between-category discriminatie en testen met betrekking tot het herkennen van gezichten als within-category discriminatie.

Problemen bij de herkenning van gezichten ligt wellicht eerder in problemen om verschillen en overeenkomsten tussen dezelfde categorie objecten te herkennen. Het tegendeel is hierbij echter al bewezen. Een schaaphoeder met prosopagnosie kreeg gezichten te zien van bekende en onbekende mensen, maar ook van verschillende schapen. De patiënt kon gezichten van bekende mensen niet herkennen, maar de schapen uit zijn eigen kudde wel.

Wanneer onbekende mensen en schapen werden getoond en de schaaphoeder bij het tonen van meer mensen en schapen werd gevraagd de eerder getoonde stimuli te benoemen, lukte hem dit beter bij de schapen dan bij de mensen.

Farah stelt dat prosopagnosie niet het gevolg is van within-category discriminatie. Patiënt L.H. werd onderworpen aan 2 geheugen herkenningstaken. Eén met gezichten en één met brilglazen. In de geheugenfase werden deze stimuli wederom getoond met nieuwe gezichten en brilglazen. L.H werd gevraagd de eerder getoonde stimuli te benoemen. Zij scoorde op beide condities bijna hetzelfde, terwijl controle proefpersonen aanzienlijk beter scoren bij de herkenning van gezichten.

Bij gezonde proefpersonen is de herkenning van gezichten slechter als de gezichten ondersteboven worden getoond, omdat in plaats van het gespecialiseerde systeem voor gezichtsherkenning, men moet overstappen op het analyseren per deel. Dit wordt het face inversion effect genoemd. Opvallend is het gegeven dat patiënt L.H. het op deze taak juist goed doet.

Onderzoek naar het herkennen van gezichten in delen of gehelen bestond uit de volgende opzet. De stimuli bestonden uit een geheel gezicht en een geheel huis. Vervolgens werd aan proefpersonen een deel van een gezicht of een deel van een huis getoond en gevraagd aan te geven of dit een deel was van het eerder getoonde gezicht of huis. Dit gaf voor het huis geen problemen, maar voor het gezicht wel.

Twee systemen voor object herkenning

Als we aannemen dat er een specifiek gebied actief is bij gezichtsherkenning, geld dit dan ook voor het herkennen van andere zaken? Het blijkt dat de parahippocampal place area (PPA) vaak actief is bij het zien van spatiële relaties, zoals bijvoorbeeld bij gebouwen.  Mensen met schade in dit gebied raken gedesoriënteerd in nieuwe situaties.

Martha Farah concentreerde zich op een ander subtype van visuele agnosie, namelijk alexie.

Alexie houdt in dat er leesproblemen ontstaan na een beroerte of hoofdtrauma. De patiënt heeft echter geen probleem met het verwerken van gesproken taal of met spreken. Bij alexie zonder agrafie kan een patiënt wel schrijven, maar niet lezen.

Alexie ontstaat na laesies in de linker hemisfeer, met name in het extra striate occipitale gebied en de angulare gyrus bij de scheiding van de occipitale, temporale en pariëtale lobes. Prosopagnosie ontstaat na unilaterale of bilaterale laesies in de rechter hemisfeer in de ventrale gebieden van de occipitale en temporale lobes. Alexie en prosopagnosie komen vaak voor in combinatie met problemen in andere soorten van object herkenning.

Farah heeft literatuuronderzoek gedaan naar patiënten met agnosie voor gezichten, objecten of woorden. Hieruit kwam naar voren dat veel patiënten alleen agnosie voor woorden hebben en dat een aantal patiënten alle drie de vormen van agnosie tegelijkertijd hebben. Opvallend was dat agnosie voor woorden of gezichten altijd alleen of in combinatie met agnosie voor objecten voorkwamen, maar nooit in combinatie met elkaar. Ook was opvallend dat agnosie voor objecten nooit alleen voorkwam. Farah veronderstelt dat het herkennen van gezichten uniek is in de holistische verwerking van de stimuli.

Landis heeft de handschriften van bekenden van de patiënten gebruikt voor onderzoek. Patiënten met prosopagnosie kunnen het handschrift lezen, maar niet herkennen van wie het is. Patiënten met alexie daarentegen kunnen de woorden niet lezen, maar het handschrift wel herkennen. Gestoorde holistische verwerking die je bij prosopagnosie ziet, is dus niet beperkt tot het herkennen van gezichten.

Farah heeft een model opgesteld voor de herkenning van gezichten, objecten en woorden. De herkenning van gezichten is een holistisch proces en vormt het ene uiterste. De herkenning van woorden is een analytisch proces van delen naar een geheel en vormt het andere uiterste. In het midden staat de herkenning van objecten, waarbij gebruik wordt gemaakt van beide processen. Dit model verklaart de bevindingen uit het literatuuronderzoek van Farah waaruit bleek dat problemen met objectherkenning nooit alleen voorkomen.

De relatie tussen visuele perceptie, verbeelding en geheugen

Er bestaat al jaren een discussie over de relatie tussen perceptie en verbeelding met als centraal thema de veronderstelde overeenkomst in neurale processen.

Roger heeft hier onderzoek naar gedaan. Patiënten kregen in de perceptuele conditie een scherm te zien met een blokletter. Nadat de letter was verdwenen kreeg de proefpersoon een stip te zien en werd gevraagd aan te geven of deze stip zich bevond in het gebied waar eerst de letter had gestaan. Als de stip vlakbij de rand van de letter werd geplaatst, was het moeilijker dit te beoordelen. In de verbeelding conditie werd de proefpersoon gevraagd zich de letter te verbeelden en vervolgens te beoordelen of de stip zich in het gebied van de letter bevond. Hierbij werd hetzelfde effect gevonden als in de perceptuele conditie als de stip in de buurt van een rand van de letter werd geplaatst.

 Bovenstaand onderzoek levert bewijs voor het idee dat perceptie en verbeelding hetzelfde mentale proces delen. Neuropsychologisch onderzoek kan echter het beste bewijs leveren. Patiënten met perceptuele problemen laten ook problemen zien op inbeeldingstaken.

Twee patiënten zijn met elkaar vergeleken. Eén patiënt had bilaterale laesies in de temporale cortex en occipitale gebieden in de linker hemisfeer. Deze patiënt beschreef een olifant als een dier met hoge poten en een lange nek, maar had geen problemen met spatiële taken. De andere patiënt had bilaterale laesies in de pariëto-occipitale cortex. Deze patiënt had geen moeite met de beschrijving van de olifant, maar kon de weg in zijn eigen buurt niet vinden.

Farah heeft onderzoek gedaan bij gezonde proefpersonen. In de eerste conditie werden proefpersonen gevraagd een woordenlijst voor te lezen. In de tweede conditie werd dit wederom gevraagd, maar werd ook gevraagd bij ieder woord zich het object voor te stellen. Bij de tweede conditie werd een verhoogde activiteit in de occipitale kwab waargenomen.

Gelijke resultaten werden gevonden in het onderzoek van Kosslyn. Hij onderzocht de systemen bij verbeelding met behulp van PETscans. Er werd in dit onderzoek een verhoogde activiteit in de visuele associatie gebieden en in de primaire visuele cortex waargenomen. Van de visuele cortex is niet zeker of deze wordt geactiveerd door de verbeelding of door de associatiegebieden. Om dit verder te onderzoeken heeft Kosslyn gebruik gemaakt van TMS.

In de eerste conditie werd de primaire visuele cortex gedurende tien minuten iedere seconde verstoord. In de tweede conditie werd de TMS buiten bereik van de hersenen geplaatst. In de eerste conditie waren proefpersonen langzamer in het maken van beslissingen op basis van verbeelding. Het is echter mogelijk dat in deze conditie ook de visuele associatie gebieden zijn verstoord door de TMS.

Het is niet zeker of perceptie en verbeelding identieke systemen gebruiken. Er zijn tenslotte patiënten beschreven met perceptuele problemen zonder problemen met verbeelding en andersom.

Bij het onderscheid tussen perceptie en verbeelding is het ook mogelijk dat er meerdere paden zijn die toegang geven tot visuele kennis.

Patiënt C.K. kon een genoemd object zonder problemen tekenen. Bij het zien van de tekening kon hij het object echter niet herkennen. Bij de letter transformatie taak liet hij ook geen problemen zien. Hierbij wordt gevraagd de letter L te verbeelden, deze om te draaien en een horizontale lijn in het midden toe te voegen. Welke letter is dan gevormd?

Bij beschadigde systemen die betrokken zijn bij perceptuele processen blijkt een verandering in het geheugen plaats te vinden omdat bepaalde input niet meer binnenkomt. Oliver Sacks beschrijft patiënt I. Hij is een kunstenaar met volledige achromatopsie als gevolg van een ongeluk. I. heeft wel een geheugen van kleuren en kan zich deze verbeelden. Dit maakt hem erg depressief. Na een jaar vervaagt het geheugen van kleuren echter, waardoor hij zijn omgeving makkelijker kan accepteren. I. wordt zelfs minder depressief.

Wanneer tekeningen van H.J.A. van vier jaar en tien jaar na het ongeluk worden vergeleken, is te zien dat de tekeningen slechter zijn geworden. Wel kan hij meer objecten benoemen en gebruikt hierbij meer functionele dan visuele benoemingen. H.J.A. vertelt zelf echter dat het vermogen van herkenning niet vooruit is gegaan, maar dat hij zich heeft leren aanpassen. Hij heeft geleerd om als het ware gebruik te maken van ezelsbruggetjes en denkstrategieën om zichzelf te helpen herinneren.

Hoofdstuk 7. De controle van Actie

San Jose, Califonië, VS, juli 1982: op de eerste hulp komen patiënten binnen die zich niet of nauwelijks kunnen bewegen, ze kunnen niet praten, hebben een gezichtsuitdrukking die wel bevroren lijkt en vertonen starheid in de armen. En toch zijn deze patiënten wel gewoon bij bewustzijn. Al deze patiënten zijn heroïnegebruikers, maar toch lijken deze verschijnselen niet op de effecten van heroïnegebruik. Het is zelfs het tegenovergestelde van wat verwacht mag worden van het gebruik van heroïne. Ook lijken de verschijnselen niet op de effecten van andere bekende drugs. De op heroïne lijkende stof die deze verschijnselen produceert begint snel te werken, een kleine dosis produceert niet zulke dramatische effecten.

De symptomen lijken sterk op die van vergevorderde Parkinson, alleen begint de ziekte van Parkinson normaal gesproken geleidelijk en zijn de symptomen bij deze patiënten vrij plotseling opgetreden. De symptomen zijn het resultaat van celdood in de substantia nigra (deel van de basale ganglia), dit is de voornaamste bron van de neurotransmitter dopamine. Behandeling met L-dopa (een stofje dat nodig is voor de productie van dopamine) had bij deze patiënten onmiddellijk een positief effect. De stof die verantwoordelijk is voor de symptomen lijkt qua chemische structuur op meperidine, een synthetische stof, en deze werd MPTP genoemd. Deze stof is giftig voor dopamine cellen die gelokaliseerd zijn in de substantia nigra. Dezelfde beschadigingen en symptomen zijn zichtbaar bij mensen met de ziekte van Parkinson.

Door de informatie die deze zaak naar voren gebracht heeft, zijn er twee behandelingsmethoden  voor de ziekte van Parkinson ontstaan:

1.       Door een tekort aan dopamine inhibeert de basale ganglia de output (de beweging), door een operatie wordt geprobeerd deze inhibitie op te heffen.

2.       Het inbrengen van weefsel van een foetus om op deze manier dopamine receptoren te regenereren. Dergelijke behandeling is nog experimenteel, maar lijkt veelbelovend. Ook stamcelonderzoek valt hier onder.

Motorische structuren

Spieren, motor neuronen en het ruggenmerg

De complexiteit van het menselijk centraal zenuwstelsel is bedoeld om de effectiviteit van acties te verhogen. Elk deel van het lichaam dat kan bewegen heet een effector. De elastische vezels van spieren kunnen veranderen in mate van spanning en in lengte. Beweging is het gevolg van een verandering in de spieren, welke een (groep) effector controleren.

De primaire interactie tussen spieren en het zenuwstelsel loopt via alpha motorneuronen. Alfa motorneuronen beginnen in het ruggenmerg en lopen via de ventrale wortel naar de spiervezels en vormen zo de voornaamste bron van communicatie tussen spieren en het centraal zenuwstelsel. Deze neuronen maken gebruik van de neurotransmitter actylcholine, dit zorgt voor het samentrekken van spiervezels. Door de lengte en spanning van de spieren te veranderen zorgen alfa motorneuronen voor beweging. Een alpha motorneuron vertaalt dus een zenuwsignaal in een mechanische actie.

Deze neuronen ontvangen hun input vanuit de vezels die vanuit het ruggenmerg komen (dit is de basis van vrijwillige bewegingen), van sensorische vezels in de spieren (zoals de kniepeesreflex) en van interneuronen binnen het zenuwsegment (het combineren van het opwekkend signaal van de ene spier met het remmende signaal van de andere spier, buig en strek spieren).

Subcorticale motorische structuren

De meeste neurale structuren van het motorisch systeem zitten in de hersenstam. De hersenstam omvat de zenuwen die verantwoordelijk zijn voor belangrijke bewegingen zoals de ademhaling en oogbeweging. Via extrapiramidale tracts staat de hersenstam direct in verbinding met het centraal zenuwstelsel. Dit zorgt voor de primaire controle over de ruggenmerg activiteit, ze ontvangen namelijk input van (sub)corticale structuren. De twee subcorticale structuren die een belangrijke rol spelen bij motorische controle zijn de basale ganglia en het cerebellum.

Het cerebellum is voornamelijk van belang bij het aanpassen van foutjes/ discrepanties in motorisch gedrag. Op deze manier draagt het cerebellum bij aan het soepel uitvoeren van ingewikkelde motorische gedragingen zoals lopen, het strikken van de veters of het vangen van een bal.

Het cerebellum stuurt informatie via de diepe cerebellaire nuclei naar de hersenen. Het cerebellum ontvangt informatie van de sensorische kanalen en van de associatiegebieden van de cortex, dit wordt geprojecteerd op de cerebellaire cortex. De laterale gebieden beïnvloeden de beweging en frontale gebieden van de cortex. De axonen van de mediale nuclei kunnen uitkomen op interneuronen, maar de meeste komen uit  op de extrapiramidale tracts.

De basale ganglia bestaan uit vijf kernen, de output komt van het interne segment van de globus pallidus en een deel van de substantia nigra. De inputstructuur bestaat uit het stratium (bestaat uit de caudate en de putamen). De overige structuren kunnen de output aanpassen. Deze overige structuren zijn de rest van de substantia nigra, het externe segment van de globus pallidus en de subthalamische nucleus. Door het projecteren naar de thalamus wordt de bewegingscontrole beïnvloed door de basale ganglia.

Corticale gebieden die betrokken zijn bij motorische controle

De cerebrale cortex kan de activiteit van neuronen in het ruggenmerg op verschillende manieren reguleren:

• Directe verbinding middels de corticospinale banen (pyramidal) die in M1 ontstaat. Corticospinale vezels worden ook in de somatosensorische cortez gevonden en in de secundaire motorische cortex.
• De cerebrale cortex kan beweging nog op vier andere manieren beïnvloeden: M1  en premotor cortex ontvangen input uit andere regionen via corticospinale verbindingen, sommige corticale aconden zitten in de kernen van de hersenstam, de cortex projecteerd naar basale ganglia en het cerebellum en de corticobulbar baan heeft vezels die bij de cranial nerves uitkomen.

De secundaire motorische cortex bestaat uit de premotor cortex en de SMA.

Organisatie van motorische gebieden

De anatormische organisatie volgt twee principes. In motorgebieden is het lichaam op topografische wijze (1) gerepresenteerd, de grootte van de representatie van een bepaald lichaamsdeel is afhankelijke van de het belang en de mate van controle die nodig is van de effector (de vingers hebben bijvoorbeeld een relatief grote representatie omdat het goed en nauwkeurig kunnen bewegen van de vingers heel belangrijk is voor de mens; daarnaast is er ook sprake van een enorme gevoeligheid in de vingers ten opzichte van bijvoorbeeld de romp). Elke hemisfeer bestuurt de lichaamsdelen aan de tegenovergestelde kant van het lichaam, alleen het cerebellum is ipsilateraal georganiseerd.

De motorgebieden zijn hiërarchisch geordend (2), zie de figuur hieronder van hoog naar laag.:

met als hoogste de premotor en associatiegebieden, waar de beweging voorbereid worden, daaronder staat de motorcortex, het cerebellum en de basale ganglia die de voorbereidingen omzetten in beweging en onderaan het ruggenmerg dat de beweging daadwerkelijk uitvoert. Hoe hoger in de hiërarchie, hoe meer het om de details gaat en hoe flexibeler  een individu kan zijn.

Computationele zaken bij motorische controle

Perifere controle van beweging en de rol van feedback

De hiërarchische organisatie impliceert dat hogere niveau’s de activiteit van lagere niveau’s kunnen beïnvloeden. Lagere niveau’s kunnen beweging produceren, zelfs zonder verwerking op hoger niveau. Daarnaast kan beweging ook plaats vinden zonder sensorische signalen. De neuronen die dit kunnen heten centrale patroon generatoren, de hersenen hoeven alleen het commando te geven.

Sherrington onderzocht door middel van het doorsnijden van het ruggenmerg in dieren of ze nog zouden kunnen bewegen zonder de invloed van de hogere structuren. De resultaten tonen dat de reflexen zelfs sterker zijn wanneer de inhibitie van de hersenen weggevallen is. De dieren konden met hun achterpoten gewoon lopen mits ze de benodigde sensorische informatie ontvangen. Brown bewees dat dieren ook nog kunnen bewegen als ze geen informatie meer kunnen ontvangen van buitenaf. Een centrale patroon generator  is een set neuronen die in staat zijn tot een serie acties zonder externe input. Dit is een krachtig mechanisme voor de hiërarchische controle van beweging. Dit veronderstelt ook dat we interne representaties hebben van bepaalde bewegingspatronen. Sensorische input is niet noodzakelijk, maar dieren geven de voorkeur aan een ledemaat dat in staat is externe signalen te ontvangen. Dit geldt trouwens ook voor mensen.

Representatie van een bewegingsplan

Feedback is belangrijk voor het leren van bewegingen en voor de fijne afstemming hiervan, maar het is niet noodzakelijk voor beweging. Er moet een representatie aanwezig zijn wil je zonder feedback de beweging goed uit kunnen voeren. Maar wat voor soort representatie is dat; locatie of traject gebaseerd?

Onderzoek van Bizzi steunde het idee dat de representatie gebaseerd kan zijn op locatie. Gedeafferenteerde apen werden getraind op een simpel aanwijs experiment. Een lichtje verscheen op de target locatie waarna de aap zijn arm daar heen moest bewegen. Er werd een manipulatie uitgevoerd waarbij tegenkracht werd gegeven bij het beweging, het zorgde ervoor dat de arm in de begin positie zou blijven; apen voelden dit zelf natuurlijk niet en omdat de kamer donker was konden ze dit ook niet zien. Nadat deze kracht werd verwijderd konden de apen wel de locatie bereiken. Dit steunt de locatiehypothese.

End point controle is gebaseerd op locatie. Naast locatieplanning gebruiken we afstand en traject planning voor extra flexibiliteit.

MacKay stelt een model voor over de hiërarchische representatie van beweging. Het hoogst staat de representatie van het doel, dit is een conceptueel niveau. Daarna volgt het niveau van het reactiesysteem, hierin zijn verschillende manieren van reageren gerepresenteerd (bijvoorbeeld verbaal, of door een bepaalde beweging). Het laagste niveau wordt gevormd door de implementatie van de beweging. Bij het leren van nieuwe bewegingen en acties is vooral het conceptuele niveau van belang. Bij het uitvoeren van eerder geleerde beweging, maar dan uitgevoerd met een andere effector dan waarmee de beweging normaal gesproken wordt uitgevoerd zijn de lagere niveaus belangrijk. Dit model stelt ook dat mentale oefening de prestatie kan verbeteren. Daarom krijgen sporters vaak het advies om hun routine regelmatig in hun hoofd door te nemen.

Mensen spreken vaak van muscle memory; een laag niveau in de hiërarchie (spieren) hebben geleerd hoe ze moeten reageren. Toch blijkt dat bepaalde delen van motor leren onafhankelijk zijn van het motor systeem dat gewend is de actie uit te voeren. Je kunt immers schrijven met je mond, dus het gaat om een hogere orde representatie. Motor leren kan dus op verschillende niveau’s plaatsvinden. Wanneer een geleerde actie door nieuwe effectoren wordt uitgevoerd vind er op een laag niveau leren plaats. Bij het leren van een nieuwe actie zit je op meer abstract niveau.

fysiologische analyse van motorische paden

De beweging van een ledemaat is gecorreleerd met de activiteit van de bijbehorende motorneuronen in de cortex. Een populatie vector (Georgopoulos) is een representatie van de som van de activiteit van de cellen van een deel van de motorcortex. Dit is een goede voorspeller van de richting van de beweging, dus zijn deze cellen ook betrokken bij de planning van een beweging en niet alleen bij de beweging zelf. Er is een duidelijke dissociatie tussen de planning en het uitvoeren van een beweging. Ook in de andere gebieden die betrokken zijn bij beweging  is de populatie vector voorspellend voor de richting van de beweging. Als een beweging uit twee delen bestaat richt de populatie vector zich eerst op het einddoel en daarna pas op het tussendoel, oftewel het gaat om een op het doel gebaseerde representatie.

Om goed te kunnen reageren op onze omgeving moeten we perceptuele informatie kunnen combineren met informatie over de huidige staat van het motorsysteem, veel cellen in de motorische gebieden bevatten beide soorten informatie. Deze cellen hebben een dynamisch receptief veld. In de posterieure pariëtale cortex bevinden zich cellen die belangrijk zijn voor gecoördineerde beweging, voor het ruimtelijk doel van beweging. Perceptie en actie zijn onderling sterk verbonden, bij de productie en actie van een bepaalde beweging zijn vaak dezelfde cellen betrokken.

Spiegelneuronen

Weten waar perceptie eindigt en actie begint lijkt een onmogelijke taak. Dit wordt benadrukt door het feit dat ons begrip van acties van anderen afhankelijk is van de activatie structuren die actief zouden zijn als we deze actie zelf zouden uitvoeren. Het is de activatie van het spiegelsysteem, dit is een neuraal systeem verspreid over het brein dat betrokken is bij actieproductie en begrip. Het wordt soms ook wel embodied cognition genoemd; onze conceptuele kennis zit in ons lichaam. Activatie van een spiegelneuron is gecorreleerd aan doel georiënteerde actie, ongeacht of je het zelf uitvoert en hoe de informatie wordt ontvangen (auditief, visueel). In de premotor cortex is de mate en intensiteit van het actiepotentiaal afhankelijk van je eigen motor repetoir.

Plannen en uitvoeren van beweging

Tijdens bewegingen worden de primaire motor en somatosensorische regionen van de cortex in de contralaterale hemisfeer geactiveerd bij simpele buig en strekbewegingen, bij het uitvoeren van complexe bewegingen is de activatie vaak bilateraal. Dit kan erop wijzen dat er een abstract motor plan geactiveerd wordt, welke niet aan een specifieke effector gebonden is, of het kan gaan om verschillende motorische plannen die hetzelfde doel hebben. De unilaterale activatie in de basale ganglia en motor cortex wijst op een hoge orde plan dat wordt omgezet in beweging die specifiek gerelateerd is aan een effector.

Interne en externe sturing van gedrag

Sommige wetenschappers stellen dat de controle van bewegingssequenties gecontroleerd wordt door brodman area 6, afhankelijk van interne of externe sturing. De SMA domineert wanneer de taak intern gestuurd is, de premotor area bij externe sturing.

Verschuiving in corticale controle tijdens leren

Door te leren welke effecten onze bewegingen hebben, kunnen we hierop anticiperen. Het laterale gedeelte van het premotor gebied is vooral betrokken bij de vroege fases van het leren. Deze structuur is vanwege de vele verbindingen met de pariëtale cortex zeer geschikt voor het koppelen van een motorisch plan aan de externe informatie. De prefrontale gebieden zijn ook betrokken bij het leren van nieuwe bewegingen. Bij het uitvoeren van taken die al eerder geleerd zijn worden vooral het supplementaire motorgebied en de hippocampus actief. Dit kan deels ook verklaard worden doordat het niveau van leren overeenkomt met de mate waarin het gedrag wordt gestuurd door externe cues.

Experts hebben vaak uitgebreidere cognitieve vaardigheden dan mensen die net beginnen de vaardigheid te leren, deze uitgebreidere cognitieve vaardigheden leiden tot betere motorische vaardigheden (denk aan bijvoorbeeld topsporters, concertpianisten).

Functionele analyse van het motorisch systeem en stoornissen

Om een complexe beweging uit te voeren is het nodig om de volgende mentale handelingen uit te voeren: selectie, volgorde, kracht en timing. Begrip van deze componenten is vooral van belang voor het begrijpen van stoornissen in het motorische systeem.

Corticale gebieden

De primaire cortex wordt gebruikt bij geleerde bewegingen, bij laesies in dit gebied is de patiënt niet in staat vrijwillige bewegingen te maken met de contralaterale kant van het lichaam (hemiplegia). Dit komt vaak voor na een beroerte (voornamelijk als de bloeding in de midden cerebrale slagader plaatsvindt). Bovendien is dit één van de meest duidelijke tekenen van een beroerte. Vooral de armen en de benen kunnen niet of nauwelijks bewogen worden. Na een periode van enkele weken kom de reflexen terug en worden zelfs hyperactief, soms zelfs spastisch. Het lichaam heeft van nature mechanismen om een stabiele lichaamshouding te behouden ondanks de effecten van de zwaartekracht. De cortex inhibeert deze primitieve reflexmechanismen, zodat we gewoon kunnen bewegen zonder dat reflexen de bewegingen tegengaan. Bij een beroerte valt deze inhibitie weg.

Bij schade aan de motorcortex is herstel meestal slechts minimaal, de patiënt zal naar alle waarschijnlijkheid nooit meer normaal kunnen lopen of andere gecoördineerde bewegingen maken. Schade aan het cortico – zenuwtract leidt tot verlies van controle in de ledematen, veranderingen in het extrapiramidale systeem veroorzaken de hyperactiviteit en de spasticiteit. Door het wegvallen van de controle van de cortex kan de patiënt acties niet meer intern sturen.

apraxie

Apraxia betekent letterlijk: geen actie, het is een verlies van motorische vaardigheden. Het is een veelomvattend syndroom en wordt meestal gediagnosticeerd door het systematisch wegstrepen van andere verklaringen. Afasie komt veel voor bij patiënten die ook apraxie vertonen. Komt vooral voor bij schade aan de linker hemisfeer. Het gaat vaak dus om een probleem in het begrip. Patiënten zijn vaak niet in staat om een bepaald gebaar na te doen (bijvoorbeeld het knippen met een schaar), het gaat vaak een stuk beter als ze het benodigde instrument in handen hebben.

Bij ideomotorische apraxie heeft de patiënt wel een vaag idee wat de beweging is, maar is niet in staat de beweging goed uit te voeren. Bij ideationele apraxie weet de patiënt niet meer waar de beweging voor dient, hij begrijpt niet waarvoor een object gebruikt hoort te worden. Volgens Leipmann bevat de linker pariëtale cortex de representaties van bewegingen. Apraxie volgt vaak na schade aan dit gebied. Unilaterale schade hier leidt tot bilaterale gebreken vanwege de connectiviteit van de twee gebieden met elkaar. Het ene gebied projecteert naar de frontale gebieden in het andere gebied (met name de premotorische gebieden). Op deze wijze kan schade in 1 hemisfeer zorgen voor schade in de andere hemisfeer.

• De cortex en selectie van beweging

Verschillende bewegingen kunnen tot hetzelfde doel leiden. Om een bepaald doel te bereiken moet één van de mogelijke bewegingen worden geselecteerd. De competitie tussen deze bewegingen wordt opgelost door factoren als ervaring, innerlijke staat, huidige positie en de positie van het object waarmee de persoon iets wil doen. De motorcortex representeert uiteindelijk de gekozen beweging. Als de motorcortex beschadigd is kan de gekozen beweging niet omgezet worden in actie. Ook het supplementaire motorgebied (interne bron van beweging) en het laterale premotor gebied (externe bron) zijn betrokken bij het selecteren van beweging.

Het alien hand syndroom komt voor na beschadiging van het supplementaire motorgebied, waardoor de externe sturing de overhand neemt. Een voorbeeld hiervan is dat als deze patiënten een kopje zien, zullen ze het oppakken om er uit te drinken, zelfs als er niets in zit of als de patiënt helemaal geen dorst heeft.

Premotor activatie is meestal bilateraal, bij activatie wordt dit later gelateraliseerd naar de contralaterale motor cortex. De supplementory motor area (SMA) is belangrijk bij het selectieproces. De primaire bron van output van de SMA is de ipsilaterale motor cortex, deze SMA projecteerd ook naar de contralaterale SMA en motorcortex. Veel van deze projectie hebben een remmende werking; de beweging aan de contralaterale zijde wordt gekozen, die ipsilateraal geremd. Dit verklaard het fenomeen spiegelen na een leasie bij SMA. Ipsilateraal wordt dan niet meer geremd.

Subcorticale gebieden; het cerebellum en de basale ganglia

Subcortivale gebieden zijn niet belangrijk bij het selecteren van een motorplan, maar vooral belangrijk bij de uitvoering ervan.

• Het cerebellum

Een leasie aan het cerebellum verstoord de coördinatie op verschillende manieren, wat tevens de verschillende onderdelen van het cerebellum reflecteerd.

Het cerebellum bestaat uit drie delen:

1. het vestibulocerebellum is de oudste structuur,
2. het spincerebellum
3. het neocerebellum is de jongste structuur.

Het vestibulocerebellum staat in nauw contact met het vestibulaire systeem en is verantwoordelijk voor evenwicht en het aanpassen van oogbewegingen bij bewegingen. Bijvoorbeeld de vestibulo – oculaire reflex: de ogen blijven op hetzelfde punt gericht ondanks bewegingen van het hoofd of van het lichaam. Beschadiging van deze structuur verstoort het evenwicht.

Het spinocerebellum combineert informatie uit verschillende sensorische gebieden via het ruggenmerg. Dit systeem is belangrijk voor het uitvoeren van bewegingen, het zorgt voor meer precisie en flexibiliteit. Schade aan deze structuur zorgt ervoor dat bewegingen niet meer soepel uitgevoerd kunnen worden. Een onderdeel van deze structuur, het vermis (mediaal gelegen) is gevoelig voor alcohol, er is verantwoordelijk voor het moeilijke lopen en verstoord evenwicht dat je kunt zien bij alcoholisten. Maar ook het niet recht kunnen lopen na een avondje flink stappen wordt veroorzaakt door het vermis. Ook leidt schade aan  het spinocerebellum tot hypermetrie: patiënten bewegen verder door dan het doel, vooral wanneer patiënten snel bewegen.

Het neocerebellum (lateraal) ontvangt input van de pariëtale en frontale kwabben, de output begint in de dentate (laterale diepe nucleus) en stuurt dit via de thalamus naar gebieden die vrijwillige beweging controleren zoals de premotorische gebieden. Meer dan 90% van de neuronen in de cerebellaire nuclei bestaat uit dentate (een term die aangeeft dat deze delen van belang zijn). Schade aan deze structuur leidt tot klunzigheid en hypermetrie en het initiëren van beweging is vertraagd.

Er wordt gedacht dat het cerebellum vooral belangrijk is voor de timing van bewegingen.

Dit kan hypermetrie verklaren, door het niet goed kunnen timen van de activatie van de antagonist, kan een ledemaat niet op het juiste moment de beweging stoppen.

Timing is vooral van belang bij goed geoefende bewegingen. Hieruit volgt dat het cerebellum belangrijk is bij motorisch leren (bij het aanleren van een vaardigheid is timing immers cruciaal). In primaten is het neocerebellum beter ontwikkeld. Deze bevinding heeft geleid  tot de hypothese dat het cerebellum niet alleen betrokken is bij de timing van bewegingen, maar ook bij de timing van perceptuele en cognitieve systemen.

Een alternatieve hypothese stelt dat het cerebellum verwachtingen van sensorische ervaring genereert, deze verwachtingen zijn belangrijk voor motorische controle en motorisch leren.

• De basale ganglia

De vijf nuclei van de basale ganglia hebben elk hun eigen functie, maar zijn onderling wel verbonden. Het stratium (caudate en putamen) ontvangt informatie van de cortico - stratiale projecties (vezels vanuit de hele cortex). In het interne segment van de globus pallidus en de pars reticulata van de substantia nigra begint de output. Een leasie zorgt voor coordinatieproblemen, maar de vorm hiervan is afhankelijk van de kern die getroffen is.

Delong stelt twee routes voor:

1. Een indirecte route (verbindt het stratium via het externe segment van de globus pallidus en de subthalamische nucleus met de output nuclei) en;
2. Een directe route (van het stratium direct naar de output nuclei). Activatie van het stratium leidt tot inhibitie van de output nuclei en opwekking van de thalamus en corticale motorgebieden via de directe route. Via de indirecte route: opwekking van de output nuclei en inhibitie van de cortex.

Door deze effecten is de hypothese naar voren gekomen dat de basale ganglia belangrijk zijn bij het initiëren van gedrag. De directe route lijkt ideaal te zijn voor een alles of niets systeem (er wordt één beweging geselecteerd uit een hele serie alternatieve bewegingen). Dopamine speelt een belangrijke rol bij beloning, ook in de basale ganglia: een beweging die tot beloning leidt (dopamine wordt afgescheiden) zal in de toekomst sneller geselecteerd worden.

Stoornissen van de basale ganglia:

Bij de ziekte van Huntington (1) treedt chorea op (onvrijwillige bewegingen), patiënten zijn snel geïrriteerd en verliezen hun interesse in normale activiteiten, hebben problemen met hun evenwicht en zijn klunzig. De ziekte steekt meestal de kop op rond de tijd dat de patiënt de leeftijd van 40-50 bereikt heeft.

Naarmate de motorische problemen ernstiger worden, begint de patiënt ook subcorticale amnesie te vertonen (moeite met het leren van nieuwe motorische vaardigheden, moeite met probleem oplossen). Vaak komen bij deze ziekte ook veranderingen in de persoonlijkheid voor. De ziekte veroorzaakt massale celdood in de basale ganglia en dan met name in het striatum. Door verminderde output van de basale ganglia is er meer opwekking van de thalamische neuronen (indirecte route). Bij hemiballisme (laesies in de subthalamische nucleus) produceren patiënten heftige, ongecontroleerde bewegingen. Zie ook figuur 7.42a

De ziekte van Parkinson (2) veroorzaakt tremors en rigiditeit. Patiënten hebben vaak problemen met hun evenwicht, vertonen minder vrijwillige bewegingen en zijn langzamer bij het initiëren en uitvoeren van bewegingen (bradykinesie). De oorzaak van de ziekte is nog onduidelijk. Bij de ziekte van Parkinson zijn dopamine vezels afgestorven in de substantia nigra. Zie ook figuur 7.42b

Behandeling bestaat meestal uit het toedienen van L-dopa (een synthetische precursor van dopamine) maar dit is niet altijd succesvol. Door het uitputten van dopamine neuronen kan de basale ganglia niet meer de effectoren de opdracht geven een bepaalde beweging uit te voeren en heeft moeite met het aanpassen van de kracht die nodig is om de taak uit te voeren. Vooral intern gestuurde bewegingen zijn aangetast en dus zijn de patiënten afhankelijk van externe aanwijzingen voor het initiëren van bewegingen. Recent worden patiënten met de ziekte van Parkinson ook behandeld door middel van deep brain stimulation.

Een hypothese over de bijdrage van de basale ganglia aan cognitie is dat de basale ganglia zorgt voor het wisselen tussen mentale sets. Dit kan verklaren waarom er patiënten zijn die niet alleen de ziekte van Parkinson hebben maar ook problemen hebben met het wisselen van de ene houding naar de andere. Dit wordt ook wel rigiditeit genoemd. Dit blijkt nu te gelden voor zowel motorische als cognitieve taken. Voor het uitvoeren van nieuwe gedragingen is een vermogen om te wisselen tussen mentale sets van groot belang. Deze hypothese legt ook verband tussen de basale ganglia en stoornissen als het syndroom van Gilles de la Tourette en een obsessief – compulsieve stoornis, omdat bij deze stoornissen de patiënten niet goed in staat zijn te wisselen tussen verschillende  gedragingen.

Hoofdstuk 8. Leren en geheugen

Patiënt H.M. heeft een onbehandelbare vorm van epilepsie. Na afronding van de middelbare school gaat hij werken, maar dit kan hij niet volhouden vanwege de epilepsie. Daarom wordt een nieuwe operatieve behandelmethode aangewend: temporale lobotomie, waarbij de mediale temporale kwab bilateraal wordt verwijderd. H.M. lijkt goed te herstellen van de operatie, maar hij heeft sinds de operatie problemen met zijn lange termijn geheugen. Uit neuropsychologisch onderzoek komt naar voren dat H.M. een boven gemiddelde intelligentie heeft, zelfs hoger dan voor de operatie. Ook heeft hij geen perceptuele problemen of taalproblemen. Op bepaalde geheugentesten scoort hij echter onder gemiddeld, terwijl andere cognitieve functies in tact zijn. H.M. beschikt over een prima korte termijn en werkgeheugen. Hij blijkt echter niet meer in staat te zijn om nieuwe lange termijn herinneringen te vormen. Sindsdien vinden er nog steeds operaties plaats bij onbehandelbare vormen van epilepsie, maar is men vele malen voorzichtiger. De behandeling wordt wel nog steeds uitgevoerd maar, indien mogelijk, niet meer bilateraal maar unilateraal.

Vanuit de cognitieve neurowetenschap wordt met betrekking tot geheugen er van uitgegaan dat er meerdere geheugen systemen zijn.

Theorieën over leren en geheugen

Leren is het proces waarin nieuwe informatie verworven wordt. Geheugen kun je zien als de uitkomst van het leerproces. Het geheugen wordt dus gecreëerd door informatie te leren, dit kan door een enkele blootstelling aan de informatie, maar ook door herhaald leren. Geheugen is iets dat over tijd bestaat. Leren en geheugen bestaan uit drie grote hypothetische stadia:

1. Encoderen: het verwerken van nieuwe informatie om op te slaan.
   Encoderen valt uiteen in verwerving en consolidatie. Verwerving omvat het in je opnemen van input in het sensorische tussengeheugen en sensorische analyse stadia. Consolidatie omvat de vorming van sterkere representatie over tijd.
2. Opslaan: het vasthouden van informatie als gevolg van verwerving en consolidatie.
3. Terughalen: het gebruiken van opgeslagen informatie ten behoeve van een bewuste representatie of uitvoering van aangeleerd gedrag.

Sensorische en korte termijn geheugenmechanismen

Zoals eerder gezegd bevat het geheugen dus een temporeel component. Geheugen modellen maken onderscheid tussen sensorisch geheugen, korte termijn geheugen (KTG) en lange termijn geheugen (LTG), deze indeling is gebaseerd op hoelang informatie beschikbaar blijft. Het sensorische geheugen heeft een tijdspan van enkele milliseconden tot enkele seconden. Het korte termijn geheugen heeft een tijdspan van seconden tot enkele minuten. Het lange termijn geheugen kan informatie behouden van dagen tot jaren.

• Sensorisch geheugen

Als iemand tegen je praat, terwijl je niet luistert en diegene zegt daar iets van, kun je je vaak nog het laatste deel van het verhaal herinneren. Deze ‘echo’ staat bekend als sensorische geheugen sporen. Het sensorisch geheugen kun je onderverdelen in echoic memory; geheugen voor geluid, voor visie noemen we dit iconic memory.

Onderzoek met betrekking tot het sensorisch geheugen heeft gekeken naar de duur en de locatie van opslag in het brein. Volharding van een auditief sensorisch geheugen spoor gaat gepaard met een karakteristieke ERP die bekend staat als MMN, electrical mismatch negativity, met als magnetische tegenhanger MMF, mismatch field. Bij het horen van dezelfde tonen, ontstaat een MMN/MMF zodra een andere toon wordt gehoord. Het echo geheugen spoor, gemeten door middel van een mismatch, kan soms wel tien seconden lang aanhouden. Tevens komt uit onderzoek naar voren dat sensorische herinneringen opgeslagen worden in de sensorische cortex.

De capaciteit van het iconische en echoic sensorisch geheugen is groot, maar de duur van opslag is kort.

• Korte termijn geheugen

In tegenstelling tot het sensorisch geheugen, kan informatie in het KTG voor een langere periode opgeslagen worden ( seconden tot minuten), maar de capaciteit van het KTG is beperkt.

Modellen voor het korte termijn geheugen

Atkinson en Shiffrin hebben een modaal model voor geheugen ontworpen. Het model is een strict serieel model, dit wil zeggen dat er vaste stadia worden doorlopen. Informatie komt binnen in het sensorische geheugen, kan worden overgebracht naar het korte termijn geheugen en daarna naar het lange termijn geheugen. Het overbrengen van informatie van het sensorische geheugen naar het korte termijn geheugen wordt beïnvloed door aandacht. Het overbrengen van informatie van het korte termijn geheugen naar het lange termijn geheugen wordt beïnvloed door herhaling. Informatie kan in elk stadium verloren gaan door verval, interferentie of een combinatie hiervan. Er bestaat discussie over de strikte volgorde van het model, moet informatie echt eerst in het KTG zitten om daarna in het LTG worden opgeslagen? Onderzoeken spreken het model tegen, maar er is ook data die het model steunt.

Er is bewijs voor het bestaan van het KTG, afkomstig uit de cognitieve neurowetenschap. Shallice en Warrington hebben patiënten met hersenbeschadiging in de linker perisylviane cortex onderzocht en hebben vastgesteld dat bij deze patiënten de ‘digit span’ was verlaagd van vijf tot negen items naar twee items. Wel konden de patiënten nieuwe herinneringen in het lange termijn geheugen vormen. Dit laat dus een dissociatie zien tussen KTG en LTG, maar het laat ook zien dat je het KTG niet per se nodig hebt om informatie op te slaan in LTG. Dit komt dus niet overeen met het eerder beschreven model.

Een meer recent voorbeeld komt van Markowitsch. Hij heeft patiënt E.E. beschreven, die een tumor had in de linker angulare gyrus. Dit beïnvloedde de inferiore pariëtale cortex en de posteriore superiore temporale cortex. Na verwijdering van de tumor daalde het vermogen van het korte termijn geheugen, maar bleef het lange termijn geheugen normaal. E.E. had een normaal spraakvermogen en normaal begrip van spraak en lezen. Problemen met het korte termijn geheugen werden zichtbaar tijdens de Token Test. E.E. kon de taken niet uitvoeren omdat de instructies niet lang genoeg konden worden vastgehouden.

Uit deze en andere onderzoeken is geconcludeerd dat het korte termijn geheugen niet de poort naar het lange termijn geheugen kan zijn, zoals in het modale model wel het geval is. Overbrenging van informatie van het sensorische geheugen naar het lange termijn geheugen is dus kennelijk ook mogelijk.

• Werkgeheugen

Werkgeheugen en KTG worden soms door elkaar gebruikt, maar hier wordt onderscheid gemaakt. Werkgeheugen is een gelimiteerde opslag voor het vasthouden van informatie over korte tijd, zodat er mentale operaties over kunnen worden uitgevoerd. De informatie in het werkgeheugen kan afkomstig zijn van het sensorisch geheugen maar ook uit het LTG.

Baddeley heeft het driedelige werkgeheugen systeem voorgesteld:

1. Het centraal uitvoerende (central executive) mechanisme is opdrachtgevend en controlerend voor de interactie tussen de twee subsystemen het lange termijn geheugen. Het is een niet- modaalspecifiek cognitief systeem, wat wil zeggen dat het niet enkel gebruik maakt van auditieve informatie of enkel van visuele informatie. Dit systeem kan operaties uitvoeren met allerlei typen informatie.
2. De fonologische ‘loop’ bevat de akoestische codering van informatie in het werkgeheugen.
   Uit onderzoek blijkt dat het akoestisch onthouden van letters (klank) in plaats van vorm meespeelt bij herhaling. Een lijst met woorden die hetzelfde klinken zijn moeilijker te onthouden. De fonologische ‘loop’ bestaat uit de kortlevende akoestische opslag en de articulatie component die een rol speelt bij akoestische herhaling. De fonologische loop kan dus enkel operaties uitvoeren op auditieve informatie.
3. Het visuospatiële kladblok loopt parallel met de fonologisch ‘loop’ en is verantwoordelijk voor de opslag van puur visuele en visuospatiële informatie.
   Uit onderzoek naar de akoestische en visuospatiële code komt geen interferentie van beide naar voren, wat erop duidt dat het twee onafhankelijk subsystemen zijn.

Uit de cognitieve neurowetenschap komt bewijs voor het werkgeheugen naar voren. Elk onderdeel uit het werkgeheugen kan apart door schade worden beïnvloed. Laesies in de linker supramarginale gyrus leiden tot problemen in het fonologische werkgeheugen. De auditieve verbale geheugen spanne neemt af. Het herhalingsproces in de fonologische ‘loop’ hangt samen met het linker premotor gebied. Het linker hemisferisch netwerk, de laterale frontale en inferiore pariëtale kwabben worden geactiveerd ten behoeve van het fonologisch werkgeheugen.

Hersenbeschadiging in de pariëto-occipitale gebieden in beide hemisferen hebben effect op het visuospatiële schetsblok. Beschadiging in de rechterhemisfeer leidt tot meer problemen in het visueel spatieel korte termijn geheugen. Laesies in het rechter pariëto-occipitaal gebied leiden tot problemen met non-verbale visuospatiële taken voor het werkgeheugen. Deze beschadigingen in de linker hemisfeer leiden tot problemen in het korte termijn geheugen voor visueel gepresenteerd linguïstisch materiaal. Deze bevindingen duiden erop dat deze hogere mentale processen producten zijn van hemisferische specialisatie.

Ook beeldvormend onderzoek steunt het idee; middels gebruik van PET onderzoek vonden Smith en zijn collega’s een dissociatie tussen hersengebieden bij het uitvoeren van een spatiële versus een verbale taak. Gezoende deelnemers kregen ofwel een spatiële onthoud taak of een verbale. Deelnemers moesten oordelen of het target overeen kwam met het eerder getoonde beeld. Tijdens het uitvoeren van een spatiële taak is er vooral activatie in de inferolaterale  frontale cortex van de linker hemisfeer bij de verbale taak, en activatie van de rechter hemisfeer bij de spatiële taak.

Modellen voor het lange termijn geheugen

Het lange termijn geheugen kan worden onderverdeeld in twee delen, het declaratief geheugen en het  non-declaratief geheugen.

Het declaratief geheugen bevat de kennis over personen en de wereld. Er is bewuste toegang tot het declaratief geheugen mogelijk. Het declaratief geheugen valt uiteen in het episodisch geheugen en het semantisch geheugen. Het episodisch geheugen is het persoonlijk en autobiografisch geheugen en omvat het bewustzijn van gebeurtenissen in het verleden. Het semantisch geheugen bevat kennis over de wereld die ook kan worden opgehaald in situaties die anders zijn dan de situatie waarin de kennis is opgedaan.

Het non-declaratief geheugen omvat kennis waar geen bewuste toegang toe mogelijk is. Het non-declaratief geheugen valt uiteen in het procedureel geheugen, het perceptueel representatie systeem, klassieke conditionering en niet-associatief leren. Het procedureel geheugen is betrokken bij het leren van cognitieve en motorische vaardigheden. Het perceptueel representatie systeem draagt bij aan de inprenting van de structuur en vorm van objecten door eerdere ervaringen. Bij klassieke conditionering wordt de geconditioneerde stimulus samengevoegd met de ongeconditioneerde stimulus wat leidt tot een zelfde respons. Het niet-associatief leren omvat habituatie en gevoelig worden (sentization) voor gebeurtenissen die zichzelf herhalen.

Samenvatting van geheugenmodellen

Veel geheugen theorieën maken twee onderscheidingen m.b.t hoe we informatie leren en onthouden. De eerste is dat je verschillende vormen van geheugen kunt onderscheiden als je kijkt naar hoelang de informatie wordt onthouden. Je maakt dan onderscheid in sensorisch geheugen, KTG en LTG. De tweede onderscheiding is dat je kunt kijken naar de inhoud van de herinneringen. Zo kun je verschillende vormen van LTG vinden; declaratief en non-declaratief. Welke op hun beurt ook weer te specificeren zijn. De vraag blijft echter of al deze theoretische onderscheidingen ook terug te vinden zijn in aparte neurale circuits in onze hersenen.

Geheugen en onze hersenen

Menselijk geheugen, hersenbeschadiging en amnesie

Amnesie is de term die wordt gebruikt bij een tekort in het geheugen als gevolg van hersenbeschadiging en kan betrekking hebben op verschillende delen van het geheugen. Zo kunnen mensen problemen ervaren bij het leren van informatie, maar ook bij het herinneren van al eerder geleerde informatie.

• Operaties met geheugen verlies tot gevolg

Eind jaren ’40 en beging jaren ’50 werden neurologische en psychiatrische ziektes behandeld door verschillende neurochirurgische procedures zoals prefrontale lobotomie, corpus callosotomie, amygdalotomie en het verwijderen van de temporale kwab. Verwijdering van het mediale deel van de temporale kwab inclusief de hippocampale formatie heeft effect op het geheugen. Des te verder lateraal, des te erger de amnesie. Deze gevolgen zijn alleen gevonden bij bilaterale verwijdering.

Bij patiënt H.M. werd het mediale deel van de temporale kwab inclusief de hippocampale formatie verwijderd. H.M. Kon geen nieuwe informatie meer opslaan in het geheugen, maar had een normaal korte termijn geheugen, bestaande uit werkgeheugen en sensorische geheugen, en een normale ‘digit span’ van 7 chunks van informatie die men direct kan onthouden en vasthouden in het korte termijn werkgeheugen.

• Amnesie en de mediale temporaal kwab

Het mediaal temporaal gebied bestaat uit de amygdala, de hippocampus, de entorhinale cortex en de omliggende parahippocampale en perirhinale corticale gebieden. In 1953 dacht men dat bij patiënt H.M. de hippocampus bilateraal was verwijderd. Een MRIscan was niet mogelijk omdat H.M. metalen klemmen in de hersenen had en het niet zeker was of deze klemmen ferromagnetisch waren.

In dat geval zou een MRIscan fataal zijn geweest voor H.M. Corkin heeft vastgesteld dat de klemmen niet ferromagnetisch waren en heeft in 1997 vastgesteld dat de helft van de posteriore gebieden van de hippocampus nog intact waren, maar inmiddels door atrofie beschadigd waren.

Patiënt R.B. heeft hersenbeschadiging na een ischemische episode waarbij minder bloed in een bepaald deel van de hersenen komt. Als gevolg hiervan heeft R.B. anterograde amnesie, hij kan geen nieuwe herinneringen vormen. Ook heeft hij retrograde amnesie voor een periode van één tot twee jaar voor de hersenbeschadiging. R.B. heeft alleen laesies in de hippocampus, bij de CAI piramidale cellen.

Uit deze casussen komt naar voren dat de hippocampus cruciaal is voor het vormen van nieuwe herinneringen in het lange termijn geheugen.

• Korsakoff en diencephalon amnesie

Korsakoff heeft patiënten met anterograde en retrograde amnesie als gevolg van alcoholisme onderzocht. Langdurig alcoholmisbruik leidt tot een vitaminetekort, wat weer leidt tot hersenbeschadiging. Het is dus niet zo dat de alcohol zelf direct verantwoordelijk is voor de hersenschade. Patiënten met het Korsakoff syndroom naar aanleiding van alcoholmisbruik hebben degradatie van het diencefalon, vooral in de dorsomediale nucleus van de thalamus en de mammilaire lichamen. Het is niet duidelijk of dit allemaal effect heeft op de amnesie. Wel is duidelijk dat degradatie van het diencefalon amnesie tot gevolg heeft.

De symptomen van de amnesie die je bij korsakoff vind komen overeen met die van schade aan de mediale temporaal kwab. Bij beide typen zie je een verlies van declaratief geheugen en een gespaard non-declaratief geheugen.
 

• Alzheimer

Mensen met alzheimer hebben last van plaques en tangles in hun hersenen. Alzheimer wordt vooral geconstateerd bij mensen boven de 65. Uit onderzoek komt naar voren dat de hippocampus bij deze mensen sneller achteruit gaat dan dat je vind bij gezonde mensen die ouder worden. De plaques en tangles vind je vooral in het mediale temporale gebied. Ook werd gevonden dat de atrofie in de mediale temporale kwab sterk gerelateerd is aan de achteruitgang in het episodisch geheugen die patiënten met alzheimer ervaren. Waarschijnlijk komt de moeite met het vormen van nieuwe episodische herinneringen voort uit een gestoorde connectiviteit tussen de hippocampus en de prefrontale cortex, als gevolg van afname van Ach cellen.

• Geheugen consolidatie, de hippocampus en de neocortex

De term consolidatie verwijst naar de lange termijn opslag van herinneringen. In huidige modellen stelt men dat consolidatie uit meerdere fasen bestaat. Als eerste een snel proces gevolgd door een langer proces wat permanente consolidatie geeft. Bij mensen met hersenletsel wordt vaak gevonden dat de jongste herinneringen het vaakst zijn aangedaan. Men verklaard dit omdat deze herinneringen wel door de fase van snelle consolidatie heen zijn gegaan, maar nog niet door de langzame permanente fase. Zodoende zijn zij gevoeliger, dan oudere herinneringen die deze fase al wel door gegaan zijn. Sommige modellen stellen dat de neocortex cruciaal is voor consolidatie van lange termijn herinneringen ( langzame fase) en dat de hippocampus een belangrijke rol speelt bij de snelle fase.

• Amnesie en het maken van nieuwe declaratieve herinneringen

Inzichten die verkregen zijn door casus besprekingen laten zien dat patiënten met schade aan de mediale temporaal kwab of het diencephalon moeite hebben met het leren en onthouden van nieuwe informatie. Maar geld dit wel in gelijke mate voor semantische en episodische herinneringen? 

Patiënt H.M. had ernstige anterograde amnesie, maar hij was wel in staat om nieuwe informatie te leren. Zo kan hij bijvoorbeeld een plattegrond tekenen van het huis waarin hij woonde na zijn operatie. Patiënten met schade aan de mediale temporaal kwab (MTL) ervaren problemen in het verkrijgen van nieuwe episodische herinneringen, maar kunnen toch wat informatie nog leren. Zo leren ze bijvoorbeeld semantische informatie.

Patiënt K.C. heeft amnesie als gevolg van een motorongeluk op dertig jarige leeftijd. De hersenbeschadiging is gelokaliseerd in de mediale temporale kwab en frontale, pariëtale en occipitale cortices. De beschadigingen zijn groter in de linker hemisfeer. De intelligentie is gemiddeld, maar K.C. heeft tekorten in frontale kwab functies en spreekvaardigheid.

Het korte termijn geheugen is normaal. K.C. heeft anterograde amnesie en retrograde amnesie voor het episodisch geheugen van zijn hele leven. Het semantisch geheugen is intact voor algemene kennis van de wereld dat hij voor het ongeluk heeft geleerd. K.C. kan nieuwe informatie leren, maar weet niet hoe hij deze moet gebruiken.

Deze casussen lijken te impliceren dat semantisch en episodisch geheugen daadwerkelijk twee verschillende dingen zijn.

Yonelinas en Kroll stellen dat het vermogen van patiënten met amnesie om nieuwe informatie te leren voortkomt uit het vermogen om eerdere gebeurtenissen te herkennen.

• Amnesie en het verkrijgen van nieuwe non-declaratieve herinneringen

De seriële reactietijd taak is een test voor het procedureel leren. Proefpersonen drukken op knoppen die overeenkomen met de locatie van de stimulus, een rij oplichtende lampjes. Het impliciet leren van een bepaalde volgorde verbetert de prestatie in onderzoek bij gezonde proefpersonen. Dit omvat het procedureel geheugen zonder daarbij het verklarend geheugen hiervoor nodig is. Patiënten met amnesie kunnen nieuwe taken leren (procedureel geheugen) zonder de leersituatie te herinneren (episodisch geheugen). Het procedureel geheugen kan dus los van andere delen van het geheugen functioneren. Voor het procedureel geheugen met betrekking tot het leren van motorische vaardigheden, zijn waarschijnlijk de basale ganglia betrokken.

Ook priming is een voorbeeld van non-declaratief geheugen. Deelnemers krijgen een lijst woorden te zien en hun geheugen wordt getest op een expliciete of impliciete manier. De expliciete manier houdt in dat ze zich het geleerde materiaal moeten herinneren. Wanneer op een impliciete manier getest wordt, maakt men vaak gebruikt van een woord-completie taak. Deelnemers krijgen een aantal letters te zien en moeten daar een woord van maken. De fragmenten kunnen nieuwe woorden zijn of woorden die ook in de leerlijst stonden. Wanneer ze in de leerlijst stonden dan is de completie sneller en ze zijn beter. Hoewel de expliciete testvariant een daling in prestatie laat zien over tijd, doet de impliciete dit niet. Patiënten met amnesie als gevolg van schade aan de MTL kunnen de impliciete test gewoon doen. Dit levert bewijs voor een scheiding tussen declaratief en non-declaratief geheugen.

Diermodellen voor geheugen

Er is veel dieronderzoek gedaan naar de rol van de mediale temporale kwab in het lange termijn geheugen. Op basis van deze onderzoeken zijn diermodellen van het menselijk geheugen en amnesie opgesteld. Het is hierbij belangrijk in acht te nemen dat hersenen van apen en mensen significant verschillend zijn.

Uit onderzoek bij patiënten met amnesie is gebleken dat de amygdala geen onderdeel is van het episodisch geheugen, maar wel een rol speelt in emotie en emotionele herinneringen. Mishkin heeft onderzoek gedaan bij apen met laesies in de mediale temporale kwab en de amygdala. Hierbij is gebruik gemaakt van de vertraagde niet-matching voorbeeld taak. De aap zat in een kooi, met daarvoor een tafel met twee putjes, met de deur dicht. Zonder dat de aap het kon zien, werd over het putje met voedsel een object geplaatst. Na het openen van de deur, tilde de aap het object op om het voedsel te pakken. Na het sluiten van de deur werd hetzelfde object over een leeg putje gelegd en een ander object over het putje met voedsel. De aap werd hierna getraind voor het nieuwe object en metingen van leren en geheugen werden uitgevoerd.

Uit het onderzoek kwam naar voren dat het geheugen alleen beschadigd is als er ook laesies zijn in de hippocampus en amygdala. Deze rol van de amygdala in het geheugen klopt echter niet met informatie van patiënten met hersenbeschadiging. Kennelijk zijn er dus duidelijke verschillen in de manier waarop het brein van mensen en het brein van andere dieren werkt. Onderzoeksgegevens kunnen dus niet zomaar tussen soorten gegeneraliseerd worden.

Zola en Squire hebben onderzoek gedaan naar selectievere laesies. Laesies in de hippocampus en amygdala resulteren in de sterkste geheugen tekorten als de omliggende cortex ook aan een laesie was onderworpen. Zonder laesie van de omliggende cortex, had de laesie van de amygdala geen effect op geheugen. De amygdala zelf speelt dus geen rol in de verwerving in het lange termijn geheugen.

Zola heeft verder onderzoek gedaan naar laesies in de omliggende cortex in de perirhinale, entorhinale en parahippocampale gebieden. Deze laesies leidden tot slechtere prestaties in geheugen taken van de vertraagde niet-matching voorbeeld taak. Laesies in alleen de parahippocampale en perirhinale cortices bij mensen resulteren in significante geheugen tekorten.

Het is bekend dat de parahippocampale en perirhinale gebieden informatie ontvangen van de visuele, auditieve en somatosensore associatieve cortex en deze doorzenden naar de hippocampus. De werking van de hippocampus is afhankelijk van deze gebieden. Laesies waarbij deze gebieden betrokken zijn, resulteren in sterkere amnesie. Dit is zo omdat de gebieden betrokken zijn bij relatief veel verwerking.

Imaging van de menselijke hersenen en geheugen

fMRI onderzoek heeft laten zien dat de hippocampus actief is bij het encoderen van nieuwe informatie. Hiervoor wordt vaak gebruik gemaakt van de subsequent-memory-paradigm. Bij dit paradigma krijgen deelnemers items die ze moeten onthouden, hun hersenactiviteit wordt dan gemeten tijdens het encoderen van de items. Hierna wordt een geheugentest gedaan. Uit verschillende onderzoeken die deze methoden komt naar voren dat de hippocampus actief is bij het encoderen van de informatie die later correct herinnert wordt. Schade aan de hippocampus zou dus kunnen leiden tot problemen bij het encoderen van nieuwe informatie.

De hippocampus blijkt ook betrokken te zijn bij de retrieval (ophalen) van informatie uit het LTG. Wanneer informatie correct herinnert wordt, werd de hippocampus geactiveerd. In dit onderzoek werd ook weer gebruik gemaakt van het paradigma dat hierboven eerder werd beschreven.

Wheeler et al onderzochten welke hersendelen er betrokken zijn bij het ophalen van verschillende typen informatie. Deelnemers leerden een set van geluiden of plaatjes, elk geluid of plaatje was gelabeld. Na drie dagen werd er een geheugentest gedaan terwijl de deelnemers in een fMRI scanner lagen. De onderzoekers vonden dat tijdens de retrieval van plaatjes, regionen van de neocortex die tijdens perceptie actief waren, ook nu weer actief waren. Dit gold ook voor de geluiden. De neocortex is dus specifiek voor sensorische informatie.

Cabeza en Nyberg concluderen op grond van onderzoeken met PET en fMRI naar de encoding en het ophalen van episodische herinneringen, dat encoding is gerelateerd aan de linker prefrontale gebieden en de hippocampale gebieden en dat ophalen is gerelateerd aan de rechter prefrontale gebieden.

Grafton, Hazeltine en Ivry deden onderzoek naar procedureel motorische leren bij gezonde proefpersonen. Proefpersonen werden motorische volgorden impliciet aangeleerd met een duale taak of expliciet aangeleerd. De impliciete conditie leidde tot activatie van de motor cortex, de motorische gebieden in de linker hemisfeer, de putamen van de basale ganglia bilateraal, de prefrontale cortex en de pariëtale cortex. Tijdens de expliciete conditie werden de rechter dorsolaterale prefrontale cortex, de rechter premotor cortex, de rechter putamen en de pariëto-occipitale cortex bilateraal geactiveerd.

Bestudering van PET data en dieronderzoeken leert dat de motor cortex noodzakelijk is voor het impliciet procedureel leren van bewegingspatronen.

Cellulaire basis van leren en geheugen

De wet van Hebb of Hebbian learning houdt in dat als een synaps actief is terwijl het postsynaptische neuron actief is, de synaps sterker wordt. Dit wordt ook wel hebbiaans leren genoemd.

Lange termijn potentiaal en de hippocampus

Vanwege de rol van de hippocampus bij geheugen werd altijd gedacht dat de neuronen in dit gebied plastisch moesten zijn. Er is lang gezocht naar een mogelijk mechanisme achter deze plasticiteit. Toen dachten mensen dat herinneringen echt in de hippocampus opgeslagen werden. Vandaag de dag weten we beter, ondanks dat zijn de modellen van toen nu nog bruikbaar, omdat hetzelfde cellulaire mechanisme ook in andere hersengebieden plaatsvindt.

De drie grote neurale onderdelen die de hippocampus prikkelen zijn:

1. Het perforante pad: vormt prikkelende verbindingen tussen de parahippocampale cortex en de granule cellen van de dentate gyrus.
2. De mosachtige vezels: verbinden de granule cellen van de dentate gyrus met de CA3-piramidale cellen.
3. Schaffer collaterals: verbinden de CA3-piramidale cellen met de CA1-piramidale cellen.

Uit onderzoek van Bliss en Lømo komt naar voren dat het stimuleren van de axonen in het perforante pad bij konijnen leidt tot grotere en langer durende EPSPs, excitatoire postsynaptische potentialen. Dit effect staat bekend als het lange termijn potentiaal, LTP. Het LTP is ook voor de andere twee paden gevonden en kan uren tot dagen duren.

Wanneer een zwakke input en een sterke input tegelijkertijd een cel bereiken, wordt de zwakke synaps sterker. Wanneer een tweede zwakke input op hetzelfde moment de cel bereikt, maar niet met de sterke input actief is, vindt er geen LTP plaats voor de tweede zwakke input.

Er bestaan drie regels voor de associatieve LTP:

1. Coöperatie: er moet meer dan één input tegelijkertijd actief zijn.
2. Associatie: de zwakke input wordt alleen sterker als deze samen met een sterke input plaatsvindt.
3. Specifiteit: alleen de synaps die gestimuleerd wordt vertoond dit effect.

De NMDA-receptoren spelen een rol bij het ontstaan van een LTP, maar niet bij het vasthouden van een LTP.

Het blokkeren van LTP in de hippocampus bij muizen resulteert in problemen met leren en spatieel geheugen. De rol van LTP bij leren en geheugen is niet duidelijk vanwege tegenstrijdige resultaten en conclusies van verschillende onderzoeken.

Hoofdstuk 9. Emotie

Patiënte S.M. was 20 jaar toen zij erachter kwam dat ze atrofie aan haar amygdala had. de schade bleek bilateraal te zijn. De zeldzame genetische ziekte Urbach-Wietze zorgt voor een opeenstapeling van calcium in de mediale temporaal kwab waardoor er atrofie van de amygdala ontstaat.

Op standaard metingen van neuropsychologisch functioneren deed S.M. het eigenlijk heel normaal. Ook haar intelligentiescore liet geen afwijkingen zien. Wanneer S.M. gevraagd werd om gezichten te beoordelen op emotie scoorden ze niet afwijkend van gezonde personen, op een emotie week ze echter wel af: angst. Wel kon ze angst omschrijven en situaties waarin mensen angst ervaren, het was dus geen conceptueel probleem. Ook het tekenen van een angstig gezicht op papier lukte haar niet, terwijl dit bij andere emoties wel lukte.

Uit deze casus kun je twee lessen trekken. De eerste is dat de amygdala een belangrijke rol moet spelen bij de emotie angst. De tweede is dat het mogelijk is dat een bepaalde emotie gestoord is, terwijl dit voor anderen niet geld. Dit zegt iets over de neurologische basis van emotie.

De cognitieve neurowetenschap van emotie

Basis emoties

Darwin gaat uit van een aantal basisemoties: vrolijkheid, verdriet, angst, walging, woede en verrassing. Elk van deze emoties heeft een karakteristieke gezichtsuitdrukking en deze is universeel. Een andere manier om categorisatie van emoties aan te pakken is door een emotie als een dimensie te zien, twee factoren zijn hier van belang: de mate van arousal en de valentie (positief – negatief). Davidson maakte een ander dimensioneel onderscheid, namelijk tussen benadering en terugtrekking als reactie op emotie. Geen van deze bovenstaande benaderingen is volledig in het omvatten van de emotionele  ervaring.

Neurale systemen bij emotie verwerking

Het limbisch systeem

Papez benoemde een neurale netwerk dat betrokken is bij emotie . Onder dit systeem vallen de hypothalamus, anterieure thalamus, cingulate gyrus, en de hippocampus. MacLean breidde dit idee uit. Hij stelde een model voor van het limbische systeem dat meer beschrijvend dan functioneel is gebleken. Naast de structuren die Papez had benoemd stelde hij ook dat de amygdala, orbitofrontale cortex en delen van de basale ganglia deel uit maakte van het limbisch systeem. MacLean beschreef dit als een ‘emotioneel brein’, één neuraal netwerk dat zich bezig zou houden met emotie. Inmiddels weten we door verschillende onderzoeken dat dit niet het geval, maar dat het gaat om een complexe interactie tussen verschillende neurale netwerken. Het netwerk dat betrokken is bij een emotie hangt af van de situatie of van de taak.

De amygdala

De amygdala ligt vlak bij de hippocampus in de mediale temporale kwab. De eerste onderzoekers die veronderstelden dat de amygdala betrokken was bij emotie zijn Klüver en Bucy. Zij kwamen tot de conclusie dat apen bij wie deze structuren waren beschadigd geen angstreactie meer vertonen op objecten die normaal gesproken angst opwekken. Tegenwoordig wordt de amygdala voornamelijk gezien als van belang bij emotioneel leren en geheugen.

• Impliciet emotioneel leren

Als een stimulus die voorheen neutraal was wordt gekoppeld aan een vervelende gebeurtenis, zul je je de volgende keer dat je die neutrale stimulus tegenkomt weer onprettig gaan voelen. Dit heet ook wel angstconditionering. Van dit paradigma wordt veel gebruik gemaakt bij het onderzoeken van emotioneel leren, omdat het bij veel soorten hetzelfde werkt (mensen, ratten etc).

Om het in termen van de principes van conditionering uit te leggen: een ongeconditioneerde stimulus (bijvoorbeeld eten) wordt steeds vooraf gegaan door een geconditioneerde stimulus (bijvoorbeeld een belletje).

Naar verloop van tijd gaat het dier dezelfde reactie vertonen op het horen van het belletje(geconditioneerde respons) als op het aanbieden van het eten (ongeconditioneerde respons), in dit geval kwijlen.

Het aanleren van angst gaat het ook zo. Dat wordt duidelijk in het geval van Little Albert. Dit kleine jongetje werd een harde toon (dit roept angst op)  gekoppeld aan het zien van een rat. Door deze procedure een aantal keren te herhalen, werd het kind bang voor de rat, terwijl dat voor het experiment niet het geval was. De startle reflex wordt sterker als er een negatieve stimulus in de buurt is of als de persoon in een angstige staat verkeerd. De geconditioneerde reactie kan ook weer afgeleerd worden (extinctie) door de geconditioneerde stimulus enige keren aan te bieden zonder de ongeconditioneerde stimulus.

Beschadiging van de amygdala zorgt ervoor dat de patiënt of rat niet langer in staat is tot een geconditioneerde angstreactie (niet leren en niet uiten). De laterale nucleus van de amygdala vormt de associaties die ten grondslag liggen van dergelijke aversieve  conditionering. De centrale nucleus van de amygdala zorgt voor het initiëren van een emotionele reactie wanneer dit nodig is.

LeDoux stelt twee verschillende routes voor waarop informatie de amygdala kan bereiken. In de snelle, onnauwkeurige route loopt sensorische informatie direct via de thalamus naar de amygdala. In de langzame, nauwkeurige route loopt de sensorische informatie via de thalamus naar de sensorische cortex voor verdere analyse en dan pas door naar de amygdala.

Patiënten met schade aan de amygdala vertonen geen anticiperende angst ondanks het feit dat ze zich wel bewust zijn van de aankomende aversieve stimuli. Oftewel, het expliciete geheugen is intact, het impliciete geheugen is verstoord. Bij schade aan de hippocampus is dit patroon  andersom. Dit laat zien dat de amygdala een belangrijke rol speelt bij impliciet leren en de expressie, maar de structuur speelt niet bij alle vormen van leren en geheugen een rol.

• Expliciet emotioneel leren en geheugen

De amygdala maakt deel uit van een netwerk van structuren, met name met de hippocampus. De amygdala is belangrijk voor impliciete emotionele reacties op stimuli waarvan de betekenis expliciet geleerd is. En de amygdala kan de sterkte van expliciete herinneringen vergroten.

Bij mensen gebeurt veel emotioneel leren niet door directe ervaring, maar door wat we van anderen horen. Dit heet ook wel geïnstrueerde angst. Bij geïnstrueerde angst wordt de betekenis van de stimuli expliciet geleerd en dat geldt ook voor de bijbehorende emoties. Ook als angst op deze manier geleerd wordt, speelt de amygdala een rol in het indirect uiten van emotie in reactie op een aversieve stimulus.

Phelps liet zien dat ondanks dat impliciet leren afhankelijk is van de hippocampus, de amygdala een rol speelt in de expressie van angstreactie. Deelnemers namen deel aan een geïnstrueerd angst paradigma. Aan hen werd vertelt dat sommige blauwe vierkanten gepaard gaan met een schok. Deelnemers met schade aan de amygdala kunnen dit rapporteren, maar laten niet zoals gezonde deelnemers een startle reflex zien als het blauwe vierkant in beeld komt.

Lang blijvende herinneringen zijn de herinneringen aan belangrijke gebeurtenissen, deze herinneringen brengen vaak ook emoties met zich mee. Hierdoor zijn dergelijke herinneringen verbonden aan amygdala activiteit. De amygdala speelt een modulerende rol bij het versterken van declaratief geheugen, arousal werkt als het ware versterkend. Ook na de eerste encodering heeft arousal nog een modulerend effect, de amygdala speelt dus voornamelijk bij het behoud van de herinnering een rol en niet bij de eerste encodering. De basolaterale nucleus van de amygdala speelt een belangrijke rol bij de consolidatie van herinneringen. Bij patiënten met schade aan de amygdala is dit proces dus verstoord.

We onthouden arousende gebeurtenissen beter dan niet – arousende gebeurtenissen, bij patiënten met schade aan de amygdala maakt het geen verschil. Chronische stress of extreme arousal hebben juist een negatieve invloed op de prestatie van het hippocampale geheugensysteem. Dit komt door de invloed van stresshormonen.

• Sociale responsen

De amygdala lijkt niet belangrijk te zijn voor de meeste expliciete evaluaties (iets als goed/slecht labelen). Maar er zijn een paar uitzonderingen. Zo is de amygdala bijvoorbeeld wel betrokken bij het evalueren van gezichtsuitdrukkingen. Patiënten met schade aan de amygdala hebben met name moeite met het evalueren van angstige gezichten. Ook als proefpersonen zich niet bewust zijn van de aanbieding van een angstig gezicht is de amygdala actief. De amygdala is ook betrokken bij de beoordeling van hoe betrouwbaar en benaderbaar een persoon is.

De amygdala wordt ook  geactiveerd bij het categoriseren van mensen in groepen (social grouping). Ondanks dat dit voordeel kan bieden, kan het ook tot raciale stereotypering leiden. Raciale bias wordt vaak indirect gemeten met de impliciete associatie test (IAT). Deelnemers krijgen dan foto’s te zien die ze moeten classificeren en ze moeten reageren op positieve en negatieve woorden.

De amygdala reageert niet alleen op negatieve stimuli. Daarnaast is de amygdala lang niet de enige structuur die betrokken is bij emotie. Een voorbeeld van zo’n structuur is bijvoorbeeld de orbitofrontale cortex, volgens Damasio is er een interactie tussen de structuren die bijdraagt aan het maken van emotionele beslissingen.

Andere hersendelen die bij emotie betrokken zijn

Angst

Uit onderzoek komt naar voren dat de orbitofrontale cortex een rol speelt bij het expliciet labelen van boze gezichten.

Verdriet

Recent onderzoek laat zien dat schade aan de rechter amygdala een grotere beperking geeft in het herkennen van sombere gezichten, dan schade aan de linker kant van de amygdala. In andere onderzoeken wordt er geen relatie gevonden tussen de amygdala en verdriet. Het is lastig om hier conclusies uit te trekken, de verschillende onderzoeken zijn namelijk lastig te vergelijken.

Walging

Bij deze emotie zijn er geen tegenstrijdige resultaten, men is het er over eens dat de anterieure insula een rol speelt bij walging. De activiteit van de insula blijkt even hoog te zijn als mensen walging zelf ervaren of als ze iemand anders walging zien ervaren. Emotie speelt dus een rol bij empathie en theory of mind.

Hoofdstuk 10. Taal

Taal is één van de meest complexe prestaties van de menselijke hersenen. Het is erg moeilijk gebleken de systemen en specificaties in de menselijke hersenen te ontdekken die een rol spelen bij taal.

Theorieën over taal

Opslag van woorden en concepten: het mentale lexicon

Het mentale lexicon is de mentale opslag van informatie over woorden. Dit bestaat uit de semantische informatie, de syntactische informatie en details over woordvormen. Semantische informatie heeft betrekking op de betekenis van het woord, syntactische informatie op hoe woorden kunnen worden gecombineerd tot zinnen en woordvormen hebben betrekking op spelling en klankpatronen. De meeste psycholinguistische theorieën stellen dat er een mentaal lexicon aanwezig is, maar de ene theorie stelt dat er een voor taalbegrip en productie is terwijl andere theorieën stellen dat er input en output lexica zijn.

In theorieën over taal moet ook rekening worden gehouden met de representatie van orthografische (visuele) en fonologische (auditieve) vormen.

Soms wordt het mentale lexicon wel eens vergeleken met een woordenboek. Maar dit is geen juiste vergelijking want het mentaal lexicon heeft geen vaste inhoud van woorden, woorden kunnen namelijk worden vergeten en geleerd. Daarnaast is een woordenboek op alfabethische volgorde georganiseerd, dit geld niet voor het mentale lexicon. Je zou dan namelijk moeten vinden dat je woorden met de a sneller kunt benoemen, dan woorden met de m. Een laatste verschil is dat woorden die vaker worden gebruikt sneller kunnen worden opgehaald.

Het proces van toegang krijgen tot een woord in ons lexicon wordt beïnvloed door het buurfeffect (neighborhood effect).

 De auditieve omgeving van een woord bestaat uit het aantal woorden dat verschilt van het doelwoord met één foneem. Een foneem is de kleinste geluidsunit die de betekenis van een woord verandert. Een voorbeeld hiervan is dat we in Nederland onderscheid maken tussen de l en de r, maar in Japan doen ze dit niet, l en r hebben hier dezelfde klank. Een woord dat meer buren heeft, zal lastiger geïdentificeerd worden. Mogelijk vindt er competitie plaats tussen het doelwoord en de auditieve omgeving bij het herkennen van gesproken taal. Het mentaal lexicon is waarschijnlijk opgebouwd als informatie specifieke netwerken.

Levelt heeft een lexicaal netwerk als model voorgesteld. Dit is een informatie specifiek netwerk voor het lexeem niveau, de wordvorm, en het lemma niveau en de grammaticale eigenschappen van het woord. Het lemma niveau bevat ook semantische specificaties, de verbindingen tussen het lemma niveau en het conceptueel niveau (zie figuur 10.1 blz 390).

Bij onderzoek naar semantische inprenting is gebruik gemaakt van de lexicale beslissingstaak. Tijdens de semantische inprentingtaak werden paren van woorden getoond. Het eerste woord, inprentingwoord, was een echt woord. Het tweede woord kon een echt woord, niet echt woord of pseudo-woord zijn. Bij het tweede woord moest worden aangegeven of dit een echt woord was of niet door het indrukken van een knop. Proefpersonen gaven een beter en sneller oordeel als het eerste woord gerelateerd was aan het tweede woord.

In eerste instantie werden deze effecten toegeschreven aan ASA, de autonome spreiding van activatie. Inprenting blijkt echter voort te komen uit meer dan dat.

Verwachting geïnduceerde inprenting vindt plaats wanneer tussen de ingeprente stimulus en de doel stimulus meer dan 500 milliseconden is en er veel aan elkaar gerelateerde woordparen voorkomen in de woordenlijst. Proefpersonen verwachten een gerelateerde doelstimulus te krijgen. Als dit klopt, is de reactietijd korter. Een ander proces dat zich voor kan doen is semantische matching. Hierbij probeert een proefpersoon de doelstimulus te matchen op betekenis en geeft hierdoor sneller bevestigende antwoorden. Het proces van semantische matching is postlexicaal, het gebeurd nadat er toegang is tot de representatie in het mentale lexicon.

Semantische kennis verschilt van linguïstische kennis, want een woord zoals bank kan meerdere betekenissen hebben. Het semantische geheugen is belangrijk voor het begrip en de productie van taal, maar niet hetzelfde als het mentaal lexicon. Onderzoekers hebben nog geen overeenstemming bereikt over de aard van semantische en conceptuele representaties. Mogelijk bestaat er een uniform semantisch systeem dat gebruik maakt van verbale of perceptuele invoer, of maakt het systeem gebruik van zowel verbale als perceptuele invoer. Tot op heden is het wetenschapper echter nog niet gelukt om hier duidelijkheid over te krijgen. Wellicht dat inzichten vanuit de cognitieve neurowetenschap hier in de toekomst een bijdrage aan kunnen leveren.

Volgens het model van Collins en Loftus is de betekenis van woorden opgeslagen in een semantisch netwerk waarbij woorden door conceptuele knopen zijn verbonden. De sterkte en lengte van de verbinding wordt hierbij bepaald door de semantische of associatieve relatie tussen woorden. Het woord konijn zal een sterke connectie hebben met de knoop die het woord wortel representeerd. Belangrijke assumptie bij dit model is dat activatie zich van de ene conceptuele knoop naar de andere knoop verspreid. Knopen die dichter bij elkaar liggen zullen meer van die activatie kunnen profiteren, dan knopen die verder weg liggen. Dit verklaard waarom je bij het horen van het woord bank sneller kan reageren op een gerelateerd woord zoals stoel, maar niet op het woord tulp.

Door naar mensen met stoornissen te kijken, kunnen we leren over de functionele organisatie van het mentale lexicon.

Patiënten met Wernickes afasie hebben vaak schade aan de posterieure delen van de linker hemisfeer.  Ze maken fouten in de spraakproductie die men semantische parafrasie noemt,.. Bijvoorbeeld: Iemand bedoelt ‘koe’, maar zegt ‘paard’. Mensen met diepe dyslexie maken dit soort fouten met lezen, ze lezen bijvoorbeeld koe als er paard staat geschreven. Patiënten met progressieve semantische dementie hebben tekorten in het conceptueel systeem, maar geen problemen met andere mentale en taalvaardigheden. Ook hebben deze patiënten moeite om een object toe te wijzen aan een semantische categorie. Bij het benoemen van een plaatje noemen ze vaak de categorie; het zien van een konijn zullen ze zeggen knaagdier. Progressieve semantische dementie wordt geassocieerd met progressieve beschadiging aan de temporale kwab, met name in de linker hemisfeer.

Warrington heeft onderzoek gedaan bij patiënten met laesies in de inferiore en mediale temporale cortex. De patiënten hebben moeite met het wijzen naar en benoemen van plaatjes van levende objecten in tegenstelling tot objecten die door de mens gemaakt zijn, ook wel artifacten genoemd. Patiënten met de tegenovergestelde tekorten zijn bekend, maar minder voorkomend. Waarschijnlijk zijn bij deze tekorten de linker parietale en frontale gebieden betrokken. Deze uitkomsten komen overeen met de hypothese van Warrington: problemen bij de patiënten laten zien dat informatie wordt opgeslagen met verschillende woorden in een semantisch netwerk.

Farah en McClelland hebben een computationeel model ontworpen waarbij het semantisch geheugen bestaat uit een apart visueel subsysteem met representaties van levende dingen en een functioneel subsysteem met representaties van niet-levende dingen. ‘Laesies’ in de visuele eigenschappen van het model leiden tot moeite met de verwerking van levende dingen. Dit steunt dus het idee dat er sprake is van een modaliteit specifieke organisatie van het semantisch netwerk.

Camarazza heeft een alternatieve theorie voorgesteld die het voorstel van Warrington juist uitdaagd. In de voorgaande onderzoeken is niet gecontroleerd voor visuele complexiteit, visuele overeenkomsten, frequentie van gebruik en vertrouwdheid van het object. Het semantische netwerk is volgens Camarazza georganiseerd op basis van conceptuele categorieën van levende en niet-levende dingen. Deze theorie is gebaseerd op patiënten met hersenbeschadigingen.

Martin heeft onderzoek uitgevoerd met behulp van fMRI en PET bij proefpersonen zonder neurologische tekorten. Proefpersonen werden gevraagd namen op te lezen van dieren, vragen te beantwoorden over dieren en plaatjes van dieren te benoemen. Deze taken leidden tot activatie van het laterale deel van de fusiforme gyrus en superiore temporale gyrus. Het benoemen van plaatjes van dieren leidde ook tot activatie in de vroege stadia van visuele verwerking, de linker mediale occipitale kwab. Het herkennen en benoemen van gereedschap leidde tot activatie van het mediale deel van de fusiforme gyrus, de linker midden temporale gyrus en de linker premotor gebieden. De linker premotor gebieden worden ook geactiveerd bij het inbeelden van handbewegingen. Deze bevindingen komen dus overeen met het idee dat er een conceptuele represenatie is van levende dingen versus mens-gemaakte dingen.

Onderzoek van Damasio heeft bewijs geleverd voor de theorie van categorale specifieke tekorten.

 Patiënten werden gevraagd beroemde gezichten, dieren en gereedschappen te benoemen. Er werd onderscheid gemaakt tussen conceptuele problemen en problemen met woorden ophalen. Als wel de kenmerken konden worden beschreven, maar het plaatje niet kon worden benoemd, werd dit genoteerd als benoemingsfout. Beschadiging in de linker temporale pool (TP) resulteerde in problemen bij het ophalen van namen van personen. Beschadiging in het anteriore deel van de linker inferiore temporale kwab (IT) resulteerde in problemen met het benoemen van dieren. Beschadiging in het posterolaterale deel van de linker inferiore temporale kwab en de laterale temporo-occipito-pariëtale samenkomst (IT+) resulteerde in problemen bij het ophalen van namen van gereedschap. Onderzoek bij gezonde proefpersonen laat verhoogde activiteit van TP zien bij het benoemen van personen, verhoogde activiteit van IT bij dieren en verhoogde activiteit van IT+ bij gereedschap. Dit onderzoek geeft een weergave van organisatie op lexicaal niveau.

Er zijn drie niveaus van representatie van woordkennis volgens het onderzoek van Damasio:

3. Preverbaal niveau: semantische kenmerken van een woord
4. Lexicaal niveau: woordvorm komt overeen met concept
5. Fonologisch niveau: klank en geluidsinformatie die overeenkomt met het woord.

Volgens Damasio zijn binnen de conceptuele netwerken neuronale structuren in de rechter en linker hemisfeer verbonden met lexicale netwerken in de linker temporale kwab.

Perceptuele analyse van linguïstische input

Er zijn verschillen in verwerking van gesproken en geschreven input, maar ook overeenkomsten. Een gesproken woord wordt eerst akoestische geanalyseerd, waarna de fonologische input code volgt en activatie van de auditieve woord vorm. Een geschreven woord wordt eerst visueel geanalyseerd, waarna de orthografische inputcode de visuele woordvorm activeert en tegelijkertijd na de visuele analyse de fonologische inputcode de auditieve woordvorm activeert. Na activatie van de auditieve woordvorm, de visuele woordvorm of beide, volgt lexicale selectie. Dit is het selecteren van de mentale representatie die het beste overeenkomt met de input. De geselecteerde woordvorm activeert de lemma en vervolgens de woordbetekenis.

Gesproken taal bestaat uit fonemen, waarbij gebruik wordt gemaakt van het fonetisch alfabet. Er zijn drie factoren die gesproken taal bepalen:

• Stemhebbend maken: klinkers worden allemaal uitgesproken, maar niet alle medeklinkers.
  Er zijn twee delen die het spraakgeluid van medeklinkers bepalen:
• Punt van articulatie: deel van het spreekapparaat dat hiervoor gebruikt wordt, bijvoorbeeld de lippen of tong
• Manier van articulatie: manier waarop de luchtstroom wordt veranderd.

Bij de verwerking van gesproken taal moet ook rekening worden gehouden met de variatie in sprekers van dezelfde woorden. De fonemen worden niet gescheiden, maar er zijn soms korte onderbrekingen in de uitspraak van een woord. Anderzijds zijn er soms weinig onderbrekingen tussen woorden in zinnen. Kortom, er bestaat een grote variabiliteit aan input.

Er zijn verschillende theorieën met betrekking tot de verwerking van gesproken taal. Volgens sommige theorieën zijn de representatie gevormd op basis van fonemen; op basis van de frequentie van het signaal of op basis van de manier waarop de spreker de fonemen uitspreekt. Ook zijn er theorieën die veronderstellen dat verwerking plaats vindt op basis van prosodische informatie, datgene wat de luisteraar opmaakt uit het ritme van de spraak en de toonhoogte.

Cutler en collega’s onderzochten hoe mensen gesproken zinnen kunnen segmenteren. Uit onderzoek van Cutler komt naar voren dat Engelse luisteraars gebruik maken van lettergrepen met een bepaald accent op de grenzen van een woord. In de Franse en Nederlandse taal zijn de lettergrepen belangrijker dan de accenten.

De superiore temporale kwab speelt een belangrijke rol in de perceptie van geluid.

Pure woorddoofheid komt voor bij patiënten met bilaterale laesies in alleen de superiore delen van de temporale kwab. Deze patiënten hebben specifieke problemen met het herkennen van gesproken geluiden.

Gesproken taal komt aan bij het oor waarna eerst verwerking via de algemene auditieve paden plaatsvindt. Bij de onderscheiding van gesproken geluid speelt het middengedeelte van de superior temporale sulcus in beide hemisferen een rol. Dit is bevestigd door onderzoek van Binder. In dit onderzoek werd gevonden dat dit gebied niet alleen betrokken was bij lexicasemantische aspecten van de verwerking van woorden. Het gebied werd namelijk ook geactiveerd door pseudo-woorden.

Er zijn drie verschillende manieren waarop woorden kunnen worden gesymboliseerd in schrift:

4. Alfabetische systeem: westerse talen. In dit systeem benaderen de symbolen de fonemen. Hoe dicht het symbool en geluid bij elkaar liggen is afhankelijk van de taal.
5. Syllabisch systeem: Chinees en Japans. Een symbool geeft een lettergreep weer.
6. Logografisch systeem: Chinees. Een symbool geeft een heel woord weer.

Selfridge heeft het Pandemonium model voor letterherkenning voorgesteld. Volgens dit model wordt de sensorische input tijdelijk opgeslagen in het iconische geheugen als ‘image demon’. Het ‘image demon’ wordt vergeleken met de 28 ‘feature demons’ die de verschillende kenmerken van letters weergeven. De geactiveerde ‘feature demons’ vormen de ‘cognitieve demons’, de mogelijk weergave van de input. De beste overeenkomst vormt de ‘decision demon’.

McClelland en Rumelhart hebben een alternatief computationeel model voorgesteld dat van groot belang is geweest bij de visuele herkenning van letters. In dit model bestaan drie niveaus van representatie; niveau van de eigenschappen van letters uit woorden, niveau van letters en een niveau voor de representatie van woorden. Binnen dit model kan topdown informatie eerdere niveaus beïnvloeden, het hiervoor beschreven model stelt dat er alleen sprake is van bottom-up invloed. In het model van McClelland en Rumelhart vindt parallelle verwerking plaats in tegenstelling tot de seriële verwerking in het model van Selfridge. Het model van McClelland en Rumelhart kan goed het woord superioriteit effect nabootsen. Proefpersonen kunnen een letter in een woord beter herkennen bij een echt woord dan bij een niet bestaand woord. Ook kunnen proefpersonen een letter beter herkennen in een woord dan wanneer er sprake is van een losstaande letter. Woorden worden dus niet letter voor letter gezien. Men neemt de eerste en laatste letter van een woord op en vult de rest in op basis van de context en wat men verwacht.

Recent is men middels fMRI en PET gaan kijken waar mensen letters verwerken in het brein. Tijdens het meten van hersenactiviteit met PET en fMRI werden letters en of symbolen die op letters lijken getoond aan proefpersonen. Bij de eerste perceptuele analyse werd bilaterale activiteit in de visuele verwerkingsgebieden vastgesteld. Interessant hierbij was dat de activatie niet specifiek was voor letterachtige symbolen.

Er lijkt dus geen specifiek letter systeem te bestaan. Evolutionair is dit logisch, aangezien geschreven taal pas 550 jaar geleden is ontstaan. Gesproken taal bestaat al langer, hiervoor bestaat dan ook wel een gespecialiseerd systeem.

McCarthy hebben onderzoek gedaan met behulp van fMRI bij gezonde proefpersonen. Het tonen van een rij letters die niet uitgesproken kunnen worden leidde tot activatie van de occipito-temporale cortex. Dit gebied blijkt niet gevoelig voor andere visuele stimuli, maar ook niet voor lexicale of semantische kenmerken van woorden.

Herkenning van woorden

Lexicale verwerking bestaat uit lexicale toegang, lexicale selectie en lexicale integratie.

Lexicale toegang vindt plaats wanneer de representatie van woorden is geactiveerd en wordt uitgebreid naar semantische en syntactische eigenschappen van woordvormen. Wetenschappers hebben een duaal-route leesmodel voorgesteld waarbij er een directe route bestaat van orthografie naar woordvorm en een indirecte route waarbij de geschreven input eerst fonologisch wordt omgezet voor de omzetting naar een woordvorm.

Geschreven taal kan meerdere malen gelezen worden, bij gesproken taal is dit niet mogelijk. Marslen-Wilson heeft hiervoor een model ontworpen. De verwerking van gesproken taal begint bij het eerste foneem, waardoor meerdere mogelijk representaties worden geactiveerd. Vervolgens wordt door lexicale selectie de beste match geselecteerd. In onze taal bestaan 30 tot 40 fonemen, maar duizenden woorden. Voor de luisteraar bestaat de mogelijke taak van deze woorden de juiste te kiezen.

Volgens nieuwe modellen worden alle lexicale vormen geactiveerd met overlap van de input. Woorden die niet matchen worden hierbij geïnhibeerd.

Uit onderzoek van Cutler komt naar voren dat proefpersonen een langere reactietijd hebben bij het herkennen van een woord in een nonsens rij letters als deze rij ook een deel van een ander woord vormen. Dit laat zien dat er sprake is van competitie bij woordherkenning.

Binder heeft een hiërarchisch model van spraak voor auditieve woordperceptie op basis van fMRI voorgesteld. Volgens dit model gaat auditieve informatie van de auditieve cortex in Heschl’s gyri naar de superiore temporale gyrus. Hierbij wordt geen onderscheid gemaakt tussen gesproken en niet gesproken geluiden. Vanaf de superiore temporale gyrus wordt de informatie verzonden naar de midden temporale gyrus en inferiore temporale gyrus waar de verwerking van frontale en lexico-semantische aspecten van woorden plaatsvindt. Tot slot vindt de analyse plaats in de angulare gyrus. Bij geschreven taal vindt de eerste perceptuele analyse van letters in de primaire en secundaire visuele cortex in beide hemisferen plaats. De occipitaal temporale gebieden in de linker hemisfeer zijn gespecialiseerd in de identificatie van orthografische units. Bij het lezen van woorden wordt de midden temporale gyrus geactiveerd, die betrokken is bij semantische aspecten binnen de verwerking van woorden.

Twee soorten representatie spelen een rol in de verwerking van een woord in de context van andere woorden, de lagere niveau representaties naar aanleiding van de sensorische input en de hogere niveau representaties naar aanleiding van de context van het woord.

Er bestaan drie soorten modellen voor woordbegrip:

6. Modulaire of autonome modellen
   Volgens deze modellen bestaat taalbegrip uit verschillende afgescheiden en onafhankelijke modules. Het proces is strikt botom-up, representaties van hogere niveaus kunnen lagere niveaus niet beïnvloeden.
7. Interactieve modellen
   Alle soorten informatie spelen mee bij woord herkenning ook de context. Er bestaan geen representaties van woorden als hele units, maar herkenning door de knopen in het netwerk.
8. Hybride modellen
   Lexicale toegang is autonoom en wordt niet beïnvloed door hogere niveau informatie. Lexicale selectie kan wel worden beïnvloed door sensorische en hogere niveaus van context informatie.

Zwitserlood heeft onderzoek gedaan naar modulariteit versus interactiviteit. Proefpersonen kregen een korte tekst te horen. Tijdens het laatste woord werd een visuele stimulus getoond. Proefpersonen werden gevraagd aan te geven of de visuele stimulus een echt woord was of niet. Proefpersonen konden een sneller oordeel geven als de visuele stimulus was gerelateerd aan het laatste woord van de gesproken tekst, zelfs als de visuele stimulus werd getoond voor het laatste woord geheel was uitgesproken. Lexicale selectie wordt dus beïnvloed door contextuele informatie.

Intergratie van woorden in zinnen

Semantische en syntactische integratieprocessen zijn betrokken bij het begrijpen van woorden in zinnen. Semantische verwerking van hogere orde is nodig voor het juiste begrip van het woord in de zin, bij woorden met meerdere betekenissen. Semantische analyse is betrokken bij de betekenis van niet dubbelzinnige woorden. Voor volledige interpretatie is ook de grammaticale structuur nodig. Syntactische analyse vindt ook plaats zonder betekenis van het woord. Uit onderzoek bleek dat gezonde proefpersonen sneller op woorden konden reageren als de grammatica klopte. Proefpersonen werden gevraagd op een knop te drukken bij het horen van een bepaald woord. De reactietijd was langer als de grammatica niet klopte. Als ook de syntax niet klopte, werd de reactietijd nog langer.

Bij het horen of lezen van zinnen worden woordvormen geactiveerd die weer de lemma informatie activeren. De lemma bevat informatie over de syntactische eigenschappen van een woord, maar ook over de mogelijke zinstructuren die bij het woord passen.

Na het ophalen van de juiste lemma informatie, vindt de taalkundige ontleding plaats (parsing) waarbij woorden worden toegewezen aan hun syntactische rol en worden gegroepeerd in syntactische groepen.

Met betrekking tot de werking van parsing heeft Frazier het garden-path model opgesteld. Bij de verwerking van syntactische informatie proberen we zo min mogelijk te doen om de zin te begrijpen. Hierbij zijn twee mechanismen betrokken, minimale verbinding (gebruik van zo min mogelijk syntactische knopen) en late closure (toewijzing van woorden aan syntactische zinsdelen op het moment dat het woord verwerkt wordt. Door deze manier van verwerking kunnen verkeerde interpretaties ontstaan.

Andere onderzoeken bieden een meer interactieve kijk op de verwerking van zinnen. Betekenis informatie, kennis van de wereld en syntactische informatie blijkt direct beschikbaar bij het bepalen van de juiste structuur van een zin. Bij onderzoek van Münte, werden proefpersonen gevraagd een zin te lezen waarin één woord verschilde. Hierdoor werd de zin in de ene conditie een logische zin en in de andere conditie een minder logische zin die daardoor moeilijker te begrijpen was. ERP is negatiever in de tweede, minder logische conditie. Dit is bewijs voor de interactieve modellen

In een recent onderzoek van Hagoort en collega’s uit Nederland werd ook bewijs gevonden voor het idee dat kennis over de wereld direct invloed kan hebben op woordbegrip in zinnen. Er waren drie condities waarin deelenemers zinnen kregen.

3. Correcte conditie: treinen zijn geel en erg druk
4. Schending wereldkennis: treinen in Nederland zijn wit en erg druk
5. Semantische schending: treinen zijn zuur en erg druk

ERP’s en fMRI activatie werd steeds gemeten voor het kritieke woord in de drie zinnen (geel – wit – zuur). Voor de schendingen werd een gelijke onset, amplitude en verdeling gevonden. Dit wijst erop dat beide typen informatie (semantiek en wereldkennis) gelijkertijd worden geïntegreerd.

Lexicale integratie in de discourse

Er zijn een aantal cues die een tekst coherent kunnen maken:

• Herhaling en synoniemen
• Pronoun morfologie
• Discourse prominence

Je kunt je ook niet-talige cues voorstellen zoals kennis over de wereld.

9. Neuraal substraat van syntactische verwerking

Agrammaticale afasie is een tekort in het produceren en begrijpen van de structuur in zinnen.

In eerste instantie dacht men dat het aanbrengen van syntactische structuren in zinnen samenhing met het gebied van Broca in de linker hemisfeer,.

Caplan heeft bij onderzoek gebruik gemaakt van PET. Proefpersonen werden gevraagd zinnen te lezen die varieerden in syntactische complexiteit. Dit bleek verhoogde activatie in het gebied van Broca met zich mee te brengen voor complexere syntactische structuren.

Toch wordt specifiteit van het gebied van Broca bij synactisch begrip in twijfel getrokken.

Uit onderzoek van Just kwam namelijk naar voren dat de gebieden van Broca en Wernicke en gelijke gebieden in de rechter hemisfeer betrokken zijn bij de complexiteit van zinnen.

Het gebied van Broca is ook betrokken bij andere taken. Het is dus niet duidelijk of het gebied van Broca een specifieke rol speelt bij syntactische verwerking. Dronkers toonde met onderzoek aan dat de anteriore delen van de superiore temporale gyrus betrokken zijn bij syntactische verwerking.

Productie van spraak

Volgens het model van Levelt begint het begrip van taal met gesproken of geschreven input. De productie van taal begint met een concept waarvoor de juiste woorden moeten worden gevonden.

De eerste stap hierbij is de voorbereiding van de boodschap. Dit proces bestaat uit macroplanning, het doel van de boodschap die wordt overgebracht en microplanning, de woordkeuze en grammaticale rol van de woorden. Hieruit volgt de tweede stap, de conceptuele boodschap. De boodschap moet in de juist fonologische en grammaticale vorm worden gezet.

In onderzoek werden proefpersonen gevraagd plaatjes te benoemen. Hierbij wordt het gerelateerde concept ook geactiveerd. Bewijs hiervoor komt van het feit dat de reactietijd stijgt bij het zien van het plaatje en het horen van een gerelateerd concept tegelijkertijd. Er vindt dus interferentie van het gerelateerde concept plaats.

Activatie van het concept resulteert in activatie van de representatie in het mentale lexicon en knopen op lemma niveau. Vervolgens vindt lexicale selectie plaats waarbij de juiste lemma moet worden opgehaald. Hierdoor wordt het lexeem of de woordvorm geactiveerd. Als de juiste woordvorm is gekozen en de fonologische en articulatie programma’s zijn gematcht, vindt de planning van articulatie plaats. De planning van articulatie bestaat uit motorische patronen voor het bewegen van de tong, mond en spraakorganen

Spraakfouten kunnen zich voordoen tijdens transitie van lemma niveau naar lexeem niveau. Dit kan zich voordoen bij gezonde mensen, maar spraakfouten doen zich ook voor bij mensen met neurologische ziekten.

 Patiënten met Wernickes afasie hebben last van semantische parafrasieen waarbij alleen gerelateerde woorden kunnen worden genoemd en het niet het bedoelde woord. Dit is een gevolg van onjuiste selectie van concepten, lemma’s of lexemen.

Patiënten met Broca’s afasie hebben vaak ook disarterie, verhindering van articulatie omdat de betrokken spieren niet voldoende kunnen worden gecontroleerd. Het lijkt er dus op dat het onderscheid in het model van Levelt klopt. Maar de bewering dat selectie van de lemma vooraf gaat aan fonologisch encoderen staat ter discussie. Als de bewering klopt dan zal alleen het woord dat overeenkomt met de geselecteerde lemma informatie geactiveerd worden.

Dell heeft een interactief model voorgesteld. Dell stelt dat fonologische activatie begint vlak na de activatie van semantische en syntactische informatie en dat deze processen elkaar overlappen in tijd. Feedback is mogelijk van fonologische activatie naar de semantische en syntactische onderdelen van het woord. Hierdoor wordt de activatie van bepaalde semantische en syntactische onderdelen verbeterd.

Turenhout heeft de modellen van Levelt en Dell met elkaar vergeleken. Plaatjes van dieren en objecten die beginnen met een ‘s’ of ‘b’. Het onderzoek vond plaats in het Nederlands. Het syntactisch geslacht wordt bepaald door het lidwoord ‘de’ of ‘het’ en dit beïnvloedt het bijvoeglijk naamwoord. Proefpersonen werden gevraagd een knop in te drukken als het woord begint met een ‘b’. De knop moest worden ingedrukt met de linkerhand bij een ‘de’ woord en met de rechterhand bij een ‘het’ woord. Wanneer een woord begon met een ‘s’ moest er geen respons worden gegeven. Er werd gebruik gemaakt van de ERP component die gevoelig is voor de voorbereiding van een respons, de LRP, lateralized readiness response. De LRP kan ook signalen verzenden als er geen respons wordt gegeven, maar hiervoor in eerste instantie wel de intentie toe was.

Er werd ook een LRP gevonden bij woorden die beginnen met een ‘s’ en waarop geen respons volgde. Uit dit onderzoek blijkt dat lemma informatie ook toegankelijk is voor fonologische informatie.

Uit onderzoeken met behulp van beeldvormende technieken zijn de volgende resultaten naar voren gekomen:

3. De basale temporale gebieden van de linker hemisfeer en de linker frontale operculum (Broca) worden geactiveerd bij het benoemen van plaatjes en voortbrengen van woorden.
4. De corticale stimulatie van de basale temporale gebieden van de linker hemisfeer bij epileptische patiënten resulteert in het tijdelijk niet in staat zijn tot productie van woorden.
5. Activatie van het frontale operculum is misschien gespecialiseerd voor fonologische encoding van spraakproductie.
6. De posteriore gebieden van het gebied van Broca zijn misschien betrokken bij articulatie

Neuropsychologie van taal en taalstoornissen

Het is moeilijk om inzicht te krijgen in de neurale mechanismen en structuren van taal door het ontbreken van diermodellen. Wel is er onderzoek bij patiënten met hersenbeschadiging mogelijk.

Afasie

Afasie bestaat uit tekorten in begrip en productie van taal, veroorzaakt door neurologische schade. Afasie is veel voorkomend. Ongeveer 40% van de beroertes resulteren in onder andere afasie, in ieder geval in de eerste maanden na de beroerte. Primaire afasie is het gevolg van problemen in de taalverwerking mechanismen. Secundaire afasie is het gevolg van aantasting van het geheugen, aandachtsstoornissen of perceptuele problemen.

In de negentiende eeuw deed Bouillaud onderzoek bij honderden patiënten met taalproblemen en concludeerde dat taal was gelokaliseerd in de frontale kwab. Broca heeft onderzoek gedaan bij een patiënt die verlamd was aan zijn rechter arm. Het enige woord dat hij nog kon zeggen was ‘tan’. Om deze reden kreeg de patiënt ook de bijnaam Tan. Bij autopsie bleek een laesie in het posteriore deel van de linker inferiore frontale gyrus, nu bekend als het gebied van Broca. Ook andere patiënten, met verzwakking in de rechter arm en been hadden taalstoornissen. Wernicke onderzocht twee patiënten die problemen hadden met het begrip van taal na een beroerte. Een verlamming aan de rechterkant is teken voor schade aan de linkerhemisfeer en omdat taal daar gerealiseerd wordt is het ook teken voor vermoedelijk functieverlies op het gebied van taal. Ze hadden geen problemen met spraak, maar spraken alleen onzinnige woorden en zinnen. Bij autopsie werd beschadiging aan de posteriore delen van de superiore temporale gyrus zichtbaar, het gebied van Wernicke. Volgens Wernicke is slecht begrip van taal het gevolg van verlies van woord gerelateerde herinneringen.

Beschadigingen aan het gebied van Broca resulteert in expressieve afasie, problemen met spraakproductie. Receptieve afasie is het gevolg van beschadiging aan het gebied van Wernicke, waardoor problemen met begrip van taal ontstaan.

Een klassieke lokalisatie kijk op taal wordt geboden door het connectionistische  Wernicke-Lichtheim-Geschwind model. Volgens dit model bestaan er drie grote centra voor auditieve en orale verwerking van taal, A, M en B (zie figuur 10.3).

A: het gebied van Wernicke – fonologische lexicale opslag van permanente informatie over de klank van woorden.

M: het gebied van Broca – planning en programmering van spraak

B:  opgeslagen concepten.

Volgens het model worden auditieve input verwerkt in het auditieve sensorisch systeem, waarna informatie verzonden wordt naar de pariëto-temporo-occipitale associatie cortex. Het gebied van Wernicke biedt toegang tot woorden via fonologische informatie en verzenden deze informatie naar de arcurate fasciculus. Vervolgens wordt in het gebied van Broca waar grammaticale onderdelen zijn opgeslagen representaties geactiveerd, waardoor gerelateerde concepten worden geactiveerd die leiden tot auditief begrijpen.

Bij spraak productie vindt hetzelfde proces plaats, maar dan worden fonologische representaties geactiveerd in het gebied van Wernicke en verzonden naar het gebied van Broca voor de motorische acties ten behoeve van spraak.

Broca’s afasie resulteert in spraakmoeilijkheden. Problemen met het kunnen vinden van de juiste woorden en uitspraak kunnen variëren in ernst. In eerste instantie werd Broca’s afasie gerelateerd aan beschadigingen in de linker ventraal laterale frontale cortex, in de gebieden pars triangularis en pars opercularis. Het is moeilijk om exacte verbanden te leggen tussen het gebied van Broca en Broca’s afasie omdat in de tijd van Broca er minder exacte onderzoekstechnieken mogelijk waren en nu veel tekorten in die onderzoek worden gevonden.

Wernickes afasie resulteert in een stoornis in het begrip van taal, zowel gesproken als geschreven. Er zijn geen spraakproblemen, maar er worden alleen zinloze woorden en zinnen gesproken. Het gebied van Wernicke beslaat het posteriore derde deel van de superiore temporale gyrus. Een tekort in het begrip van taal kan ook het gevolg zijn van beschadigingen aan het samenkomende punt van de pariëtale en temporale kwabben, inclusief de supramarginale en angulare gyri. Ook voor het gebied van Wernicke en Wernickes afasie geldt dat onderzoekstechnieken in die tijd minder accuraat waren. Huidig onderzoek heeft uitgewezen dat Wernickes afasie het gevolg is van beschadiging van het gebied van Wernicke, maar alleen als de omliggende cortex van de posteriore temporale kwab ook beschadigd is. Alleen beschadiging aan het gebied van Wernicke resulteert in een tijdelijke vorm van Wernickes afasie.

Schade aan verbindingen tussen taalgebieden

Conductie afasie is het gevolg van beschadiging van de arcuate fasciculus de verbinding tussen het gebied van Broca en het gebied van Wernicke. Er zijn problemen met de productie van spontane spraak en het herhalen van spraak. Er zijn geen problemen met het begrijpen van woorden die de patiënten zien of horen. Ze kunnen ook hun eigen spraakfouten horen, maar deze niet verbeteren.

Dezelfde symptomen zijn gevonden bij laesies van de insula en delen van de auditieve cortex. Misschien is de verbinding tussen het gebied van Broca en het gebied van Wernicke minder sterk dan de verbinding tussen de anteriore en posteriore taalgebieden.

Beschadiging van de verbinding tussen conceptuele representatie gebieden en het gebied van Wernicke leidt tot transcorticale sensorische afasie. Er zijn dan problemen met het begrip van gesproken van input, maar geen problemen met het herhalen van input.

In onderzoek bij patiënten met Broca’s afasie die problemen hebben met syntactische begrip is gebruik gemaakt van de zin-plaatje matching taak. De patiënten bleken niet in staat het juiste plaatje bij de juiste corresponderende zin aan te wijzen, met name bij complexere zinstructuren. Bij ander onderzoek waren de patiënten wel in staat om grammaticaal goede zinnen te onderscheiden van grammaticaal incorrecte zinnen. Problemen met grammaticale verwerking lijkt eerder het gevolg van problemen met verwerking dat van problemen met representatie.

Bij onderzoek met patiënten met Wernickes afasie werd gebruik gemaakt van de lexicale beslissingstaak waarbij moest worden aangegeven of een rij letters of een geluid een woord was of niet. Gezonde proefpersonen nemen sneller een beslissing als het voorgaande woord gerelateerd was (inprenting). Patiënten met Wernickes afasie laten dezelfde inprentingeffecten zien ook al hebben ze wel problemen met het geven van een betekenis aan het woorden. Dit is bij een impliciete test geen probleem. Blijkbaar wis de lexicaal semantische kennis bewaard gebleven, maar is hier soms geen toegang toe.  Een mogelijk verklaring is dat de verwerking langzamer plaatsvindt en het daardoor niet kan bijhouden. Dit heeft geleid tot het verzwakte model van tekorten in begrip bij afasie waarbij twee mogelijkheden voor zwakke punten in de verwerking worden verondersteld:

4. Problemen bij de lexicale toegang op basis van onderzoek met de lexicale beslissingstaak waarbij patiënten met Broca’s afasie geen inprentingeffecten lieten zien en patiënten met Wernickes afasie en gezonde proefpersonen wel. Andere onderzoeken spreke dit tegen. Bovendien speelt de tijd tussen de stimuli een rol. Als er een lange tijd tussen de stimuli zit leidt dit bij gezonde proefpersonen niet alleen tot inprenting als gevolg van autonome lexicale activiteit, maar ook als gevolg van andere postlexicale processen.
5. Problemen bij lexicale integratie. Het gebruik van contextuele informatie voor de juiste betekenis van het woord is niet snel genoeg.

Neurofysiologie van taal

functioneel beeldvormend onderzoek bij taal

PET onderzoek bij patiënten met afasie heeft inzicht geboden in de verschillen in metabolisme. Onafhankelijk van het type afasie werd in rust hypermetabolisme gevonden (lager gebruik van glucose) in de temporo-pariëtale gebieden. Metabolische veranderingen werden wisselend gevonden in de angulare gyrus, supramarginale gyrus en superiore temporale gyrus. Een verband tussen gedragstekorten en zichtbare anatomische laesies is duidelijk niet voldoende om zeker te weten wat de exacte functie is van dat specifieke gebied.

Elektrofysiologie van taal

De N400 is een hersengolf die gerelateerd is aan linguïstische processen. De N400 heeft een maximale amplitude 400 milliseconden na het begin van de stimulus.

Kutas en Hillyard hebben de verwerking van het laatste woord van een zin vergeleken over verschillende condities. In de eerste conditie was het woord congruent met de context. In de tweede conditie was het woord afwijkend van de context. In de derde conditie was het woord stemmingscongruent, maar fysiek afwijkend, bijvoorbeeld dikgedrukt. De N400 was in de tweede conditie verhoogd in vergelijking met de eerste conditie. Dit is het N400 effect. In de derde conditie was de N400 positiever dan in de eerste conditie. Uit dit onderzoek blijkt dat de N400 specifiek is voor semantische analyse. Het N400 effect komt voor als lexicale integratie wordt bemoeilijkt omdat de semantische specificiteit van een woord niet overeenkomt met de context.

P600, of SPS (syntactische positieve shift) is het gevolg van syntactische verstoring. Bij gezonde proefpersonen veroorzaakte zinnen met syntactische verstoring 600 milliseconden na het begin van de stimulus een positief effect, het P600/SPS effect. Dit effect is gevonden bij het lezen en horen van zinnen. Het effect wordt ook gevonden bij grammaticaal correcte zinnen die volgens het garden-path model in eerste instantie verkeerd worden verwerkt.

Uit onderzoek van Münte en Friederici kwam de LAN, linker anteriore negativiteit, naar voren. Dit effect wordt gevonden bij het gebruik van de verkeerde categorie of bij verstoring van morfosyntactische kenmerken.

Neurale modellen van taalbegrip

Er zijn nieuwe neurale modellen voorgesteld die afwijken van het klassieke Wernicke – Lichtheim- Geschwind model. In de nieuwere modellen zijn de gebieden van Broca en Wernicke nog steeds aanwezig, maar deze gebieden worden niet langer als taalspecifiek gezien. Daarnaast zijn het lang niet de enige hersengebieden die een rol spelen bij taal. Peter Hagoort heeft een model voorgesteld waarbij recente inzichten over de hersenen en taal worden gecombineerd. Hij stelt drie functionele componenten van taalverwerking voor.

4. Geheugen
5. Unificatie; integratie van lexicale, semantische en syntactische informatie in een overall representatie.
6. Controle

Hoofdstuk 11. Hemisferische specialisatie

Verdelen van de geest (mind)

Patiënt W.J. is de eerste patiënt die een operatie heeft ondergaan waarbij de twee hemisferen werden gescheiden. Na de operatie kan hij visuele informatie die wordt getoond aan de linker dominante hemisfeer benoemen en beschrijven. Wanneer dezelfde informatie wordt getoond aan de rechter hemisfeer, geeft W.J. aan niets te zien. Ook is W.J. niet instaat om een blokpatroon te vormen met zijn rechterhand, wel met zijn linkerhand. Wanneer beide handen mogen worden gebruikt bij het vormen van een blokpatroon, blijft de linkerhand de rechterhand verbeteren. W.J. moet op zijn linkerhand gaan zitten om de rechterhand überhaupt een kans te geven. Het lijkt alsof de rechter hemisfeer merkt dat er een fout wordt gemaakt door de linker hemisfeer en deze wil verbeteren omdat de rechterhemisfeer de oplossing ziet. Op deze wijze werken de twee hemisferen niet meer samen maar eerder tegen elkaar in.

Vanuit het evolutionair perspectief komt het idee dat de twee hemisferen verschillend zijn, omdat specialisatie van één hemisfeer voldoende is. Toch lijken de hemisferen veel op elkaar. Sommige systemen zijn in één hemisfeer gelokaliseerd, omdat daardoor waarschijnlijk snellere verwerking mogelijk is. Anderzijds kunnen door dubbele systemen verschillende representaties ontstaan, wat voordelen op kan leveren.

Grondbeginselen van cerebrale organisatie

De twee hemisferen zijn gelijk in grootte en oppervlakte en de kwabben lijken identiek. Toch is er spraken van cerebrale specialisatie, zoals is gebleken uit de gevolgen van unilaterale laesies. Ook onderzoeken waarbij een deel van de hersenen wordt verdoofd, zoals bij de wada test,  hebben dit aangetoond door gebruik van PET en fMRI.

Anatomische verhoudingen van hemisferische specialisatie

Het blijkt dat 96% van de mensen een linker hemisferische specialisatie heeft voor taal. Dit blijkt niet samen te hangen met handvoorkeur, aangezien de helft van de mensen die linkshandig zijn, ook een linker hemisferische dominantie voor taal hebben. Vanwege deze duidelijke dominantie hebben onderzoeken naar de asymmetrie tussen de hemisferen zich met name op taalgebieden gericht.

In de negentiende eeuw werd vastgesteld dat de laterale fissure (ookwel sylvian fissure) een prominentere opwaartse krul heeft in de rechter hemisfeer. Geschwind heeft dit onderzocht bij rechtshandige proefpersonen en vond dat het planum temporale in 65% van de gevallen groter was in de linker hemisfeer. Of dit samenhangt met taalproblemen is onderzocht bij kinderen met dyslexie.

Uit de MRIscans bleek dat het planum temporale bijna symmetrisch was, wat een aanwezig kan zijn voor de samenhang tussen het ontbreken van linker hemisferische dominantie voor taal en taalproblemen.

Microanatomische onderzoeken naar anatomische assymetrieen

Er zijn corticale verschillen tussen de hemisferen in het gebied van Wernicke en het gebied van Broca. De kolommen van cellen in de linker temporale kwab zijn breder en liggen verder uit elkaar. De cellen in een kolom van de linker primaire auditieve cortex hebben een oppervlakkige spreiding van dendrieten met een grotere afstand tussen de kolommen.

De organisatie van de kolommen verschilt in de rechter en linker posteriore temporale gebieden. In de linker hemisfeer zijn hogere niveaus van choline acetyltransferase gemeten. Er zijn nog veel gebieden binnen de microanatomie van hemisferische gebieden die openliggen voor onderzoek.

Communicatie tussen de twee hemisferen

De twee hemisferen zijn verbonden met elkaar door het corpus callosum, een groot netwerk van vezels. Het corpus callosum verbindt overeenkomstige gebieden in de twee hemisferen, homotopische gebieden. Er zijn ook verbindingen tussen heterotopische gebieden (verscihllende gebieden uit twee hemisferen die met elkaar verbonden zijn). Een prefrontaal gebied dat informatie stuurt naar de premotor gebieden in de zelfde hemisfeer, stuurt vaak ook informatie naar de premotor gebieden in de andere hemisfeer.

De precieze rol en functie van het corpus callosum is nog altijd niet duidelijk. Het corpus callosum moet invloed hebben gehad op hemisferische specialisatie, mogelijk is een functie van callosale connecties het poolen van diverse input gebieden of het remmen van de hemisfeer. Voor de uitbreiding en het ontstaan van nieuwe corticale gebieden, zijn er meer verbindingen van het corpus callosum nodig geweest. Tegelijkertijd moet lateralisatie mogelijk zijn gemaakt door het ontbreken van verbindingen. De functionele samenhang van anatomische verschillen in het corpus callosum zijn onderzocht en gevonden voor ondermeer geslacht en handvoorkeur. Door verschillende bevindingen en methodische discussie blijft interpretatie moeilijk.

Corticale onderbrekingen

Myers en Sperry hebben onderzoek gedaan naar gescheiden hemisferen bij katten. De katten werden getraind te kiezen tussen twee stimuli, een kruis en een cirkel. Bij de juiste keus volgde een beloning in de vorm van voedsel. Training van één van de hemisferen leidde niet tot training van de andere hemisfeer.

Sperry en Gazzaniga hebben onderzoek gedaan naar split brain patiënten. Bij onderzoek met split brain patiënten moeten wel een aantal methodologische kwesties in acht worden genomen:

4. De vraag of patiënten een graadmeter zijn voor normale functionering van de hemisferen na de operatie.
5. De vraag of alle verbindingen van het corpus callosum zijn verbroken bij de operatie of niet. Het kan namelijk zo zijn dat een deel nog intact is.

Bij onderzoek wordt veel gebruik gemaakt van visuele stimuli omdat het visuele systeem duidelijker gelateraliseerd is, dan bijvoorbeeld het auditieve systeem.

Functionele consequenties van de split brain procedure

Uit onderzoek bij katten, apen en chimpansees blijkt dat na de split brain procedure visuele en tactiele informatie niet meer van de ene naar de andere hemisfeer wordt overgebracht.

Onderzoek bij patiënten wijst uit dat visuele informatie die getoond wordt aan de ene hemisfeer, niet beschikbaar is voor de andere hemisfeer. Objecten die in de rechterhand worden gehouden kunnen worden beschreven, in de linkerhand niet. De linker hemisfeer is dominant voor taal, spraak en probleem oplossen. De rechter hemisfeer in dominant voor visuospatiële taken. Het feit dat de rechter hemisfeer objecten niet kan benoemen komt door een gebrek in spraak en taal. Er treedt geen verlies van kennis van objecten op, want een nonverbale modus zoals het aanwijzen van objecten blijkt nog wel mogelijk.

Specialisaties van de callosale functie

Wanneer bij de doorsnijding van het corpus callosum het splenium, het posteriore gebied van het corpus callosum dat de occipitale kwabben verbindt, wordt gespaard, kan visuele informatie normaal tussen de hemisferen worden verzonden. Het anteriore deel van het corpus callosum vervoert een hoger niveau van semantische informatie. Het posteriore deel vervoert visuele, tactiele en auditieve sensorische informatie.

Hemisferische specialisatie

Taal en spraak

Grammatica is een op regels gebaseerd systeem om woorden te ordenen wat menselijke communicatie makkelijker maakt. Het lexicon is als het ware het woordenboek van de hersenen. Woorden kunnen van buiten worden geleerd, maar zinnen niet.

De taal en spraak processen vinden met name in de linker hemisfeer plaats, maar soms een deel in de rechter hemisfeer. De rechter hemisfeer is wel beperkt en bevat alleen de lexicale aspecten van begrip.

Bij het woord superioriteitseffect vindt er betere herkenning van woorden plaats als de woorden in de juiste context staan. Dit is een goede maat voor de integratie van het visuele lexicon. Patiënt J.W. was in staat tot inprenting van stimuli die in het rechter deel van het gezichtsveld werden getoond, maar niet in het linker deel. De generatieve syntax is gelokaliseerd in één hemisfeer.

Uit onderzoek bij split-brain patiënten kwam naar voren dat de productie van spraak in de linker hemisfeer gelokaliseerd was, maar bij een klein deel in beide hemisferen. De rechter hemisfeer blijkt vaker een rol bij taal te spelen, dan men altijd heeft gedacht. Een voorbeeld hiervan is het verwerken van de emotionele inhoud van taal, dat rechts gelateraliseerd blijkt te zijn.

Visuospatiële verwerking

De rechter hemisfeer blijkt superieur bij taken als het vormen van blokpatronen bij de meeste split-brain patiënten, maar niet allemaal. De operaties die nodig zijn voor deze taak, zijn nog niet vastgesteld. Het matchen van blokpatronen kan in beide hemisferen plaatsvinden en beide handen zijn even vaardig. Het verschil moet dus zitten in het overbrengen van sensorische informatie naar het motorische systeem.

Bij de perceptie van gezichten lijkt de rechter hemisfeer gespecialiseerd in het verwerken van rechtopstaande gezichten en onbekende gezicht stimuli. De linker hemisfeer lijkt superieur bij de perceptie van bekende gezichten. Beide hemisferen kunnen gezichtsuitdrukkingen voortbrengen, maar alleen de linker hemisfeer kan vrijwillige gezichtsuitdrukkingen voortbrengen.

Aandacht en perceptie

Split-brain patiënten kunnen informatie van verschillende gezichtsvelden niet integreren. Aanraking van het lichaam wordt door beide hemisferen geregistreerd, maar patronen in somatosensorische informatie niet. In onderzoek kregen split-brain patiënten een woord in ieder gezichtsveld getoond en gevraagd deze te tekenen. De patiënten bleken in staat beide woorden te tekenen, maar niet te kunnen integreren. Zo werden de woorden ‘hot’ en ‘dog’ getekend als een tekening van een hond in de hitte in plaats van een worstje.

Er lijkt wel sprake te zijn van integratie van grove informatie met betrekking tot spatiële locaties. Patiënten kunnen beide hemisferen gebruiken voor het richten van aandacht op plekken in beide gezichtsvelden. Het lijkt erop dat er een geïntegreerd spatieel aandachtssysteem bestaat dat intact blijft na de split-brain procedure.

Er is onderzoek gedaan naar het centraal aandachtssysteem. In de gemixte of moeilijke conditie werden twee series van drie verschillende geometrische vormen gelijktijdig links en rechts van het fixatiepunt op een scherm getoond. In de overbodige of makkelijke conditie werden drie vormen per hemisfeer getoond, maar waren ze voor iedere hemisfeer gelijk. Na één van de twee condities werd één vorm in het linker- of rechter deel van het gezichtsveld getoond en moest worden aangegeven of de stimulus eerder was gezien of niet. De tweede, makkelijke conditie leidde tot betere prestaties.

Complexe cognitie

Studies met split-brain patiënten laten zien dat er twee verschillende typen causaal redeneren zijn (perceptie en inferentie) en dat deze op verschillende manieren gelateraliseerd zijn. Wanneer informatie aan de linker hemisfeer getoond wordt, neemt prestatie op causale perceptie taken toe. Terwijl dit omgekeerd geld voor causale inferentie, hier neemt prestatie toe bij presentatie aan de rechter hemisfeer.

Wolford en collega’s onderzochten assymetrische bias in de twee hemisferen met betrekking tot probleem oplossing. In onderzoek van Wolford moesten proefpersonen aangeven of de volgende stimulus een groene of rode stip zou zijn. De kans op een rode stip was 75%, de kans op een groene stip 25%. De stippen werden in een random volgorde getoond. Er zijn hierbij twee strategieën mogelijk. Bij het gebruik van matching wordt in 75% van de gevallen aangegeven dat de rode stimulus zal volgen en in 25% van de gevallen dat de groene stimulus zal volgen. Bij de random volgorde leidt dit tot veel fouten.

Bij het gebruikt van maximaliseren zal ieder keer worden aangegeven dat de rode stimulus zal volgen omdat dit tot de meeste correcte responsen zal leiden. De meeste dieren maken gebruik van maximaliseren, maar mensen maken gebruik van matchen omdat ze altijd proberen een patroon te vinden.

Uit onderzoek van Wolford bij split-brain patiënten bleek de linker hemisfeer gespecialiseerd in matchen en de rechter hemisfeer in maximaliseren. Bij unilaterale beschadiging in de linker hemisfeer wordt gebruik gemaakt van maximaliseren, bij unilaterale beschadiging in de rechter hemisfeer wordt gebruik gemaakt van matchen.

De rechter hemisfeer benadert de taak op de meest simpele manier. De benadering van de linker hemisfeer schept orde in de chaos, maar zoekt overal patronen ook als ze er niet zijn. De rechter hemisfeer blijkt beter in het onderscheiden van nieuwe en oude objecten, zo komt uit onderzoek met split-brain patiënten. Het is mogelijk dat deze verschillen handig zijn omdat de linker hemisfeer zo meer vrijheid heeft bij interpretaties en het vormen van hypotheses over patronen. De linker hemisfeer wordt niet gestoord door het al dan niet kloppen van de informatie.

Samenkomend bewijs voor hemisferische specialisatie

Voor onderzoek naar hemisferische specialisatie is ook gebruik gemaakt van patiënten met unilaterale laesies en van de dubbele dissociatie methode. Wanneer bij het vergelijken van patiënten met unilaterale laesies een laesie in de ene hemisfeer resulteert in een bepaald tekort en een laesie in de andere hemisfeer niet, dan is de eerste hemisfeer blijkbaar gespecialiseerd.

Navon heeft voor onderzoek naar de hiërarchische structuur de model taak ontworpen. Een letter was opgebouwd uit kleine letters, waardoor twee niveaus ontstaan, de globale vorm en de lokale objecten. Het perceptueel systeem extraheert eerst de globale vorm. De reactietijd stijgt bij het herkennen van lokale objecten, maar er vindt ook interferentie plaats wanneer de globale vorm en de lokale objecten niet overeen komen. Er is dus één systeem voor de verwerking van stimuli, dat hiërarchisch is.

Robertson deed onderzoek bij patiënten met unilaterale laesies in de linker of rechter hemisfeer. De lokale en globale stimuli werden in het midden van het gezichtsveld getoond. Patiënten met een laesie in de linker hemisfeer waren langzamer bij lokale stimuli, patiënten met een laesie in de rechter hemisfeer waren langzamer bij globale stimuli. Dit is bewijs voor laterale specialisatie. Beide hemisferen kunnen blijkbaar lokale en globale stimuli verwerken, maar de ene hemisfeer kan dit efficiënter, dan de andere hemisfeer.

Functionele asymmetrie in de gewone hersenen

Voor vergelijking van de hemisferen wordt veel gebruik gemaakt van visuele stimuli in het rechter- en linkerdeel van het gezichtsveld. Er blijken mogelijkheden voor transcorticaal vervoer van informatie. Het herkennen van een woord in een rij letters lukt beter wanneer de stimuli in het rechterdeel van het gezichtsveld worden getoond.

Bij vergelijking van de hemisferen met betrekking tot auditieve verwerking, wordt een stimulus aan een oor ‘getoond’. Het auditieve verwerkingsproces is echter niet gelaterlaliseerd, dus de dichotische luistertaak is een beter onderzoeksinstrument. Kimura heeft de dichotische luistertaak ontworpen. Ieder oor krijgt verschillende woorden te horen. Wanneer wordt gevraagd zoveel mogelijk woorden op te nomen, blijkt er een voorkeur voor het rechteroor. Dit steunt weer het idee dat taal zich in de linkerhemisfeer bevind.

Lateralisatie onderzoek bij gezonde proefpersonen heeft een aantal beperkingen:

4. Er worden kleine en inconsistente effecten gevonden, misschien omdat beide hemisferen intact zijn en een werkend corpus callosum hebben.
5. Onderzoek met significante resultaten worden eerder gepubliceerd. Hierdoor is er geen duidelijk beeld van de verhouding tussen onderzoeken met en zonder significante resultaten.
6. De interpretatie van resultaten is moeilijk. Er vindt bijvoorbeeld betere perceptie in het rechter deel van het gezichtsveld plaats, waaruit wordt geconcludeerd dat de linker hemisfeer dominant is. Mogelijk is met gewoon beter in het identificeren van stimuli in het rechter deel van het gezichtsveld.

Welke hersenfuncties zijn gelateraliseerd?

Hemisferische specialisatie wordt vaak gezien als een functie die alleen in de gespecialiseerde hemisfeer aanwezig is. Dit klopt echter niet. Een betere benadering is de verschillen in de manier van verwerking te bekijken. De linker hemisfeer verwerkt analytische en sequentieel, de rechter hemisfeer verwerkt holistische en parallel. Hemisferische specialisatie komt voort uit deze verschillen in de manier van verwerking. Taal is een sequentieel proces, waardoor het voordeliger is dit in de linker hemisfeer te laten plaatsvinden.

Het is moeilijke te bepalen of een taak een analytische of holistische verwerking vraagt. Wellicht is de veronderstelde dichotomie niet kloppend. Misschien is in de loop van de evolutie specialisatie ontstaan uit efficiënt oogpunt, het besparen van ruimte. De beide hemisferen zijn vaak betrokken bij de uitvoer van een taak, maar elk met verschillende bijdragen.

Asymmetrieen in perceptuele representatie

Sergent heeft de globale-lokale taak van Navon aangepast. Er wordt een hiërarchisch patroon getoond voor 150 milliseconden in het rechter of linker deel van het gezichtsveld. De ene knop moet worden ingedrukt als de doel stimulus een ´H´ of een ´L´ is, de andere knop als dit niet zo is. Bij split-brain patiënten resulteert het tonen van de doelstimulus op globaal en lokaal niveau in het linker deel van het gezichtsveld in de snelste respons. Wanneer de doelstimulus alleen lokaal is, dan is de reactietijd korter bij tonen in het rechterdeel van het gezichtsveld. De linker hemisfeer is dus beter in het verwerken van lokale informatie en de rechter hemisfeer is beter is het verwerken van globale informatie.

Bij visuele detectie is er een verschil tussen lokale en globale stimuli. Visuele neuronen zijn het meeste gevoelig voor verschillen in licht. Volgens de spatiële frequentie hypothese kan ieder patroon worden beschreven volgens de onderdelen van spatiële frequentie. Volgens Sergent is deze hypothese de basis voor hemisferische asymmetrie in visuele perceptie. De linker hemisfeer is gespecialiseerd in hoge spatiële frequenties ofwel lokale structuur. De rechter hemisfeer is gespecialiseerd in lage spatiële frequenties ofwel de globale structuur.

Kitterle heeft bewijs geleverd voor de spatiële frequentie hypothese met behulp van een computationeel model. Een complex patroon heeft meer onderdelen in frequentie. De reactietijd is korter voor lage frequenties in het linker deel van het gezichtsveld en voor hoge frequenties in het rechterdeel van het gezichtsveld.

De frequentie hypothese kan verklaren waarom verschillende manipulaties in onderzoeken grotere tekorten geven in het rechterdeel van het gezichtsveld in vergelijking met het linker deel van het gezichtsveld.

Sergent toonde in onderzoek 16 foto´s van bekende gezichten in het linker of rechter deel van het gezichtsveld. Wanneer moest worden aangegeven of de foto van een man of een vrouw was, lukte dit beter in het linker gezichtsveld, vanwege de lage spatiële frequentie. De persoon in de foto benoemen lukte beter in het rechter deel van het gezichtsveld, vanwege de hoge spatiele frequentie. Hetzelfde geldt misschien ook voor auditieve perceptie, met geluidsfrequentie. Uit onderzoek is ook naar voren gekomen dat de rechter hemisfeer is gespecialiseerd in het ritme en de maat van de spraak. Dit zijn fluctuaties in de lage frequenties van het geluid. Leasies in de rechter hemisfeer verstoort prosodie meer, dan leasie in de linker hemisfeer. Ook hier zie je dus dat de rechter hemisfeer wel bij taal betrokken is; namelijk paralinguistische taken.

Asymmetrieen in representaties van spatiële relaties

Kosslyn veronderstelt twee typen van spatiële representatie:

4. Categorale representaties specifiek voor de positie van (delen van) objecten en de toewijzing aan een categorie. Het grootste deel van de spatiële informatie wordt gebruikt voor het identificeren van het object.
5. Coördinale representaties voor het bepalen van de locatie van het object. Deze representaties zijn nodig voor actie.

Volgens Kosslyn vormt de linker hemisfeer categorale spatiële representaties, in overeenstemming met de taal categorieën. De rechter hemisfeer vormt cöordinale representaties, aangezien de rechter hemisfeer dominant is bij spatiële informatie.

In onderzoek werden een lijn en een stip getoond in het linker of rechter deel van het gezichtsveld. In de categorale conditie moest worden aangegeven of de stip zich onder of boven de lijn bevond. Dit gebeurde sneller in het linker deel van het gezichtsveld. In de cöordinale conditie moest de afstand tussen de lijn en de stip worden geschat. Dit gebeurde sneller in het rechter deel van het gezichtsveld.

Bij de interpretatie van de resultaten moeten een aantal waarschuwingen in acht worden genomen.

• Het effect neemt af na training.
• Deze effecten kunnen misschien ook worden verklaard door de frequentie hypothese.

Met deze waarschuwingen in acht genomen, heeft Laeng door onderzoek bij patiënten met hersenbeschadiging ondersteuning gevonden voor de hypothese van Kosslyn.

Na het tonen van het voorbeeld object, kregen patiënten hetzelfde object na transformatie te zien. In de cöordinale conditie waren metrische onderdelen veranderd zoals afstand. In de categorale conditie waren de relaties tussen de objecten verander zoals de volgorde. Patiënten werden gevraagd aan te geven welke objecten gelijk waren aan de voorbeeld objecten. Patiënten deden het op beide taken slechter dan controle personen. Daarnaast vond men dat patiënten met linker hemisferische tekorten de meeste problemen hadden met de cöordinale conditie. Patiënten met tekorten in de rechter hemisfeer hadden de meeste problemen met de categorale conditie.

Dit experiment benadrukt  twee voordelen van patiëntstudies in lateralisatie onderzoek. Allereerst werd de stimuli centraal aangeboden, men hoeft zich geen zorgen te maken over de projectie aan de contralaterale zijde. Daarnaast kleine effecten bij gezonde personen worden vaak vergroot bij gebruik van patiënten.

De opbouw van representaties verschilt per hemisfeer. De opbouw van herinneringen in de linker hemisfeer is abstract en categoraal. De opbouw van herinneringen in de rechter hemisfeer volgt de specifieke metriek.

In onderzoek van Marsolek kregen proefpersonen acht sets van abstracte lijntekeningen te zien die waren ontstaan door verandering van onderdelen van de prototypes. In de training werd een subset getoond om te categoriseren. In de versnelde classificatietaak werd een stimulus in het linker of rechter deel van het gezichtsveld getoond. Wanneer de stimulus getraind was, werd deze sneller verwerkt bij het tonen in het linker deel van het gezichtsveld. Wanneer de stimulus niet getraind was, werd deze sneller verwerkt bij het tonen in het rechter deel van het gezichtsveld.

Kosslyn beschrijft het ontstaan van asymmetrie als een sneeuwbal effect. Er ontstaat een specialisatie ten behoeve van het oplossen van een probleem. Deze specialisatie groeit uiteindelijk uit tot een gespecialiseerd systeem.

Variaties in hemisferische specialisatie

De relatie tussen handvoorkeur en linker hemisferische dominantie voor taal

Van de linker hemisfeer wordt verondersteld dat deze hemisfeer gespecialiseerd is in de productie van sequentiële bewegingen zoals spraak, maar ook in niet-linguïstische gebieden. Patiënten met beschadigingen in de linker hemisfeer hebben vaak apraxie, verstoring van de spraak zonder verstoring van de controle van de spieren.

Corballis heeft dit benaderd volgens het evolutionair perspectief. Het centrale kenmerk van de menselijke cognitie is de generatieve manier van denken en handelen. De linker hemisfeer heeft als enige de GAD, generative assembling device, dat complexe representatie opstelt uit relatief kleine hoeveelheden fonemen. In de evolutie, toen de mens rechtop ging staan, was de symmetrie van de handen niet meer nodig. Gezien de lokalisatie van de GAD, is de rechter handvoorkeur logisch. Door de generatieve aard van de specialisaties in de linker hemisfeer is de rechter handvoorkeur uitgebreid naar motorische vaardigheden. Mogelijk is de linker hemisfeer dominant voor taal als gevolg van deze gespecialiseerde motorische controle. Door de ontwikkeling van gereedschappen, werd taal belangrijker. Tegenwoordig bevatten de meeste zinnen nog steeds vormen van actie.

Het is ook mogelijk dat de linker hemisferische specialisatie voor taal en motorische vaardigheden niet gerelateerd is. De helft van de mensen met een linker handvoorkeur hebben een linker hemisferische dominantie voor taal. Handvoorkeur wordt bovendien beïnvloed door de omgeving.

Previc heeft een hypothese opgesteld voor handvoorkeur en taal. De linker hemisferische dominantie voor taal is gerelateerd aan de asymmetrie in de schedelstructuur. Door deze asymmetrie is de gevoeligheid voor bepaalde geluidsfrequenties verminder in het linker oor. Hierdoor is een linker hemisferische voorkeur ontstaan bij fonemische analyse en de ontwikkeling voor taal specialisatie. Ook veronderstelt Previc dat de houding van de foetus in de baarmoeder gerelateerd is aan de ontwikkeling van handvoorkeur. De meeste foetussen liggen in de baarmoeder met het hoofd naar beneden en het rechter oor naar voren gericht. Door de asymmetrische stimulatie ontstaat er een beter ontwikkeld evenwichtssysteem in de rechter hemisfeer. Na de geboorte wordt de linker kant van het lichaam gebruikt voor evenwicht waardoor de rechterkant van het lichaam vrij is in exploratieve bewegingen waaruit de rechter handvoorkeur voortkomt. Deze theorie is niet onderzocht omdat hiervoor demografisch onderzoek nodig zou zijn.

Hemisferische specialisatie in niet menselijke dieren

Hemisferische specialisatie komt niet alleen bij mensen voor. Bij vogels worden bij alle vezels gekruist bij het optische chiasma. Vogels hebben geen corpus callosum, wat mogelijk resulteert in functionele asymmetrie. Kippen en duiven kunnen stimuli in het rechteroog beter categoriseren. Met het linker oog kunnen ze weer beter de unieke eigenschappen en locatie van de stimuli verwerken.

Volgens de sneeuwbal theorie van Kosslyn is de hemisferische asymmetrie begonnen met de taalontwikkeling. Deze theorie klopt echter niet voor de hemisferische specialisatie van vogels. Wel hebben vogels een communicatiesysteem. Bovendien blijkt zangproductie bij vogels in de linker hemisfeer gelokaliseerd te zijn. Bij primaten is geen dominantie handvoorkeur gevonden Wel is de rechter hemisfeer dominant bij de tactiele discriminatie van een vorm. Bij gezichtsherkenning is een rechter hemisferische dominantie gevonden en voor lijn oriëntatie een linker hemisferische dominantie.

Men kan dus concluderen dat hemisferische specialisatie geen unieke ontwikkeling is voor mensen, maar ook dieren laten dit zien. Het feit dat het gebeurd in verschillende soorten kan men zien als zijnde een algemeen principe van de hersenen.

Hoofdstuk 12. Aandacht en bewustzijn

Een voorbeeld van een stoornis in de visuele aandacht en bewustzijn is het syndroom van Balint. Hierbij kunnen mensen slechts een object per keer zien. Zodoende kunnen ze niet een hele scene tegelijkertijd interpreteren en niet zeggen waar objecten ten op zichte van elkaar bevinden.

Theoretische modellen van aandacht

Aandacht is het focussen op het ene, terwijl je het andere kunt negeren. Aandacht heeft een gelimiteerde capaciteit en is zodoende selectief. Daarnaast beschikken we over een mechanisme om onze aandacht te controleren. Zo kunnen we studeren, terwijl we eigenlijk liever een biertje hadden gedaan.

Aandacht kun je in twee brede categorieën verdelen: vrijwillig en reflexmatig.

Vrijwillige aandacht is top-down gestuurd, terwijl reflexmatige aandacht bottom-up gestuurd is.

Studies naar de cognitieve neurowetenschap van aandacht hebben drie doelen.

• Er achter komen hoe aandacht onze detectie/perceptie/encoderen beïnvloed
• Beschrijven van onderliggende mechanismen
• Erachter komen hoe deze mechanismen in ons brein vertegenwoordig zijn

Helmholtz heeft onderzoek gedaan naar aandacht met zichzelf als proefpersoon. Aan een muur in zijn kantoor had hij een scherm met daarop letters. Hij hield zijn ogen gericht op het midden van het scherm en besloot zich te richten op de letters in de rechterbovenhoek. De kamer was donker en hij liet korte tijd een lichtbundel op het scherm vallen. Helmholtz kon alleen de letters onderscheiden in het gebied waar hij zijn aandacht op had gericht hoewel de andere letters ook in zijn gezichtsveld vielen. Door zijn ogen onbewogen te laten kon Helmholts dus alsnog zijn aandacht gebruiken om sommige letters wel te zien en andere niet. Op deze wijze kan aandacht als een soort selectieve zaklamp gezien worden die ongeacht de stand van het oog bewogen kan worden op een specifieke locatie in het visuele veld.

Men maakt zodoende onderscheid tussen overte en coverte aandacht. Met als verschil dat bij overte aandacht een duidelijke oogbeweging te zien is. Coverte aandacht is het luisteren naar de docent terwijl je ondertussen aan hele andere dingen denkt.

The cocktailparty effect

In een drukke omgeving zijn wij in staat onze aandacht te richten op één persoon en met diegene een gesprek te voeren. We kunnen deze persoon dan verstaan, maar bijvoorbeeld andere gesprekken om ons heen niet. Dit fenomeen staat bekend als het cocktailparty effect en is een vorm van selectieve auditieve aandacht. Als in een ander gesprek echter onze naam genoemd word dan verschuift onze aandacht echter automatisch naar het andere gesprek. Kennelijk wordt de informatie van andere gesprekken dus wel op onbewust niveau verwerkt. Als de informatie voor ons belangrijk is (sailant) dan wordt de informatie verder verwerkt en toegelaten tot het bewustzijn.

Cherry heeft dit onderzocht met de dichotische luistertaak. Een proefpersoon kreeg een koptelefoon op. Voor ieder oor was een andere tekst te horen. De proefpersoon werd gevraagd zich te richten op de tekst in het ene oor en het andere oor te negeren. De proefpersoon kon achteraf niets vertellen over de tekst uit het andere oor. Hieruit is de veronderstelling voortgekomen dat de input van het andere oor verloren gaat. Het bleef echter onduidelijk wanneer de informatie het cocktailparty effect kon veroorzaken. Gebeurd het vroeg – voor de perceptuele analyse-  of laat in het proces – na de analyse- ?

Vroege versus late selectie theorieën

Volgens de theorieën van vroege selectie hoeft een stimulus niet verwerkt en geanalyseerd te zijn op het moment van selectie waarbij wordt bepaald of de stimulus verder wordt verwerkt of niet. Volgens de late selectie theorieën wordt zowel de input waar de aandacht op gericht is als de input die genegeerd is verwerkt door het perceptueel systeem tot het punt van semantische encoding en analyse. Hier vindt de selectie plaats. Dit kan verklaren waarom de eigen naam wel gehoord wordt.

Het informatie verwerkingssysteem van zowel mensen als dieren heeft een beperkte capaciteit. Bij grote hoeveelheden input moet een selectie worden gemaakt wat wel en wat niet wordt verwerkt. Dit punt is te vergelijken met de hals van een fles, slechts een deel kan worden door gelaten. Het verschil tussen de vroege en late selectie theorieën is de plaats van deze flessenhals in het informatie verwerkingssysteem.

Kwantificeren van aandacht bij perceptie

Een manier om heft effect van aandacht op informatie verwerking te onderzoeken is door te onderzoeken hoe deelnemers reageren op target stimuli. Een bekende methode is de cuing taak. Cues kunnen gebruikt worden bij vrijwillige aandacht, maar ook reflexmatige aandacht.

Spatiële aandacht is het richten van de aandacht op een bepaalde locatie, waarbij andere locaties worden genegeerd. De aandacht kan worden beïnvloed door aanwijzingen (cuing tasks) waar de aandacht het beste te richten. Dit kan gedaan worden door een pijltje te laten zien voordat daar een bepaald plaatje komt. Het pijltje kondigt dan als het ware de stimulus aan.

Wanneer de aanwijzing correct is met betrekking van het richten van de aandacht omdat op die locatie de stimulus verschijnt waarop gereageerd moet worden, is er sprake van een valide trial. Wanneer dit niet het geval is, is er sprake van een invalide trial. Men wordt daarmee dus op het verkeerde been gezet. Wanneer de aanwijzing geen informatie geeft waar de aandacht het beste te richten, is er sprake van een neutrale trial. Het verschil in reactietijden met betrekking tot de verwerking waar de aandacht te richten, wordt beschreven als kosten-baten analyse, waarbij de kosten de reactietijd verlengen en de baten de reactietijd verkorten.

In een onderzoek van Posner werden proefpersonen gevraagd hun aandacht te richten op het midden van het scherm. Bij een valide trial daalt de reactietijd terwijl de ogen niet bewegen na de aanwijzing. Misschien is een valide trial van invloed op sensorische en perceptuele verwerking. Wel moet hierbij worden aangemerkt dat reactietijd een indirecte maat is. Reactietijden an zich geven namelijk geen inzicht in de manier waarop stimuli neuraal verwerkt worden. Hier is extra interpretatie voor nodig welke volgens het principe van Occam’s razor eigenlijk niet de bedoeling is in de wetenschap. Om deze interpretaties toch te kunnen ondersteunen is extra feitelijk onderzoek vanuit de neurowetenschap nodig.

Mensen kunnen hun aandacht vrijwillig richten. De aandacht kan echter ook onvrijwillig worden gericht door afleiders, bijvoorbeeld iemand die langsloopt of sensorische stimuli. Deze vorm van gerichte aandacht heet reflexieve aandacht. Ook hier is onderzoek naar gedaan met behulp van het meten van reactietijden. Een afleider was hierbij een irrelevante lichtflits voor het verschijnen van de stimulus waarop moest worden gereageerd. Bij deze exogene aanwijzing wordt de aandacht gericht door een externe stimulus. De reactietijd voor de stimulus waarop gereageerd moest worden daalde als de lichtflits 50-200 milliseconden voor het tonen van de stimulus kwam. Wanneer er meer dan 300 milliseconden zit tussen de lichtflits en de stimulus stijgt de reactietijd, dit is een inhibitoir na-effect. (inhibition of return) Dit is maar goed ook, want in de drukke wereld waarin we leven zijn veel afleiders waarop we niet allemaal kunnen reageren.

Als je iemand in een menigte van mensen bent kwijtgeraakt en gaat zoeken, richt je je vaak op een weinig voorkomend kenmerk zoals een fel rode trui. Als echter blijkt dat meerdere mensen in de menigte een fel rode trui aanhebben, zal je andere kenmerken aan de zoektaak moeten toevoegen. Het zoeken duurt dan ook langer.

Treisman heeft onderzoek gedaan naar afleidende stimuli. In de simpele conditie werden proefpersonen gevraagd te reageren als een rode O werd gezien tussen afleidende groene O’s en X’s. De reactietijd bleef constant bij het uitbreiden van het aantal afleiders. De rode O springt er als het ware uit. Dit heet een pre-aandacht mechanisme. In de samengevoegde condities bestonden de afleiders uit groene O’s en roden en groene X’s. De reactietijd nam toe naarmate het aantal afleiders steeg. Dit blijkt onafhankelijk van oogbewegingen. Wanneer de ogen stil werden gehouden op een fixatiepunt, steeg de reactietijd gelijk met het aantal afleiders.

Wolfe vond dat bij een visuele zoektaak de reactietijd korter is als de aandacht niet vrijwillig wordt gestuurd. Proefpersonen kregen een cirkel van acht letters te zien. In de opdracht conditie werd verteld dat in de eerste cirkel de gerichte stimulus op de eerste plek in de cirkel moest staan, bij de tweede cirkel op de tweede plek enzovoorts. In de random anarchie conditie maakte het niet uit waar de gerichte stimulus in de cirkel stond. Hoewel in de random anarchie kan worden gezegd dat er meer objecten of letters moeten worden bekeken, was de reactietijd hier lager.

Neurale systemen bij aandacht en selectieve perceptie

Voor de neurofysiologie van de menselijke aandacht worden verschillende technieken gebruikt zoals magnetische opnames van hersenactiviteit en neuro-imaging. Voor neurale activiteit worden bij de verschillende technieken verschillende parameters gebruikt.

Elektrische en magnetische opnames meten directe neuronale activiteit. Bij mensen worden elektroden en sensoren op het hoofd geplaatst. Deze methode is beperkt omdat het moeilijk is te bepalen waar de activiteit precies plaatsvindt in de hersenen. Voor de lokalisatie van activiteit wordt gebruik gemaakt van functionele neuro-imaging technieken zoals PET en fMRI.

In onderzoek naar auditieve selectieve aandacht is begonnen met dieronderzoek. Hoewel hierbij geen rekening is gehouden met interfererende gedragsmatige en fysiologische factoren is het toch belangrijk voor de ontwikkeling van neurofysiologisch onderzoek.

Hernandez-Peon heeft onderzoek gedaan naar auditieve selectieve aandacht bij katten. Bij het horen van geluid uit een luidspreker werd verhoogde activiteit in de cochleaire nucleus en auditieve zenuw gemeten. Hieruit werd geconcludeerd dat selectieve auditieve aandacht in vroege stadia in de sensorische verwerking wordt beïnvloed. Dit is bewijs voor de vroege selectie theorieën. Helaas bleek deze conclusie niet helemaal gerechtvaardigd. De oorzaak van de neurale activiteit kwam voort uit de oorbeweging van de kat in de richting van de luidspreker. Wel is uit dit onderzoek een belangrijke les geleerd voor toekomstige onderzoeken.

In onderzoek met behulp van EEG werden kleine hersengolven gemeten naar aanleiding van de verwerking van stimuli. Deze hersengolven staan bekend als ERP, event-related potential en zijn niet te zien in de grote EEG ritmes. De ERP is verschillend wanneer de aandacht wordt gericht op een stimulus of wanneer deze juist wordt genegeerd.

Hillyard deed als eerste onderzoek naar auditieve selectieve aandacht bij mensen met behulp van ERP. Geluiden van verschillende toonhoogten waren in beide oren te horen via een koptelefoon. In de ene conditie werden proefpersonen gevraagd de aandacht te richten op het ene oor en het andere oor te negeren. In de andere conditie werd het tegenovergestelde gevraagd. Hierdoor was er alleen variatie in de richting van de aandacht, verder zijn beide condities gelijk in het richten van aandacht en negeren. De amplitude van de ERP was groter bij het richten van aandacht in vergelijking met negeren. Hieruit werd de auditieve N1 potentiaal afgeleid, een sensorische opgeroepen golf. Deze piek volgt in minder dan 90 milliseconden na het begin van de stimulus. Dit is bewijs voor de vroege selectie theorieën. Activatie van de auditieve cortex begint echter al 20 tot 50 milliseconden na het begin van een geluid. Ligt de invloed van aandacht op de auditieve verwerking dan wellicht voor het N1 potentiaal?

Uit onderzoek van Woldorff en Hillyard kwam naar voren dat 20 tot 50 milliseconden na het begin van een stimulus er al verschillen in golflengten waren als gevolg van selectieve auditieve aandacht, het P20-50 effect. Waarschijnlijk is dit effect het gevolg van veranderingen in de informatieverwerking voor de complete analyse van het perceptuele systeem. Wederom bewijs voor de vroege selectie theorieën. Voor de interpretatie van het P20-5- effect en het N1 potentiaal is het belangrijk te weten uit welk(e) hersengebied(en) ze worden voortgebracht.

Hiervoor hebben Woldorff en Hillyard gebruik gemaakt van MEG, de magnetische tegenhanger van EEG waarbij intercraniale bronnen beter zichtbaar zijn dan bij EEG. Bij MEG wordt gebruik gemaakt van ERF, event-related magnetic fields. Uit de combinatie van ERP en ERF is het M20-50 voortgekomen, een signaal dat uit de auditieve cortex afkomstig is in Heschl’s gyri. Het M1-potentiaal komt ook vanuit de auditieve cortex, maar later dan het M20-50 effect. Het is niet zeker of auditieve aandacht voortkomt uit veranderingen in de primaire auditieve cortex of direct vanuit de omliggende secundaire auditieve gebieden. Selectie voor aspecten van een hogere orde gebeurt in dit stadium nog niet. Uit onderzoek naar activiteit in de hersenstam is de auditieve hersenstam (brainstem) respons ontwikkelde, de ABR. Er blijkt geen verandering in de ABR plaats te vinden bij selectieve auditieve aandacht.

Met behulp van ERP is er ook onderzoek gedaan naar visuele aandacht.

Wanneer visuele aandacht vrijwillig wordt gericht op bijvoorbeeld het rechterdeel van het gezichtsveld (waarbij het linkerdeel wordt genegeerd), geeft P1 aan dat er veranderingen plaatsvinden in de ERP 70 tot 90 milliseconden na het begin van de stimulus.

De amplitude stijgt in dat geval. Deze activiteiten zijn gemeten in de laterale occipitale delen van de schedel. Het P1-effect vindt alleen plaats bij spatiële aandacht, niet bij andere kenmerken van een stimulus. Kenmerken van en hogere orde beïnvloeden de ERP pas van 120 milliseconden of meer. Spatiële selectieve aandacht loopt voor een deel via de sensorische processen van de visuele cortex, voornamelijk in de extrastriate corticale gebieden, maar mogelijk ook in de striate cortex.

Dit weten we want:

4. Het P1-effect geeft hier aanwijzingen voor. Het P1-effect is in eerste instantie maximaal in het contralaterale occipitale gebied.
5. Het P1-effect 70 milliseconden na het begin van de stimulus komt overeen met signalen in extrastriate gebieden. Dit is bekend uit onderzoek bij apen.
6. Functioneel neuro-imaging onderzoek heeft aangetoond dat aandacht in sensorische processen plaatsvindt in de extrastriate cortex.

ERP is ook betrokken bij onderzoek met valide, niet-valide en neutrale trials, zoals het onderzoek van Posner. Bij valide trials wordt een grotere sensorische ERP gevonden, de aandacht neemt toe. Dit geldt ook voor reflexieve aandacht, maar alleen als de tijd tussen de aanwijzing en de stimulus minder dan 250 milliseconden is.

Hopfinger heeft gevonden dat de P1 golf groter is bij stimuli als de sensorische aanwijzing op dezelfde locatie is en er een korte tijd tussen de aanwijzing en de stimulus zit. Als de tijd tussen de aanwijzing en de stimulus toeneemt, daalt het effect.

Luck heeft gebruik gemaakt van de eerder besproken onderzoeksopzet met rode en groene O’s en X’s. In de simpele conditie is de ERP sneller en groter bij de rode O dan op andere locaties op het scherm. Luck heeft uit de ERP de component N2pc afgeleid, die 200tot300 milliseconden na het begin van de stimulus plaatsvindt. De N2pc is het grootste in de gebieden van de visuele cortex in de contralaterale hemisfeer van de locatie waar de aan te wijzen stimulus zich bevindt. Dit is een stadium voor de totale object herkenning. De N2pc wisselt snel tussen de hemisferen als de aandacht wordt verschoven.

Functionele imaging van aandachtssystemen in de hersenen

Heinze en Mangun hebben gebruik gemaakt van PETscans in onderzoek naar spatiele aandacht. Proefpersonen kregen bilaterale stimulus reeksen van nonsens symbolen te zien. Er werd één symbool per hemisfeer getoond en ongeveer twee symbolen per seconde. Proefpersonen werden gevraagd hun aandacht te richten op het linker of rechter symbool met een fixatiepunt in het midden van het scherm. Uit dit onderzoek kwam naar voren dat spatiele aandacht leidt tot activiteit in de contralaterale extrastriate cortex met name in de posteriore fusiforme gyrus aan het ventrale corticale oppervlak.

ERP en PET geven verschillende informatie en zijn daarmee gecombineerd in vervolg onderzoek van Mangun. Het P1-effect komt wellicht voort uit de posteriore fusiforme gyrus zoals hierboven beschreven. Met behulp van MRI registratie in combinatie met ERP en PET kan wellicht worden bepaald waar en wanneer de activiteit precies plaatsvindt.

Neuro-imaging technieken zijn ook gebruikt voor aandacht voor object herkenning. Duncan concludeerde uit onderzoek dat het geven van twee perceptuele oordelen over één object simultaan gebeurt zonder verlies van accuratesse. Dit in tegenstelling tot het geven van twee oordelen over verschillende objecten.

Aandachtsmechanismen in dierstudies

Voor er onderzoek naar aandacht bij mensen plaatsvond, is gebruik gemaakt van dieronderzoek. Uit het onderzoek met de kat dat eerder is besproken is de verschuiving naar onderzoek bij mensen voortgekomen. Om de uitkomsten van deze onderzoeken verder te onderzoeken op cellulair niveau, wordt teruggekeerd naar dieronderzoek. Uit aparte celopnames in één van de visuele paden bij apen blijkt de ERP en ERF gelijk als bij mensen, maar nu kan de individuele neuronale respons worden gemeten.

Moran en Desimone trainden apen om covert aandacht te geven aan een stimulus terwijl de andere genegeerd werd. Een correcte reactie werd beloond. Spatiëel selectieve aandacht beïnvloedde het vuren van neuronen in v4. Als een stimulus aandacht kreeg dan was de respons sterker, dan wanneer deze genegeerd werd.

Wurtz en collega’s hebben onderzocht hoe de superiore colliculus een rol speelt bij aandacht. Ze vonden dat er cellen waren die leken te reageren als het aandachtssysteem actief was. Cellen in de superiore colliculus doen niet mee in vrijwillige visuele aandacht per se, maar zijn onderdeel van het oog beweging systeem en kunnen zodoende een rol hebben bij overte aandacht.

Een andere hersenstructuur waar onderzoek naar is gedaan is de pulvinaire nucleus.

De pulvinare nucleus is actief bij het filteren van aandacht. Uit onderzoek bij apen die wakker zijn, blijkt dat ze langere respons staat hebben in het dorsaal mediaal gebied van de laterale pulvinaar (Pdm) dan in andere gebieden van de pulvinare nucleus. Petersen en Robinson hebben onderzoek gedaan naar inhibitie en activatie van de Pdm door het injecteren van een drug. Gebruik van een GABA agonist leidt tot inhibitie en gaf bij de apen problemen met het richten van de aandacht op stimuli in het contralaterale deel van het gezichtsveld. Bij gebruik van een GABA antagonist, wat leidt tot activatie, gaf dit geen problemen. Hieruit kan worden geconcludeerd dat de pulvinaar een belangrijke rol speelt in de vrijwillige spatiële aandacht, het lijkt een filter te zijn voor afleidende informatie.

Mountcastle heeft ontdekt dat de fixatie van aandacht op visuele stimuli leidt tot verhoogde activatie van parietale neuronen. Wurtz concludeert uit onderzoek dat deze activiteit verhoogt als het dier de stimulus gebruikt als voor discriminatie van objectkenmerken. Deze activiteit blijkt ook verhoogd als de aandacht niet openlijk kan worden gericht vanwege bijvoorbeeld een fixatiepunt. Dit is naar voren gekomen door:

6. Parietale laesies bij apen. Dit blijkt problemen te geven bij het maken van onderscheid in spatiele relaties tussen objecten.
7. Verhoogde activiteit in de parietale cortex bij het verschuiven van de aandacht of analyse van spatiele relaties.
8. Hersenbeschadiging in de parietale cortex bij mensen. Dit leidt tot tekorten in de aandacht

Neurologie en neuropsychologie van de aandacht

Uitdoving en verwaarlozing

Het verwaarlozingsyndroom komt voor bij patiënten met unilaterale parietale laesies. Er vindt uitdoving plaats, want ze kunnen niet meer reageren op stimuli contralateraal aan de laesie als deze stimuli gelijk met stimuli ipsilateraal worden gepresenteerd. Het syndroom is niet een stoornis in de sensatie of perceptie.

Posner en Rafal hebben onderzoek gedaan hiernaar met behulp van valide, niet-valide en neutrale trials. Bij een aanwijzing voor een stimulus in het contralaterale hemiveld, volgde een relatief snelle respons. Bij een aanwijzing voor een stimulus in het ipsilaterale hemiveld waarop een stimulus in het contralaterale hemiveld volgde, volgde een ongewoon langzame respons.

Hieruit is de hypothese gevormd voor het driestadia model voor aandacht en het richten van aandacht:

7. De aandacht moet worden losgemaakt van de huidige focus;
8. De aandachtmoet worden verplaatst naar de nieuwe locatie;
9. De aandachtmoet worden verbonden aan de  nieuwe locatie ten behoeve van perceptuele verwerking.

Bij het verwaarlozingsyndroom is er sprake van een tekort in het eerste stadium, waarbij de temporale parietale gebieden een rol spelen. Men blijft als het waren vasthangen op de oude locatie.

Uit onderzoek van Corbetta bij gezonde proefpersonen blijkt bij een invalide trial activatie van het gebied in de rechter hemisfeer bij de temporaal parietale scheiding. De resultaten zouden betekenen dat de ventrale parietale, posterieure temporale en inferieure frontale gebieden betrokken zijn bij het losmaken van aandacht zodat het ergens anders op gefocust kan worden. Samen met de conclusies uit reactietijd studies suggereert dit dat lesies aan het netwerk resulteren in symptomen van neglect.

Recente beeldvormende onderzoeken laten zien dat de hersenregionen de superieure temporale hyrus, de insula en de basale ganglia het vaakst gerelateerd blijken te zijn aan spatiële neglect. Verschillen tussen onderzoeken kunnen mogelijk verklaard worden door het gebruik van verschillende methoden. Ook blijkt het dat verschillende vormen van neglect gerelateerd zijn aan verschillende hersendelen, dit kan de verschillende resultaten ook verklaren.

Wat gebeurd er met verwaarloosde informatie?

Het blijkt dat informatie die in eerste instantie verwaarloosd wordt, toch op een hoog niveau verwerkt wordt. Priming met het woord dokter in het ‘verwaarloosde deel’ zorgt namelijk voor een snellere reactie op het woord zuster in het goede deel. Er is dus sprake van onbewuste verwerking

Modellen van aandacht en bewustzijn

Informatie die geen aandacht kreeg en bewustzijn

Middels het flankeer paradigma kan men laten zien dat informatie die compleet genegeerd wordt toch informatie die wel aandacht krijgt kan beïnvloeden. Bewijs hiervoor zie je ook terug bij patiënten met neglect zoals hiervoor beschreven.

Het tripartite model van Dehaeane

Deheane beschrijft hoe stimulus salientie en top-down vrijwillige aandachtscontrole met elkaar interacteren, om zo verschillende stadia van brein activatie te produceren.

7. Subliminale verwerking
8. Pre-bewuste verwerking
9. Bewuste verwerking

Hoofdstuk 13. Cognitieve controle

De patiënt W.R. was zeer gedreven tijdens zijn opleiding tot advocaat, maar zodra hij afgestudeerd was, was zijn passie weg en werd hij tennisleraar. Zijn familie maakte zich grote zorgen over zijn plotselinge omslag. Maar naar verloop van tijd werden de problemen steeds groter en was W.R. niet eens meer in staat zichzelf te onderhouden. Het was duidelijk dat W.R. intelligent is en hij was ook in staat in te zien dat hij een probleem heeft, het interesseerde  hem alleen gewoon niet. Zelfs het feit dat zijn seksleven niets meer voorstelt, leek hem niets te doen. W.R. stelt zelf dat hij zijn ego kwijt geraakt is.

Voor de neuroloog wordt de patiënt W.R. pas echt interessant als deze vertelt dat hij in het laatste jaar van zijn studie een hevige toeval heeft gehad. Uit een CT-scan blijkt al snel dat W.R. een grote tumor heeft in zijn hersenen. De tumor bevindt zich in de linker, laterale prefrontale cortex en de rechter frontale kwab, de tumor steekt als het ware over via het corpus callosum. De prognose was slecht, omdat de tumor niet operatief verwijderd kon worden en ook van chemotherapie en bestraling werd weinig meer verwacht. Ondanks dat W.R. dit slechte nieuws wel begreep toonde hij geen enkele emotie. W.R. vertoonde geen doelgerichte gedragingen, het enige doel dat hij had was het bevredigen van de onmiddellijke behoeften zoals het stillen van zijn honger of sexuele lust. Het leek erop alsof zijn diepere hersengebieden, welke we delen met primitievere diersoorten, het systeem hadden overgenomen.

Om tot succesvol doelgericht gedrag te komen, zijn er veel stappen die we moeten voltooien. We moeten een actieplan maken, de acties die we opstellen moet flexibel zijn en adaptief. Om tussen de verschillende plannen te kunnen switchen moeten we de successen van huidige acties kunnen monitoren. Deze stappen (of operaties) noemt men cognitieve controle. Dit hoofdstuk gaat daar over.

Onderverdelingen van de frontaal kwabben

De frontaalkwabben maken ongeveer een derde van de cerebrale cortex van de mens uit.

 De centrale sulcus scheidt de frontale kwab van de pariëtale kwab. De laterale fissure scheidt de frontale kwab van de temporale kwab. De frontale kwab is veel groter in mensen dan in andere soorten. Het primaire motorgebied ligt tegen de centrale sulcus aan, deze secundaire motorgebieden liggen meer anterieur en ventraal.

De prefrontale cortex staat in verbinding met bijna alle andere delen van de cortex en via de thalamus ook met subcorticale structuren. Dit maakt deze structuur zeer geschikt voor het coördineren van verwerking van informatie. In dit hoofdstuk zal naar drie structuren van de prefrontale cortex gekeken worden: de laterale prefrontale cortex, de frontale pool en de mediale frontale cortex.

De laterale prefrontale cortex

In het dagelijkse gedrag kan het moeilijk zijn om de stoornissen als gevolg van een frontale laesies te ontdekken. Patiënten laten namelijk geen duidelijk verstoord gedrag zien en patiënten met frontale laesies scoren ook vaak normaal op een IQ-test. Wanneer men meer sensitieve testen gebruikt, komt echter naar voren dat er zich daadwerkelijk problemen voordoen. Zoals ook besproken bij de casus W.R.

Uit dieronderzoek blijkt dat een unilaterale leasie van de prefrontale cortex milde defecten geeft, maar bilaterale laesies leiden tot verlies van doelgerichte gedragingen, hierdoor is het gedrag meer stimulus gedreven. Mogelijk is dit het gevolg van gebrek aan motivatie, maar het zou ook een geheugenprobleem kunnen zijn; dieren herinneren zich bijvoorbeeld de beloning niet meer en voeren gedrag daarom niet uit.

Onderscheid tussen opgeslagen kennis en actieve informatie

Het lange termijn geheugen gebruikt een ander systeem dan het korte termijn geheugen (zie ook hoofdstuk 8). Er is wat je noemt een dubbele dissociatie tussen de beide geheugensystemen.

Het werkgeheugen is een soort kladblok waarop we informatie opslaan waar we op dat moment mee bezig zijn, dat kan informatie zijn uit het lange termijn geheugen of iets uit de omgeving waarop de persoon misschien moet reageren. Onze eerdere ervaring beïnvloedt ons huidige gedrag. Werkgeheugen is zeer belangrijk voor het uitvoeren van doelgericht gedrag.

De laterale prefrontale cortex bevat een belangrijk deel van het werkgeheugen: de interactie tussen opgeslagen kennis en perceptuele informatie. Laesies (beschadigingen) in dit gebied zorgen voor een slechte prestatie op taken die een respons vereisen die uitgesteld moet worden. Bij taken van associatief leren is er geen slechtere prestatie, omdat het hier gaat om een ander soort geheugen. Het gaat hier om herkenningsgeheugen, oftewel de lange termijn associatie tussen een cue en beloning. Bij mensen wordt vaak de Object Permanentie Test van Piaget gebruikt om het werkgeheugen te onderzoeken. Jonge kinderen  kunnen deze test niet goed uitvoeren omdat hun frontale kwab nog niet volgroeid is. Naarmate het kind ouder wordt (en de frontale kwab rijpt) presteert het beter op deze taak.

Fysiologische correlaten van werkgeheugen

Er zijn twee condities nodig voor een werkgeheugen systeem:

5. Het moet een mechanisme hebben om opgeslagen informatie te bereiken
6. Er moet een manier zijn om informatie actief te houden

De prefrontale cortex kan beide. Bewijs hiervoor werd gevonden door middel van single cell recordings tijdens een delayed respons taak. Cellen uit de prefrontale cortex werden actief tijdens de uitstel periode. De cellen onthouden als het ware wat er moet gebeuren. Uit onderzoek van Miller komt naar voren dat de cellen in de prefrontale cortex selectiviteit laten zien in termen van stimulus eigenschappen. De selectiviteit is taakspecifiek.

De fusiforme gyrus is voornamelijk betrokken bij de verwerking van gezichten. Het werkgeheugen moet informatie actief kunnen houden en het werkgeheugen moet toegang hebben tot opgeslagen informatie.

Voor zover bekend beschikt de prefrontale cortex niet over de mogelijkheid van lange termijn opslag van kennis. Het lijkt er eerder op dat deze gebieden enkel betrokken zijn bij het vasthouden van informatie waarmee gewerkt wordt. Door goede verbindingen met de delen van de temporale en pariëtale cortex (postsensorische gebieden) is het mogelijk voor de prefrontale cortex om informatie uit het lange termijn geheugen te halen om daar mee te werken.

De prefrontale cortex en andere geugen domeinen

Frontale kwabben en de temporele organisatie van geheugen

Tijd beweegt continu vooruit en bij de reconstructie van het verleden volgen we dit principe; wanneer je gevraagd wordt om gister te beschrijven zul je beginnen bij de ochtend. Mensen met frontaal leasie zijn hier niet zo goed in. Ze hebben moeite met het scheiden van gebeurtenissen in het geheugen.

Herinneringen zijn in de tijd geordend, dit heeft ook wel recency geheugen. Dit is verstoord in mensen met laesies in het dorsolaterale gedeelte van deze structuur. Bij dit gebrek is de aard van de stimulus van belang: bij laesies aan de linker hemisfeer heeft de patiënt moeite met woorden, bij laesies aan de rechter hemisfeer leidt tot moeite met tekeningen en afbeeldingen. Het testen van het recente geheugen wordt gedaan met een recency discriminatie taak: de patiënt krijgt bij deze taak kaartjes te zien met twee plaatjes daar op. Op een aantal kaartjes staan behalve de twee plaatjes ook nog twee vraagtekens. De patiënt moet dan aangeven welk van de twee plaatjes die op het kaartje staat hij het meest recent heeft gezien.

Source memory

Bron (source) geheugen gaat het om de bron van informatie of de context waarin informatie geleerd is. Patiënten met laesies aan de frontale kwab kunnen zich wel het geleerde feit  herinneren, maar hebben moeite met het herinneren van de bron. Er is een dissociatie tussen item en brongeheugen, ook bij gezonde mensen bestaat deze dissociatie.

Componenten analyse van de prefrontale cortex

De laterale prefrontale cortex speelt een rol bij werkgeheugen, maar deze structuur beslaat een groot gebied. Men vraagt zich dan ook af hoe je de verschillende bijdragen van de pre frontale cortex kunt karakteriseren. Een eerste benadering focust zich op de inhoud van de gerepresenteerde informatie (content based). Baddely kwam met een belangrijk idee; er zouden twee rehearsal systemen concurreren om toegang tot de central executive. Het ene systeem is het visuospatial sketchpad, en het andere systeem is de fonologische loop.

Het model van Baddeley van het werkgeheugen:

visuoruimtelijk sketchpad -> centraal executief systeem <-> fonologische loop

er wordt gedacht dat de linker hemisfeer bij de fonologische loop hoort en de rechter hemisfeer bij visuospatieel sketchpad. Toch is de linker helft ook actief bij het spatieel werkgeheugen, mogelijk omdat je het dan omzet in een verbale verwoording. Een andere content gebaseerde hypothese is dat er twee visuele systemen zijn:

 Een dorsale route voor ruimtelijke informatie en een ventrale route voor objectinformatie.

Een tweede benadering focust zich op het proces dat plaatsvind; proces-based. Uit onderzoek blijkt dat de laterale prefrontale cortex van groot belang is, wanneer de inhoud van het werkgeheugen gemanipuleerd moet worden. Bijvoorbeeld bij het onthouden van een getallenreeks of in een n-back taak.

In een n-aantal terug taak krijgt de patiënt plaatjes aangeboden en moet deze matchen met een eerder getoond plaatje. Bij 2- terug moet de stimulus dus gematched worden aan een twee beurten eerder getoond plaatje. Dit vereist een constante update van het werkgeheugen (behoud en manipulatie van informatie). Des te groter n wordt des te meer belasting er optreed van zowel het werkgeheugen als het sensorische geheugen.

Activiteit neemt toe wanneer de moeilijkheid van de taak stijft. Werkgeheugen gaat dus niet alleen over het actief houden van informatie die taakrelevant is, maar ook over het manipuleren van informatie om een doel te bereiken. Bij deze benadering is verder gebleken dat de frontale pool essentieel is voor het integreren van specifieke inhoud tot een algemeen framework. Onderzoek naar de frontale pool is schaars, omdat het meer ruis bij studies geeft en omdat het een relatief jong gebied is waardoor er veel individuele verschillen zijn. Activatiepatronen volgen een hiërarchie in de frontaal kwabben, hoe lastiger , hoe meer anterieure activatie. 

Doelgericht gedrag

Doelen zijn hiërarchisch georganiseerd. Een direct doel van actie (bv leren) kan tevens ook een subdoel zijn van iets  (afstuderen). De mogelijkheid om een samenhangend actieplan te maken verslechterd na beschadiging van de prefrontaal kwab, zodoende behalen ze hun doelen niet. Dit is niet te wijten aan een gebrek in kennis, want zoals naar voren kwam uit de casus hebben ze vaak een (boven) gemiddeld IQ. En ze doen het vaak ook gemiddeld op taken die frontale functies meten. Op de zes-elementen test doen ze het wel slecht.

Shallice ontwierp een  test om patiënten met frontale laesies te testen op doelgericht gedrag. De test bestaat uit taken die de patiënt ook in het dagelijks leven uit moet voeren, zoals boodschappen doen, informatie inwinnen en het nakomen van afspraken. Patiënten scoren vaak slecht op een dergelijke tests omdat ze snel afgeleid zijn van de taak die ze moeten voeren. Als ze bijvoorbeeld naar de supermarkt gaan om een brood te kopen en ze lopen langs een kledingzaak waar ze een leuke broek in de etalage zien hangen, zullen ze geneigd zijn de zaak binnen te lopen om de broek te passen en vervolgens zijn ze vergeten dat ze nog brood moesten kopen.

Het plannen en selecteren van een actie

Om een doel te kunnen bereiken maak je een actieplan, dit kan een hiërarchie van subdoelen zijn. Elk subdoel moet voltooit worden om het uiteindelijke doel te halen. Dit vraagt om acties. Er zijn drie componenten essentieel om een actieplan uit te voeren

1. Identificeren van (sub)doelen
2. Consequenties horend bij doelselectie in kaart brengen
3. Benodigdheden om subdoel te volbrengen bepalen

Er zijn veel mogelijke manieren waarop het halen van het doel niet lukt; je moet er achter komen welke manier efficiënt is en soms lukt het niet om irrelevante informatie te negeren. Bij het maken van een actieplan neem je dus ook verschillende subdoelen in overweging. Ui onderzoek kwam naar voren dat dit nogal eens fout gaat, de verkeerde subdoelen worden dan geselecteerd.

Cognitieve controle bij doelgericht gedrag

Het is essentieel dat je subdoelen evalueert en monitoort. Dit vraagt om shifting tussen de subdoelen en dat is een eigenschap van cognitieve controle. Naast shifting gaat cognitieve controle ook over focussen op relevante informatie, het irrelevante negeren en het doel in je hoofd houden etc. deze aspecten worden getest op de wisconsin card sorting test (WCST). Mensen met een beschadiging in de frontaal kwab vinden deze taak lastig, ze persevereren vaak.
 

Aspecten van cognitieve controle

• Retrieval en selectie van taak relevante informatie

De prefrontale cortex kan worden gezien als dynamisch filter mechanisme .

Dynamische filteren zorgt ervoor dat de informatie waarop de aandacht gericht is, makkelijker opgenomen wordt en informatie dat niet van belang is, buitengesloten kan worden. Dit is handig vanwege de beperkte bronnen. Het lijkt erop dat de frontale kwab een inhiberende functie heeft die verloren gaat bij laesies in dit gebied. Dit falen van de inhiberende controle zorgt dat de patiënt moeite heeft met het buitensluiten van afleiding. Hierdoor heeft de patiënt geen moeite met herkenningstaken, maar wel met het maken van recency beoordelingen. De rol van de prefrontale cortex als filter kan ook verklaren waarom ze persevereren op de WCST en  de grotere traagheid op de STROOP taak.

• Task switching

(pre)frontale schade leidt tot het lastig behouden van focus in een omgeving waarbij verschillende bronnen van informatie om aandacht vragen. Dit kun je onderzoeken met een task-switching experiment (WCST). De WCST is niet bruikbaar om te kijken waar het proces nou precies fout gaat. Gaat het mis bij het negeren van irrelevante informatie, focussen ze zich op een dimensie? Om hier wel naar te kijken gebruik je simpele task-switching taken; men moet een letter of nummer benoemen uit de letter-nummer combinatie aangegeven door een kleur of woord. Patiënten met schade aan de laterale prefrontale cortex zijn sloom blij kleur als cue, maar normaal bij woord als cue want dit vraagt geheugen.

Top-down cognitieve controle

Dynamische filtering is een vorm van top-down controle. Er is veel onderzoek geweest om te onderzoeken hoe top-down controle tot stand komt. Dit is uitdagend omdat je hersengebieden bekijkt die ver van elkaar vandaan liggen en toch met elkaar communiceren.

Remmende en helpende mechanismen bij top down controle

Top-down controle zou de inhoud van informatieverwerking op twee manieren kunnen beïnvloeden

• Het accentueren van de aanwezige informatie
• Andere informatie uitsluiten

Bijvoorbeeld als verschillende bronnen van informatie van dezelfde locatie komen, kunnen we taak relevantie informatie accentueren of informatie inhiberen. Mensen met een dysfunctie van de frontaal kwab laten verlies van inhibitoire controle zien. Zo blijkt uit de evoked respons. Dit zie je ook terug bij apen met een prefrontale cortex leasie. De delayed-respons taak gaat dan beter als de kamer tijdens de delay donker is, de afleidbaarheid neemt dan namelijk af.

Het falen van inhibitie kan ook een dissociatie tussen recognition en recencey geheugen verklaren; beide stimuli hebben dezelfde mate van activatie, daardoor weet men niet welke het meest recent is. Beide vormen van top-down controle (inhibitie/accentuatie) kunnen tegelijk werken. Zo bleek uit onderzoek waarbij of gezichten of situaties onthouden moesten woorden. Gezicht gaf een toename van de activatie in de FFA en een afname in de PPA, terwijl dit voor situaties andersom was; de PPA liet meer activatie zien en de FFA een daling. Ouderen laten deze inhibitie echter niet zien. Wanneer de prefrontale cortex onder druk staat dan wordt de inhibitie verminderd.

Top-down controle kan er ook voor zorgen dat bepaalde informatie niet in het werkgeheugen komt, zodat het niet naar het lange termijn geheugen kan. Dit is anders dan het inhiberen van irrelevante informatie. Men noemt het actieve repressie. Het vraagt meer van ons wat zich uit in verhoogde activatie van de prefrontale cortex.

Inhibitie van actie

Dit is ook een vorm van cognitieve controle. Je kunt het zien als het tegenovergestelde van actieselectie. Maar zijn de neurale mechanismen ook hetzelfde? Waarschijnlijk niet, het zou niet efficiënt genoeg zijn om de ongewilde actie te stoppen. Men heeft dit onderzocht met de stop-signaal taak. Patiënten met frontaal kwab leasie zijn langzamer in het stoppen van een geplande respons. Dit geld voor schade aan de rechter hemisfeer aan de inferiore frontale gyrus.

Zorgen dat doelgericht gedrag slaagt

Actieselectie

Actieselectie is een concurrerent proces. Een schema control unit komt overeen met expliciete acties. Er kunnen verschillende schema’s tegelijkertijd geactiveerd worden en een controle proces zorgt er voor dat de juiste unit geselecteerd wordt. Er zijn twee typen actieselectie: contention schedulling (passief) en supervisory attentional system (flexibel, zelf kiezen). Zie voor een overzicht figuur 13.27 op blz 588.

Monitoring

Een laatste proces is dat van monitoring. Wanneer er verschillende subdoelen gesteld zijn moet je bijhouden of ze goed gaan (of ze leiden tot het doel). De mediale frontale cortex speelt hier een rol; met name de anterior cingulate cortex (ACC). Her gaat dan vooral om het monitoren van meerdere dingen tegelijk, waarbij de aandacht verdeeld is. Of tijdens een nieuwe situatie. Er is een hiërarchisch model voorgesteld, waarbij de ACC het executieve aandacht systeem is, maar dit model is slechts beschrijvend. Het legt niet uit hoe het werkt. Er zijn daarom andere modellen voorgesteld. Een model begon met het gegeven dat bij een foute respons er een evoked respons in de prefrontale cortex is (error related negativitie, ERN). ERN is afwezig wanneer iemand zich niet bewust is van de fout. ERN kan zorgen voor heractivatie van het doel in het werkgeheugen. De Mediale frontale cortex en de ACC zijn ook actief wanneer er weinig of geen error optreedt. Zodoende wordt gedacht dat de mediale frontale cortex respons conflict evalueert.

Hoofdstuk 14. Sociale cognitie

Patiënt M.R. heeft schade aan zijn orbitofrontale cortex, ondanks  deze schade presteert hij normaal op neuropsychologische taken van geheugen, motorische vaardigheden en taalvaardigheden. Zodra je echter een gesprek begint zul je merken dat M.R. moeite heeft met sociaal gedrag. Hij zal aan een compleet vreemde hele persoonlijke dingen vertellen, hem omhelzen of erg in detail treden waardoor hij zijn gesprekspartner zal vervelen. Een ander bekend voorbeeld van iemand met dezelfde soort schade is Phineas Gage. Tijdens het werk heeft een ijzeren staaf het hoofd van Gage doorboort en heeft daarmee bijna het gehele mediale gebied van de prefrontale cortex vernietigd.  Wonderbaarlijk genoeg genas de wond snel en werd Gage ontslagen uit het ziekenhuis. Al snel bleek dat de persoonlijkheid van Gage volledig veranderd was. Van de hardwerkende, sociale en verantwoordelijke persoon was weinig meer over. Hij was echter wel in staat om te redelijk te functioneren in het dagelijkse leven, zij het op een onfatsoenlijkere manier. Uiteindelijk stierf hij aan een epileptische aanval, dit als gevolg van de schade die zijn hersenen opgelopen hebben door zijn ongeluk.

De sociaal cognitieve neurowetenschap kijkt naar hoe cognitieve processen uit het brein sociaal gedrag mogelijk maken.

Zelfperceptie en zelfkennis

Self-referential verwerking

Hoe komt het dat we bepaalde informatie beter herinneren dan andere? Volgens Craik en Lockhart geldt dat wanneer informatie op een meer betekenisvolle manier verwerkt wordt de informatie beter onthouden zal worden in vergelijking met een oppervlakkige manier van verwerken. Eind jaren 70 kwam men erachter dat informatie die aan de ‘zelf’ gerelateerd kan worden, op de diepste manier verwerkt wordt. Dit staat bekend als het self referent effect. Maar waarom is dit zo?

Er zijn twee mogelijke hypothesen:

• De zelf representeert het einde van diepte van verwerking. Informatie die betekenisvol is voor ons zelf krijgt meer aandacht en zal dieper verwerkt worden.
• De zelf is een speciale cognitieve structuur, wanneer dit het geval is dan zul je aparte neurale regionen moeten vinden. Welke actief zijn bij het self-referent effect. Uit onderzoek komt naar voren dat de mediale prefrontale cortex (MPFC) actief is.

Zelfperceptie als motivationeel proces

Oordelen over onszelf zijn vaak onnauwkeurig. We hebben de motivatie om onszelf in een positief daglicht te zien. Uit onderzoek van Taylor en Brown komt dit ook naar voren. Meer dan de helft van de mensen denken dat zij hoger dan gemiddeld intelligent zijn, dat ze knapper zijn dan gemiddeld of bijvoorbeeld grappiger zijn dan gemiddeld.

Welk deel van de hersenen is hier verantwoordelijk voor? Uit twee studies komt naar voren dat de ACC hier verantwoordelijk voor is.

Ondanks dat de oordelen soms onnauwkeurig zijn, wil dit niet zeggen dat ze compleet van de werkelijkheid afwijken. Nauwkeurige zelfperceptie is namelijk nodig voor sociaal gedrag. We moeten immers inzicht hebben in ons eigen gedrag om te weten of we voldoen aan de normen die de sociale situatie met zich meebrengt. Uit onderzoek van Gazzaniga komt naar voren dat de orbitofrontale cortex hier een belangrijke rol bij speelt. Patiënten zoals M.R. hebben onrealistische positieve zelfbeelden.

Perceptie van anderen

Naast zelfkennis is het ook belangrijk om het gedrag van anderen te begrijpen. Dat dit belangrijk is zie je terug in het feit dat baby’s langer kijken naar gezichten dan objecten.

Het proberen te begrijpen van anderen zie je ook terug in het roddelen dat zich op latere leeftijd voordoet. Mensen die zich niet aan de norm houden zijn vaak onderwerp van roddelen.

Begrijpen van de mentale toestand van een ander

Het begrijpen van de mentale toestand van een ander wordt ook wel theory of mind genoemd. Het speelt een belangrijke rol bij de ontwikkeling van empathie. Het begrijpen van iemands mentale toestand is ook belangrijk omdat de visuele cues lang niet altijd overeenkomen met de mentale toestand. Denk bijvoorbeeld aan het beleefd lachen naar iemand, terwijl je diegene eigenlijk helemaal niet mag. Theory of mind begint vanaf ongeveer het vierde jaar met ontwikkelen.

Neurale correlaten van theory of mind

Uit verschillende studies komt naar voren dat de MPFC een rol speelt bij het maken van inferenties over andermans mentale toestand. Ook bij het maken van impressies speelt dit hersengebied een rol, zoals bleek uit het onderzoek van Mitchell et al. Een ander hersengebied dat waarschijnlijk een rol speelt bij theory of mind is de temporoparietal junction in de rechter hemisfeer.  Onderzoek dat gebruik maakte van de localizer task (een variatie op de Sally-Anne task) liet dit zien.  Zie ook figuur 14.8 voor uitleg van de Sally-Anne taak.

Toch is het niet logisch dat een specifiek gebied verantwoordelijk is voor zoiets complex als theory of mind. De MFPC en de rTPJ zijn gebieden die mogelijk een rol spelen, maar hoe moet je hun rol zien? Er zijn twee hypothesen voorgesteld.

De eerste is dat de rTPJ gespecialiseerd is in het redeneren over de mentale staat van een ander, en de MPFC gaat globaler over het redeneren over anderen (niet beperkt tot de mentale staat). Een tweede hypothese is dat MPFC redeneren over sociale taken begeleid en dat rTPJ belangrijk is voor het controleren van aandacht in zowel sociale als niet sociale taken.

Bewijs voor de eerste hypothese komt naar voren uit het onderzoek van Saxe en Powel. Deelnemers ondergingen een hersenscan tijdens het verwerken van informatie over iemands fysieke uiterlijk, interne fysiologie of mentale staat. De MPFC was actief bij de eerste twee soorten informatie, de rTPJ alleen bij informatie over mentale staat.

Bewijs voor de tweede hypothese komt naar voren uit de attentional cuing procedure. Deelnemers krijgen hier valide of invalide informatie over waar ze hun aandacht naar toe moeten sturen. Veel studies vinden dat de rTPJ actief is bij false belief taken (invalide), zowel sociale false belief taken als niet sociale.

Integreren van nonverbale cues en mentale staat

In het echte leven zullen nonverbale cues ons meer vertellen over een mentale staat, dan verbale of andere cues. We weten dit omdat patiënten met taalstoornissen beter zijn in het detecteren van liegen, dan controle personen. Een bron van nonverbale informatie is bijvoorbeeld gezichtsexpressie of houding.

Al op jonge leeftijd ontwikkelen kinderen gedeelde aandacht; ze staren naar de blik van een ander om te bepalen waar diegene naar kijkt. Oogcontact kan ook vertellen over de mentale staat van iemand. Iemand die veel wegkijkt tijdens het vertellen zal misschien liegen. De superiore temporale sulcus speelt een belangrijke rol bij het interpreteren van iemand blik in combinatie met mentale staat.

Autisme

Autisme is een pervasieve ontwikkelingsstoornis die gepaard gaat met gestoorde sociale interactie. Mensen met autisme hebben de neiging om heel concreet te redeneren. Daarnaast vinden ze het moeilijk om de mentale staat van iemand anders te begrijpen. Ze voelen zich erg op hun gemak bij veel routinematige bezigheden, en raken gestrest als de routine verstoord wordt. Baron-Cohen stelt dat mensen met autisme hun aandacht van anderen wenden omdat ze problemen hebben in hun theory of mind vaardigheden. Hij stelde de term mindblindness voor. Kinderen/volwassenen met autisme vinden false belief taken lastig.

Mensen met autisme vinden het ook moeilijk om mentale staat af te leiden van gezichtsexpressies. Wanneer kinderen foto’s met gezichtsexpressies krijgen, sorteren gezonde kinderen deze op emotie maar kinderen met autisme sorteren ze vaak op fysieke eigenschappen zoals het hebben van een grote neus, of de kleur kleren die de persoon aan heeft.

Waarom kijken mensen met autisme anderen niet aan ? sommige stellen dat het komt omdat ze het niet fijn vinden. Klin stelt een alternatieve hypothese voor; mensen met autisme zien niet in dat oogcontact een belangrijke cue is bij begrip over sociale situaties.

Mensen met autisme laten minder activiteit zien in de MPFC en STS bij het uitvoeren van theory of mind taken.

Convergentie in perceptie van zelf en anderen

De simulatie theorie stelt dat theory of mind gebaseerd is op de mogelijkheid om onszelf in de schoenen van een ander te plaatsen. We gebruiken onze eigen gedachten om die van een ander te simuleren. Hoe wordt dit proces in de hersenen gevonden?

MPFC

De simulatie theorie stelt dat het concept zelf en ander dus nauwverbonden zijn. Dit zie je terug in activatie bij zowel zelfperceptie als perceptie van gelijke anderen. Er is geen activatie bij een ongelijke andere.

Empathie

Empathie laat de nauwe band tussen zelf en anderen zien. Hierbij spelen spiegel neuronen een grote rol. Een aantal studies vind bijvoorbeeld dat het zien van walging en het zelf ervaren ervan in beide gevallen de insula activeert.

In het onderzoek van Singer werd breinactiviteit van de deelnemers gemeten terwijl ze zelf een pijnlijke stimulatie kregen, of terwijl ze de pijnlijke stimulatie van de romantische partner zagen. In beide gevallen was de insula en de anterieure cingulate actief.

Sociale kennis

Representaties van sociale kennis

Een lastig aspect aan sociaal gedrag is dat er maar weinig consistente regels zijn. Elke sociale situatie neemt andere normen met zich mee. Gedrag dat in situatie A gepast is, is ongepast in situatie B.  De prefrontale cortex lijkt een belangrijke rol te spelen in oordelen wanneer iets wel of niet gepast is.

Mensen met schade aan de PFC nemen bijvoorbeeld context niet mee in hun overweging. Je ziet dit terug bij utilizatie gedrag, wanneer deze mensen een voorwerp zien zullen zij de gepaste beweging hiermee uitvoeren. Zelfs als dit niet gepast is in de sociale situatie. Zo is er een patient beschreven die gelijk een afbeelding aan de muur begon te spijkeren toen hij het kantoor van zijn therapeut binnen liep waar hij een hamer, foto en spijker zag liggen.

In overeenstemming met het idee dat patiënten met schade aan de frontaal kwab stimulus gedreven gedrag vertonen zie je ook imitatie gedrag.

Het gebruik van sociale kennis bij het maken van beslissingen

Damasio stelde de somatic marker hypothese voor, deze theorie stelt dat sociale informatie in de vorm van fysiologische arousal onze besluiten stuurt. Je ziet dit terug bij de IOWA gambling task. Deelnemers krijgen verschillende stapels kaarten waarbij de ene stapel op lange termijn winst geeft en de andere op lange termijn verlies. Middels de somatische markers leren de gezonde deelnemers onbewust van de goede stapel te kiezen, zodat ze op lange termijn winst maken. Patiënten met schade aan de orbitofrontale cortex leren dit niet, ze genereren geen somatische markers waardoor ze op lange termijn geen winst maken.

Morele beslissingen

Hiervoor wordt vaak het trolley probleem gebruikt (zie figuur 14.19). we maken verschillende keuzes afhankelijk van onze persoonlijke betrokkenheid bij het offeren van een leven omdat het gaat om emotioneel beslissen.

Hoofdstuk 15. Evolutionair perspectief

De evolutie van de hersenen

De leidraad van vroegere wetenschap en van de basis van de moderne wetenschap stoelt op twee grondstellingen. Allereerst is de mens het toppunt van leven. Ten tweede staat de geest of de ziel min of meer los van het lichaam,. Hierdoor is men geneigd de evolutie van de brein te zien als een lineair proces, met als hoogste punt het brein van de mens. Het brein van de mens moet men echter niet zien als het brein van een aap of chimpansee met een aantal toegevoegde hersengebieden. Het menselijk brein is een samenstelling van oude en nieuwere gebieden die zich in de loop van de evolutie hebben gevormd naar de omgeving door bijvoorbeeld uitbreiding of inkrimping van gebieden. Het is belangrijk te onthouden dat de visie op cognitie en evolutie wordt beïnvloed door de twee grondstellingen.

De historische onderbouwing van de huidige evolutionaire neurobiologie

Darwin en Rusell Wallace hebben ontdekt dat natuurlijke selectie ten grondslag ligt aan evolutie. Eigenschappen die goed aansluiten bij de eisen van de omgeving blijven bestaan, door bijvoorbeeld voortplanting. Andere eigenschappen doven uit. Deze ontdekking heft  grote invloed op de moderne evolutionaire neurobiologie.

Brodmann  heft met behulp van de kleurstof van Nissl de cyto-architectuur van de cerebrale cortex van mensen en andere zoogdieren bestudeerd. Sommige cyto-architectonische gebieden kunnen bij alle zoogdieren worden gevonden, wat duidt op mogelijk een zelfde voorouder.

Op basis van onderzoek naar de cyto-architectuur is het volgende standpunt gevormd. Sensorische informatie wordt van subcorticale structuren via de primaire ontvangstgebieden in de neocortex naar de secundaire cortex gestuurd. Uiteindelijk wordt de informatie in de associatie gebieden verwerkt. Dit standpunt moet echter worden herzien aangezien het grootste deel van de neocortex sensorisch en motorisch is in plaats van associatief.

De ontdekking van de moleculaire structuur van DNA heft een grote invloed gehad op de neurowetenschappen. In diezelfde periode was de neuro-etiologie, waarbij gedrag vanuit een biologische perspectief wordt benaderd, in opkomst. Onderzoek van Tinbergen en Lorenz is erg bekend geworden. Een ei rolt uit het nest van een gans. Zodra de gans het ei ziet, fixeert ze op het ei en strekt haar nek uit over het ei. Vervolgens legt ze haar snavel over het ei en rolt het terug naar het nest. Wanneer het ei tijdens deze actie wordt weggehaald door een onderzoeker, maakt de gans de gehele actie toch af. De actie van de gans blijkt niet gericht op het terughalen van het ei. Het is een gefixeerd actiepatroon dat, zodra het begonnen Is, hoe dan ook wordt afgemaakt.

Wilson is de grondlegger van sociobiologie en staat bekend om zijn uitvoerige studies van dierenkolonies, zoals die van de mier. Hij bestudeerde de biologische basis van alle sociale gedragingen die daarbij komen kijken. Hij concludeerde dat de functie van het leven van een organisme geen voortplanting is, maar dat een organisme een tijdelijke drager van genen is en deze reproduceert. Richard Dawkins heeft dit idee verder gepromoot in zijn boek ‘The Selfish Gene’. Hierin draait hij de rollen tussen organismen en genen om. Genen zijn er niet om het organisme te dienen (door het organisme te voorzien van allerlei eigenschappen) maar eerder andersom. Het organisme, inclusief zijn eigenschappen, is er om er voor te zorgen dat de genen gekopieerd worden.

De sociobiologie is door de sociologie en psychologie vervormt tot evolutionaire psychologie. De hersenen hebben aanpassingsstrategieën van algemene aard met als het ware algemene regels voor gedrag. Deze regels kunnen in verschillende omgevingen worden toegepast en kunnen daardoor tot vele verschillende gedragingen leiden.

Moderne evolutionaire neurobiologie: de aannames en doelen

Moderne evolutionaire neurobiologie, of vergelijkende wetenschap richt zich niet alleen op de rol van genen in de evolutie, maar ook op de interactie tussen genen en omgeving met betrekking tot de bouw van een zenuwstelsel.

Woolsey stelde door middel van elektrofysiologische technieken vast dat verschillende architectonische gebieden van de neocortex inderdaad betrokken zijn bij verschillende functies. Herrick vergeleek neurale structuren van verschillende dieren en stelde voor dat wanneer verbindingen tussen gelijke structuren licht toe zou nemen, de capaciteit van de hersenen exponentieel zou toenemen.

Kaas bewees dat de neocortex bijna geheel sensorisch en motorisch is in plaats van voornamelijk associatief. Bovendien bleek dat complexe hersenen niet evolueren door toename van associatie cortex, maar door toename van sensorische en motorische gebieden en de verbindingen daartussen.

De vergelijkende neurowetenschap stoelt op drie assumpties:

• Al het gedrag  van organismen wordt voortgebracht door het zenuwstelsel
• Hersenen evolueren, waardoor gedrag evolueert
• Het proces van de evolutie van de hersenen en het gedrag dat daaruit voortkomt kan worden begrepen door bestudering van de producten van dit proces, namelijk de dieren die bestaan

Sommige critici beweren echter dat door de flexibiliteit van de menselijke hersenen (als product van de vergrootte neocortex) dat cultuur en ideeën ook een grote invloed hebben op gedrag. Het niet enkel de genen (nature) die een invloed hebben op gedrag maar ook de (culturele) omgeving (nurture).

Volgens Bullock was voor het ontstaan van de mensheid het brein als het hoogtepunt van evolutie. Bullock was een leider in de vergelijkende neurobiologie, hij beschreef drie doelen van de vergelijkende neurowetenschap. : roots (hoe kwam het brein tot zijn huidige organisatie), rules (hoe ontwikkelde het zenuwstelsel zich), en relevance (algemene principes die gelden voor alle dieren).

Afhankelijk van het doel van het onderzoek wordt het onderzoeksdier gekozen. Inktvissen hebben lange axonen die makkelijk zijn te onderzoeken. Resultaten uit onderzoek naar natriumkanalen bij inktvissen, kunnen worden gebruikt voor mensen. Voor onderzoek naar het middentemporale visuele gebied, zijn primaten de eerste keus. Om te onderzoeken hoe de somatosensorische en motor cortex zijn aangepast ter specialisatie, is gebruik gemaakt van vogelbekdieren en mollen.

De eerste principes

Darwin is beroemd door zijn theorie over evolutie door natuurlijke selectie. Darwin kwam tot deze theorie door drie observaties:

7. Individuen in een populatie dieren verschillen van elkaar op bepaalde eigenschappen
8. Sommige van deze verschillen zijn erfelijk
9. Niet alle individuen in een populatie overleven

Mendel voegde hieraan toe dat bepaalde trekken door voortplanting blijven bestaan omdat ze een bepaald voordeel opleveren. Darwin refereert in zijn werk ‘On the origin of species’ echter niet naar Mendel.

Een fenotype is een bepaalde trek die geobserveerd kan worden. Een genotype is de onderliggende genetische samenstelling van het organisme dat het fenotype voortbrengt. Het voortbestaan van het organisme hangt af van de geschiktheid van het fenotype in de omgeving. Door aanpassing van het organisme kan het fenotype en het genotype veranderen door middel van voortplanting.

Het erfelijk materiaal bestaat uit genen. Een gen bestaat uit twee chromosomen die DNA bevatten. Homozygote genen zijn gelijk, dyzygote genen niet. Een chromosoom bestaat uit verschillende allelen. Genetische specificiteit houdt in dat één gen één bepaalde functie of gedraging voortbrengt. Genetische pleiotropie houdt in dat één gen meerdere functies heeft. Hierdoor blijven waarschijnlijk ziektes als Alzheimer en schizofrenie bestaan.

Het gen waarop deze ziekte als het ware zit, heeft ook een positieve functie. De hersenen bestaan uit positieve, negatieve en neutrale trekken en zijn daarom te zien als een compromis.

Een epifenomeen is als het ware een bijproduct van een genotype. De genetische structuur was in eerste instantie hiervoor niet ontstaan. Als het epifenomeen verder goed past in de omgeving, zal het blijven bestaan. Uit bovenstaande wordt duidelijk dat met name complexe gedragingen moeilijk zijn te onderzoeken vanuit een evolutionair perspectief. Sterker nog, vanuit een evolutionair perspectief zijn de huidige hersenstructuren zoals we die onderzoeken slechts een momentopname in de eeuwig voortdurende evolutie.

Evolutionaire mechanismen

Verandering in fenotypes vindt plaats door verschillende genetische mechanismen. Door mutaties kan genetische materiaal veranderen. Dit kan positieve, negatieve en neutrale effecten hebben. Mutaties komen niet vaak voor. Er is onderzoek gedaan naar deze mutaties bij gemuteerde muizen. Dit leverde echter problemen op omdat veel gemuteerde muizen stierven en omdat de mutaties nooit specifiek zijn. Dit laatste is het gevolg van genetische pleiotropie. Uit alle onderzoeken naar mutaties komt het volgende naar voren:

10. Verandering in een fenotype door verandering in de genetische structuur is moeilijk te bewerkstelligen
11. Een kleine verandering in het genotype kan grote veranderingen in het fenotype veroorzaken.
12. Factoren die niet direct genetisch zijn moeten bijdragen aan de grote variabiliteit in

fenotypen

Een fenotype kan ook veranderen door genetische recombinatie. Dit houdt in dat de combinatie van allelen op een chromosoom verandert. Dit vindt plaats door sexuele recombinatie van genetisch materiaal wanneer het kind een nieuw pakket aan genetische materiaal meekrijgt van twee genetische verschillende ouders. Op deze wijze lijkt een kind wel op zijn ouders maar is hij op zich ook weer een unieke combinatie van genetisch materiaal, wat weer zorgt voor extra variatie. Hiernaast is er ook sprake van ‘crossing over’. Hierbij wordt genetisch materiaal tijdens celdeling door elkaar geschoven waardoor nieuwe combinaties kunnen ontstaan. Hele stukken DNA kunnen hierdoor worden gekopieerd waardoor latere mutaties een basis hebben om nieuwe genen te ontwikkelen.

De vergelijkende benadering

Uiteindelijk gaat onze interesse uit naar de werking van het menselijk brein. Hiervoor zijn echter alleen indirecte technieken mogelijk, zoals fMRI en PET. Daarom moeten we ons op dieronderzoek richten om verder inzicht in het  menselijk brein te krijgen.

Homologie houdt in dat een bepaalde structuur, gedragingen of een gen van een gelijke voorouder is behouden. Hierbij is het belangrijk te onthouden dat een homologe structuur in de hersenen niet noodzakelijk dezelfde functie heeft bij verschillende dieren.

Homoplasie houdt in dat structuren die op elkaar lijken niet altijd dezelfde voorouder hoeven te hebben.

Het samenkomen van de evolutie houdt in dat overeenkomsten kunnen ontstaan, onafhankelijk van verschillende afstammingen. Hieruit kan worden geconcludeerd dat de hersenen evolueren volgens beperkte en stugge regels. Een ‘ out-group’  vergelijking wordt gebruikt om vast te stellen of bepaalde kenmerken van de hersenen homoloog, homoplastisch of analoog zijn en om de fylogenetische relatie tussen dieren vast te stellen. Volgens het principe van spaarzaamheid is bij een ‘ out-group’ vergelijking de beste hypothese degene die de minste vervormingen nodig heeft om een fenomeen te verklaren. Stel dat we willen weten of mensen een bepaalde trek hebben, maar dit niet direct kunnen onderzoeken. We onderzoeken dan bijvoorbeeld drie aapsoorten waarvan wordt aangenomen dat ze dezelfde voorouder hebben. Stel dat de trek in alle groepen voorkomt, maar in twee van de drie aapsoorten bij één enkele aap niet. Volgens het principe van spaarzaamheid is het zeer waarschijnlijk dat mensen deze trek ook hebben.

De schaalverdeling van de natuur herzien

Hodos en Campbell stellen dat het idee dat de mensen aan de top van de evolutie staat, niet klopt. Er wordt door wetenschappers echter wel vastgehouden aan dit idee, wat grote gevolgen heeft voor evolutionair onderzoek. Het algemene idee dover de loop van de evolutie zet insecten en vissen onderaan, dan vogels, katten, honden, apen en bovenaan mensen. Hieruit vloeit voort dat evolutie een lineair proces is, waarbij als het ware steeds hersendelen of functies zijn toegevoegd.

Het gebied van Broca wordt in het algemeen gezien als een hersengebied dat is toegevoegd waardoor de mens het vermogen van taal heeft. Het evolutionair perspectief geeft een andere kijk op het ontstaan van het gebied van Broca. Morfologische en gedragsmatige specialisaties hangen samen met corticale specialisaties die bestaan uit het vergroten of veranderen van het corticale gebied in kwestie. Zo gebruikt het vogelbekdier zijn snavel om een prooi te herkennen en te lokaliseren. Hiervoor heeft het vogelbekdier in de loop van de evolutie elektroreceptoren ontwikkeld, een nieuw soort sensorisch receptor. Ook is de neurale as, met name in de neocortex, veranderd ten behoeve van deze receptoren. In het geval van het gebied van Broca, kunnen we dit gebied zien als een hersengebied dat meer zoogdieren hebben, maar wat bij mensen verder gespecialiseerd is.

Aanpassing en de hersenen

Evolutionaire wetenschappers denken dat het menselijk brein zich heeft aangepast om met een omgeving om te gaan zoals deze ongeveer 100.000 jaar geleden bestond. In het Pleistoceen tijdperk verzamelde de mens knollen, vruchten en noten en joeg de mens op wild voor voedsel. Sindsdien zijn aanpassingen van de hersenen erg langzaam gegaan. Zo is het auditieve systeem niet aangepast aan de huidige luide muziek en het spijsverteringsstelsel niet aan de moderne hamburger en ander vet, onnatuurlijk, voedsel.

Uit onderzoek van Tverskey en Kahneman blijkt dat men bij het kiezen van een oplossing voor een groep mensen, geen gebruik maakt van een simpele kostenbaten analyse. Wanneer een oplossing positief wordt gepresenteerd, zoals het redden van levens, reageert men anders dan wanneer dit negatief wordt gepresenteerd, zoals het beperken van het aantal doden. Terugkijkend naar het Stenen Tijdperk, zien we dat mensen alleen in staat hoefde te zijn om zichzelf te beschermen en om zelf te overleven in plaats van als een groep. Dit verklaard waarom we soms irrationele keuzes maken.

Bij het kijken naar adaptatie is het van belang onderscheid te maken tussen functie en huidig gebruik. Functie verwijst naar het originele doel van de adaptatie, terwijl huidig gebruik gaat over hoe men deze adaptatie hedendaags toepast.

Aanpassingen op verschillende niveaus in de hersenen

Volgens Marr zijn er drie niveaus om te beschrijven hoe een informatieverwerkend systeem werkt. Dit heeft hij gebaseerd op de logica dat:

Informatieverwerkende systemen zijn ontworpen om problemen op te lossen

Informatieverwerkende systemen problemen oplossen door de degelijkheid van de structuur van het systeem

De structuur van een informatieverwerkend systeem kan worden begrepen zodra men weet welk probleem het oplost en waarom het specifiek dat probleem oplost.

Bij het gebruik van deze benadering stelde Marr dat de evolutionaire functie van visie het analyseren van de scene is. Met betrekking tot visuele perceptie blijkt dat het tweedimensionale beeld dat binnenkomt bij de retina, wordt omgevormd tot een levendig beeld van de omgeving. Hierbij moet de hele situatie worden geanalyseerd. Dit blijkt veel ingewikkelder dan gedacht. Het visuele systeem begrijpt veel meer informatie bij een ‘ echte’ situatie dan bij een artefact. Tot slot blijkt het visuele systeem zo te zijn geëvolueerd dat er een cognitieve component bij betrokken is.

Om de rationele processen van de mens te begrijpen, wordt veel onderzoek gedaan in laboratoria naar verschillende situaties en de bijbehorende processen. Een probleem is echter dan logische of rationele systemen van de mens veel beter werken in ‘ echte’  situaties dan in artefacten. Een voorbeeld hiervan is dat kinderen op straat in brazilie goed kunnen rekenen wanneer ze limonade verkopen, maar het rekenvermogen in het lab is echter slecht. Dit laat zien dat resultaten gevonden in het lab, niet hetzelfde hoeven te zijn als resultaten gevonden in het echte leven.

Trivers heeft aangetoond dat sociale uitwisselingen zijn gebaseerd op wederzijds altruïsme. Dit komt simpel gezegd erop neer dat men uitgaat van een gelijke inbreng in sociale relaties. Als iemand minder inbrengt, dat wat hij of zij er als het ware uithaalt, zijn we geneigd de sociale relatie of sociale interactie te verbreken.

Seksuele selectie en de druk van evolutie op gedrag

Er is geen overeenstemming over de vraag of seksuele selectie en natuurlijke selectie los van elkaar moeten worden gezien of niet.

Wanneer seksuele en natuurlijke selectie los van elkaar gezien worden, kan dit verklaren waarom herten nog altijd een gewei hebben. Een gewei biedt geen voordeel met betrekking tot het zoeken van voedsel, maar wel in het verkrijgen van seksueel contact. Ook is bij herten te zien hoe er verschillen ontstaan tussen beide geslachten. Een vrouwtje kan zich per keer één keer voortplanten en zal dan ook één keer gemeenschap hebben per voortplantingsseizoen. Een mannetje kan zich meerdere keren voortplanten door gemeenschap te hebben met meerdere vrouwtjes.

Aangezien er zoveel verschillen zijn tussen dieren met betrekking tot voortplantingsgedrag, is het waarschijnlijk dat seksuele selectie losstaat van natuurlijke selectie. Zo zijn er diersoorten waarbij alleen het vrouwtje of het mannetje de jongen grootbrengt en verzorgt, maar ook diersoorten waarbij het mannetje en het vrouwtje dit samen doen of geen van beide.

Het effect van sekse op spatiële vaardigheden

Spatiële vermogens blijken samen te hangen met geslacht, vanwege de seksuele selectie. Wanneer bij een diersoort het mannetje polygaam is, zal hij betere spatiële vermogens moeten hebben dan het vrouwtje, omdat hij meerdere vrouwtjes moet kunnen vinden om te bevruchten. Dit is gebleken uit vele dieronderzoeken. Men heeft ook ontdekt dat de hippocampus betrokken is bij spatiële geheugentaken. Uit onderzoek bij ratten komt naar voren dat het mannetje, dat polygaam is, tijdens het paringsseizoen een grotere hippocampus heeft.
 

Evolutie en fysiologie

Iedere diersoort evolueert weer anders, aangezien de behoeften en de omgeving voor iedere diersoort verschilt. Toch is de evolutie van de ene diersoort niet compleet losstaand van een andere diersoort, zoals bij de evolutie van een roofdier en zijn prooi.

Een vleermuis neemt zijn omgeving waar door de echo van de geluidsgolven die hij produceert. Een object is met name goed waarneembaar voor een vleermuis als het object beweegt. Zo beweegt een mot zijn vleugels in een bepaald constant ritme als hij vliegt. Terwijl de vleermuis dit systeem heeft ontwikkeld, heeft de mot ook een systeem ontwikkeld om te zorgen dat hij niet ten prooi valt aan een vleermuis. De A1 receptor reageert op zachte geluiden, als de vleermuis drie tot dertig meter ver weg is. Het geluid is in het ene oor sterker dan in het andere oor, waardoor de mot weet of de vleermuis links of rechts van hem vliegt. Het klapperen van de vleugels van de mot, helpen de mot vast te stellen of de vleermuis boven of onder hem vliegt. Zodra de vleermuis dichterbij komt dan drie meter, reageert de A2 receptor, en gaat de mot onregelmatig met zijn vleugels slaan waardoor hij voor de vleermuis moeilijker waarneembaar is als mot en dus als prooi.
 

Specialisatie om aan te passen en mechanismen om te leren

In eerste instantie zag men leren in termen van stimulus en respons. Met de juiste beloning en de juiste toestand van de hersenen, zou leren gemakkelijker gaan.

De laatste jaren ziet men dat er vele verschillende soorten van leren zijn. Gallistel neigt meer in de richting van non-associatief leren. Dieren leren veel dingen zonder direct resultaat, wat pleit tegen de stimulusrespons psychologie. Zo leert een vogel zich te oriënteren op grond van de stand van de sterren, lang voordat de vogeltrek begint naar warmere gebieden en de vogel deze kennis echt nodig heeft.

Een ander fenomeen in het probleemspecifiek leermechanisme, waarbij geleerd gedrag alleen toepasbaar is of kan worden uitgevoerd in een situatie die gelijk is aan de situatie waarin het gedrag is aangeleerd.

Evolutionaire inzichten in de organisatie van het menselijk brein

Een belangrijke aanname in de neurowetenschap is het feit dat de mens een grotere computationele capaciteit heeft dan andere diersoorten, wat voort vloeit uit het feit dat de hersenen van de mens groter zijn en meer cellen bevatten. Deze relatief simpele aanname, blijkt niet te kloppen. De grotere computationele capaciteit van het menselijke brein lijkt eerder samen te hangen met het feit dat er in het menselijk brein meer gespecialiseerde circuits bestaan. Ook zijn er ideeën geopperd dat een groter corticaal gebied samenhangt met meer functies op een hoger niveau.