Samenvatting van Developmental cognitive neuroscience - Johnson e.a. - 4e druk

Wat zijn de perspectieven op de ontwikkeling van hersenen? - Chapter 1

Het rijpingsperspectief probeert verbanden te leggen tussen de rijping van bepaalde hersengebieden en nieuw ontwikkelende sensorische, motorische en cognitieve functies. Het perspectief van interactieve specialisatie hanteert een constructivistische benadering. Dit perspectief neemt aan dat de postnatale functionele hersenontwikkeling een proces is, waarbij patronen van interacties tussen hersengebieden worden georganiseerd. Veranderingen in de eigenschappen van hersengebieden vinden plaats terwijl ze met elkaar interacteren en concurreren, om een nieuwe rol te krijgen bij nieuwe vermogens. Het vaardigheidsperspectief stelt dat de hersengebieden die bij baby’s actief zijn bij de ontwikkeling van nieuwe perceptuele of motorische vermogens lijken op of identiek zijn aan de hersengebieden die betrokken zijn bij de verwerving van complexe vaardigheden bij volwassenen.

1.1 Welke perspectieven op ontwikkeling zijn er?

De cognitieve ontwikkelingsneurowetenschappen zijn ontstaan op het grensvlak van twee belangrijke vragen:

1. Wat is het verband tussen lichaam en geest, en dan vooral tussen het brein en mentale processen (cognitieve neurowetenschappen)?
2. Wat is de oorsprong van georganiseerde biologische structuren, zoals de structuur van het volwassen brein (ontwikkeling)?

De tweede vraag kan op twee manieren worden bekeken. De fylogenetische (evolutionaire) versie van deze vraag betreft de oorsprong van soorten. De ontogenetische versie van deze vraag betreft de individuele ontwikkeling. Aan deze vraag is minder aandacht besteed, omdat bepaalde invloedrijke wetenschappers stelden dat, als een bepaalde set genen eenmaal door evolutie is geselecteerd, ontogenie simpelweg een proces is van het uitvoeren van de ‘instructies’ van die genen. Volgens deze benadering is de ontogenetische vraag in essentie dus een fylogenetische vraag en is de ontwikkeling van een individu een weergave van de evolutiegeschiedenis van de mens. In dit boek wordt echter gesteld dat de ontogenetische ontwikkeling een actief proces is, waardoor een biologische structuur wordt gecreëerd door middel van interacties tussen genen en omgeving. In het nature-nurture debat is het ene uiterste het perspectief dat de genen van een individu de meeste benodigde informatie bevatten voor de ontwikkeling van een brein. Vanuit deze benadering is de ontwikkeling een proces van het ontvouwen of opwekken van de expressie van informatie binnen genen. Het andere uiterste is de overtuiging dat de meeste informatie die gebruikt wordt voor de ontwikkeling van het brein, afkomstig is uit de externe wereld. Beide benaderingen gaan ervan uit dat de structuur van een organisme vóór de constructie ervan al bestaat (in de genen of in de externe wereld). Het lijkt er echter op dat de biologische structuur ontstaat uit dynamische interacties tussen genen en verschillende omgevingsniveaus en dat het niet makkelijk te reduceren is tot simpele genetische en ervaringsgerelateerde componenten.

In de 17e eeuw bestond er een discussie tussen twee groepen: de vitalisten en de preformationisten. Volgens de vitalisten zijn ontogenetische veranderingen het gevolg van ‘vitale’ levenskrachten. De preformationisten stelden daarentegen dat er een compleet mens huist in sperma (‘spermisten’) of de eicel (‘ovisten’). Het mens ontwikkelde door gelijktijdige groei van alle lichaamsdelen. Het algemene idee achter het preformationisme is dat er een blauwdruk bestaat voor de ontwikkeling van de mens. Tegenwoordig wordt gedacht dat deze blauwdruk door genen wordt gevormd. De overeenkomst tussen alle versies van de nativistische benadering, is dat er een vastgelegde 'plattegrond' is voor de relatie tussen bestaande gecodeerde instructies en de uiteindelijke vorm.

De uiterste perspectieven in het nature-nurture debat delen de aanname dat de benodigde informatie voor het volwassen brein voorafgaand aan het ontwikkelingsproces al aanwezig is. Het constructivisme stelt daarentegen dat biologische structuren het resultaat zijn van complexe interacties tussen genen en omgeving. Een bekende constructivist is Piaget. Aanvankelijk was er bij het constructivisme sprake van hetzelfde probleem als het vitalisme: de veranderingsmechanismen waren niet duidelijk gespecificeerd. Een ander probleem was, dat het onduidelijk was hoe de ontwikkeling geanalyseerd kan worden zonder de traditionele dichotomie tussen aangeboren en omgevingsfactoren. Tegenwoordig zijn er nieuwe manieren om de cognitieve en hersenontwikkeling te analyseren.

1.2 Hoe kan ontwikkeling geanalyseerd worden?

De perspectieven in het nature-nurture debat maken vaak gebruik van het onderscheid tussen aangeboren en verworven componenten. De term ‘aangeboren’ wordt echter niet meer gebruikt, omdat duidelijk is geworden dat genen met de omgeving interacteren. Geen enkel aspect van de ontwikkeling is dus een exclusief product van genen. Johnson en Morton hebben gesuggereerd dat er onderscheid gemaakt moet worden tussen de verschillende interactieniveaus tussen genen en omgeving, waaronder:

• Moleculair niveau: interne omgeving;
• Cellulair niveau: interne (aangeboren) omgeving;
• Organisme-extern omgevingsniveau: soort-typische omgeving (oorspronkelijke omgeving) en individu-specifieke omgeving (leeromgeving.

Greenough, Black en Wallace maken een gelijksoortig onderscheid tussen twee soorten informatieopslag. Veranderingen die het gevolg zijn van aspecten van de omgeving die gemeenschappelijk zijn voor alle leden van een soort, worden ‘ervaringsverwachte’ informatieopslag (soort-typisch) genoemd. Het tweede type informatieopslag wordt ‘ervaringsafhankelijke’ informatieopslag (individu-specifiek) genoemd. Dit type verwijst naar interacties met de omgeving die specifiek zijn voor een individu en gerelateerd zijn aan de vorming van nieuwe synaptische verbindingen. In de cognitieve neurowetenschappen kan onderzocht worden in welke mate welke aspecten van een bepaald neuraal circuit aangeboren zijn (het product van interacties binnen een organisme, niet gevoelig voor ervaring). Verschillende aspecten van hersenstructuur en –functies zijn waarschijnlijk in verschillende mate gevoelig voor de effecten van ervaringen na de geboorte.

Het menselijk brein is erg complex. Voor het analyseren van plasticiteit in neurale circuits is het daarom nuttig om te beginnen met een simpeler systeem met dezelfde algemene eigenschappen. Connectionistische neurale netwerkmodellen bevatten knopen (‘nodes’, gesimplificeerde neuronen) en schakels (‘links’, gesimplificeerde synapsen en dendrieten). Er kan volgens leerregels gevarieerd worden in de sterkte of mate van verbindingen tussen knopen, waarbij van sommigen gedacht wordt dat ze lijken op de regels die gebruikt worden in het echte brein, zoals de regel van Hebb (‘Hebbian learning rule’). Er zijn een aantal manieren waarop een connectionistisch neuraal netwerk gevoelig kan zijn voor training:

• De basale architectuur van het netwerk kan als gevolg van ervaring veranderen. Dit komt weinig voor.
• De sterkte van de verbindingen tussen knopen varieert volgens een gewicht-aanpassing leerregel. Als de basale architectuur van het netwerk vast staat, maar de sterkte van verbindingen varieert, kan gesproken worden van een aangeboren architectuur: de representaties die als gevolg van training ontstaan, worden beperkt door de architectuur van het netwerk.
• Zowel de basale architectuur van het netwerk als de patronen en sterktes van verbindingen tussen knopen zijn aangeboren en daardoor ongevoelig voor externe input. Dit netwerk bevat dus aangeboren representaties. Hiervoor is weinig bewijs.
• Zowel de basale architectuur van het netwerk als de patronen en sterktes van verbindingen tussen knopen zijn door middel van training aanpasbaar. Dit gebeurt enkel onder extreme atypische omstandigheden of in gevallen van atypische genen.

1.3 Waarom zou een cognitieve neurowetenschappelijke benadering op ontwikkeling gebruikt moeten worden?

Aanvankelijk werd de perceptuele en cognitieve ontwikkeling los onderzocht van de hersenontwikkeling. Tegenwoordig wordt echter onderzoek gedaan naar het grensvlak tussen de cognitieve ontwikkeling en de hersenontwikkeling.

Inzichten vanuit de biologie zijn om een aantal redenen een grotere rol gaan spelen in het denken over de perceptuele en cognitieve ontwikkeling:

• Er zijn nieuwe methoden en middelen beschikbaar voor cognitieve neurowetenschappers, waardoor meer directe vragen gesteld kunnen worden over de biologische basis van de cognitieve en perceptuele ontwikkeling.
• Onderzoek naar het verband tussen breinstructuren en cognitieve functies faciliteren het verwerven van inzicht in de effecten van vroeg hersenletsel of genetische stoornissen op de cognitieve ontwikkeling.
• Cognitieve neurowetenschappen kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van theorieën over functionele specificatie, kritieke perioden en hersenplasticiteit.

1.4 Waarom zou een ontwikkelingsbenadering op de cognitieve neurowetenschappen gebruikt moeten worden?

De ontogenetische ontwikkeling is het constructieve proces, waardoor interacties tussen genen en omgeving leiden tot bijvoorbeeld het ontstaan van het brein. Onderzoek naar de ontwikkeling is multidisciplinair en er zijn verschillende analyseniveaus en analysemethodes nodig. Het voordeel hiervan is dat de ontwikkeling gebruikt kan worden als hulpmiddel voor het ontrafelen van bijvoorbeeld de interactie tussen genen en cognitieve vermogens. Daarnaast bestaat het volwassen brein uit meerdere hiërarchische en parallelle systemen, die moeilijk ‘top-down’ te analyseren zijn. De ontwikkelingsbenadering zorgt ervoor dat verschillende niveaus onafhankelijk van elkaar kunnen worden geobserveerd. Er kan onderzocht worden hoe verschillende neurocognitieve systemen zich ontwikkelen en tijdens de ontwikkeling geïntegreerd worden.

1.5 Hoe wordt verandering in de ontwikkeling veroorzaakt?

Sommigen beschouwen de ontwikkeling als het ontvouwen van al bestaande informatie in de genen. Volgens hen hebben baby’s een kleinere versie van het volwassen brein, dat geleidelijk groter wordt. De constructivistische benadering benadrukt daarentegen de dynamische verbanden tussen intrinsieke en extrinsieke structuur. Gottlieb noemde deze benaderingen bestaande en probabilistische epigenese:

1. Bestaande epigenese: er is een unidirectioneel causaal pad van de genen naar structurele veranderingen in het brein naar hersenfuncties en ervaring (genen, hersenstructuur, hersenfuncties, ervaring). Specifieke cognitieve mechanismen zijn op een bepaalde leeftijd aanwezig ofwel afwezig.
2. Probabilistische epigenese: de interacties tussen genen, structurele hersenveranderingen en functies zijn bidirectioneel (genen, hersenstructuur, hersenfuncties, ervaring). Het brein heeft vroeg in de ontwikkeling verschillende mogelijke ontwikkelingspaden en eindproducten. Het eindproduct is afhankelijk van de interacties tussen genen en omgeving.

Waddington stelde dat er ‘chreods’ zijn: ontwikkelingspaden, of noodzakelijke epigenetische routes. Chreods kunnen worden beschouwd als valleien in een epigenetisch landschap. Zelfregulerende processen (‘homeorhesis’) zorgen ervoor dat het organisme door middel van kleine verstoringen terugkeert naar het juiste kanaal. Grote verstoringen kunnen leiden tot een andere ontwikkelingsroute. Dit geldt zeker als verstoringen dicht bij een beslissingspunt plaatsvinden. In deze gebieden kan een kleine verstoring leiden tot een andere route. Een normaal ontwikkelend kind bereikt hetzelfde eindpunt, ondanks kleine verstoringen die het gevolg zijn van enigszins verschillende opvoedomgevingen. Een afwijkend fenotype kan het gevolg zijn van een afwijking van het normale pad vroeg in de ontwikkeling, een afwijking van het pad op een beslissingspunt of een grote verstoring later in de ontwikkeling.

Het is moeilijk om met de constructivistische benadering te werken, omdat er weinig theoretische middelen zijn voor het begrijpen van fenomenen in complexe dynamische systemen. Wel is belangrijk dat deze kijk de rol van genetische factoren niet afzwakt, maar juist de totstandkoming van nieuwe structuren en functies probeert te begrijpen door de complexe interacties tussen genen en omgeving.

1.6 Welke drie kijken zijn er op hersenontwikkeling?

Het is moeilijk om onderzoek te doen naar de verbanden tussen enerzijds de neuroanatomische veranderingen tijdens de ontwikkeling van het brein en anderzijds de veranderingen in motorische, perceptuele en cognitieve vermogens. In dit boek zal dat bewijs worden besproken vanuit drie verschillende perspectieven op de functionele hersenontwikkeling. Het rijpingsperspectief (‘maturational viewpoint’) probeert verbanden te leggen tussen de rijping van bepaalde hersengebieden en nieuw ontwikkelende sensorische, motorische en cognitieve functies. Onderzoek naar de neuroanatomische ontwikkeling van hersengebieden wordt gebruikt om te bepalen op welke leeftijd een gebied waarschijnlijk functioneel wordt. Succes op een nieuwe gedragstaak op deze leeftijd kan dan worden toegeschreven aan de rijping van dit ‘nieuwe’ hersengebied. Dit perspectief kan sommige belangrijke aspecten van de functionele hersenontwikkeling echter niet verklaren. Daarnaast kunnen verbanden tussen neurale en cognitieve veranderingen op basis van leeftijd theoretisch zwak zijn, in verband met een grote variëteit aan neuroanatomische en neurochemische metingen die op verschillende momenten in verschillende hersengebieden veranderen.

Het perspectief van interactieve specialisatie hanteert een constructivistische benadering. Dit perspectief neemt aan dat de postnatale functionele hersenontwikkeling een proces is, waarbij patronen van interacties tussen hersengebieden worden georganiseerd. Veranderingen in de eigenschappen van hersengebieden vinden plaats terwijl ze met elkaar interacteren en concurreren, om een nieuwe rol te krijgen bij nieuwe vermogens. Vanuit dit perspectief beginnen sommige hersengebieden met slecht gedefinieerde functies, die deels worden geactiveerd in verschillende contexten en bij verschillende taken. Tijdens de ontwikkeling worden de functies van hersengebieden door activiteitafhankelijke interacties tussen hersengebieden aangescherpt. De ontwikkeling van nieuwe gedragsvermogens in de babytijd wordt daarom geassocieerd met veranderingen in activiteit in verschillende gebieden, en niet met het begin van activiteit in maar één hersengebied.

Het vaardigheidsperspectief (‘skill learning’) stelt dat de hersengebieden die bij baby’s actief zijn bij de ontwikkeling van nieuwe perceptuele of motorische vermogens lijken op of identiek zijn aan de hersengebieden die betrokken zijn bij de verwerving van complexe vaardigheden bij volwassenen. Dit perspectief presenteert een beeld van continuïteit van mechanismen tijdens het gehele leven. Het perspectief van vaardigheden leren, is niet per se onverenigbaar met het perspectief van interactieve specialisatie. Soms maken deze perspectieven overeenkomstige voorspellingen.

1.7 Wat zien we als we vooruitkijken?

Specifieke neurocognitieve tekorten kunnen het gevolg zijn van diffuus letsel aan meerdere hersengebieden. Hersenletsel in de prenatale ontwikkeling kan leiden tot een ander ontwikkelingspad. Het is echter mogelijk dat verschillende soorten hersenletsel leiden tot hetzelfde eindproduct (fenotype). Dit correspondeert met de valleien in Waddington’s epigenetische landschap. Hersenletsel later in het leven wordt daarentegen vaak gecompenseerd door andere delen van het brein. Dit correspondeert met Waddington’s zelforganiserende adaptatie, waarbij een organisme binnen een bepaalde vallei wordt gehouden. Dit resulteert in hetzelfde algemene fenotype.

TentamenTicket

• Er zijn drie verschillende perspectieven op de functionele ontwikkeling van de menselijke hersenen te onthouden met de letters MIS: (1) Maturational: legt verbanden tussen de rijping van bepaalde hersengebieden en nieuw ontwikkelende sensorische, motorische en cognitieve functies, (2) Interactive-specialization: de hersenontwikkeling is een proces waarbij patronen van interacties tussen hersengebieden worden georganiseerd. Veranderingen in de eigenschappen van hersengebieden vinden plaats terwijl ze met elkaar interacteren en concurreren (constructivistische benadering), en (3) Skill learning view: de hersengebieden die bij baby’s actief zijn bij de ontwikkeling van nieuwe perceptuele of motorische vermogens, lijken op of zijn identiek aan de hersengebieden die betrokken zijn bij de verwerving van complexe vaardigheden bij volwassenen.

Welke onderzoeksstrategieën zijn er? - Chapter 2

Gedragstechnieken worden al lange tijd gebruikt om baby's en kinderen te onderzoeken. Recent heeft eye-tracking ruimte gemaakt voor nieuwe mogelijkheden om nauwkeurige analyses uit te kunnen voeren. Daarnaast zijn ook het meten van structurele en functionele maps van hersenactiviteit relatief nieuw die gebaseerd zijn op veranderingen in cerebraal metabolisme, bloedstroom of elektrische activiteit. Er zijn verschillende methodes voor onderzoek, namelijk dieronderzoek, onderzoek naar genetische manipulatie en genetische expressie, maar ook onderzoek naar ontwikkelingsstoornissen en de genetische achtergrond daarvan.

2.1 Welke ontwikkeling zijn er in de wetenschap?

De afgelopen decennia zijn er nieuwe technologieën voor de cognitieve ontwikkelingsneurowetenschappen ontwikkeld. Gedragsmethoden voor onderzoek onder baby’s en kinderen worden verbeterd en uitgebreid. Ook ‘neuroimaging’ is een relatief nieuwe techniek. Hierbij worden functionele plattegronden van hersenactiviteit gemaakt op basis van veranderingen in cerebraal metabolisme, bloedsomloop of elektrische activiteit. Deze techniek heeft onderzoek onder dieren deels vervangen. Ook is in de cognitieve ontwikkelingsneurowetenschappen aandacht besteed aan kinderen met ontwikkelingsstoornissen met een genetische oorsprong, zoals autisme en het Williams syndroom. Ook is het nuttig om aandacht te besteden aan gevallen waarbij sprake is van vroege deprivatie door sensorische beperkingen of een slechte sociale context. Hierdoor kan inzicht worden verkregen in het belang van specifieke soorten vroege ervaring voor de latere ontwikkeling.

2.2 Welke cognitieve taken en gedragstaken zijn er?

Eén van de problemen bij onderzoek naar baby’s en peuters was de behoefte aan gedragstaken waarbij geen sprake was van verbale instructie of waarbij geen reacties waren vereist, zoals het drukken op een knop. Daarnaast hebben kinderen een korte aandachtsspanne, waardoor onderzoek met langdurige trainingsperiodes niet haalbaar zijn. Er zijn een aantal methoden ontwikkeld voor het testen van baby’s, die gebaseerd zijn op de natuurlijke neiging van baby’s om te kijken naar opvallende en nieuwe visuele stimuli. Een aantal voorbeelden van procedures zijn:

• ‘Preferential looking’: het presenteren van gepaarde visuele stimuli en het opnemen van de tijd dat baby’s naar elke stimulus kijken. De voorkeur van het kind zou uitgaan naar de stimulus waar het kind het langst naar kijkt.
• Habituatie: dezelfde stimulus herhaaldelijk presenteren, tot de baby minder lang naar de stimulus kijkt. Op een gegeven moment wordt een nieuwe stimulus aangeboden en wordt onderzocht of de baby weer langer naar deze stimulus kijkt. Als dit het geval is, kan aangenomen worden dat de baby onderscheid kan maken tussen de eerste en tweede stimulus.
• ‘Marker task’: het gebruik van specifieke gedragstaken die gerelateerd zijn aan één of meerdere hersengebieden bij volwassenen. Door onderzoek te doen naar de ontwikkeling van prestatie op de taak op verschillende leeftijden en in verschillende contexten, kan worden bestudeerd hoe de gedragsverandering verklaard kan worden door bekende patronen van hersenontwikkeling.

Daarnaast zijn er nog verschillende andere procedures, waaronder eye-tracking om precieze patronen te kunnen bepalen van kijken. Deze methode kan goed gebruikt worden voor het meten van visuele aandacht in de vroege ontwikkeling.

De ‘marker task’ heeft een aantal nadelen:

• Bevindingen van een specifieke taak kunnen niet worden gegeneraliseerd naar andere taken die daaraan gerelateerd lijken te zijn en het kan moeilijk zijn om vergelijkingen te maken tussen groepen die significant van elkaar verschillen.
• Het is moeilijk om taken te ontwikkelen, die beperkt genoeg zijn in eisen en toch genoeg eisen om beroep te doen op interessante cognitieve vermogens.
• Verschillende hersengebieden kunnen een rol spelen bij dezelfde taak op verschillende leeftijden, wat de interpretatie van resultaten bemoeilijkt.

2.3 Hoe gaat het meten van ontwikkelende hersenfuncties in zijn werk?

De meeste methoden die worden gebruikt in onderzoek naar het functioneren van het jonge menselijk brein, zijn methoden die ook al gebruikt worden bij onderzoek naar de hersenen van volwassenen. ‘High-density event-related potentials’ (HD-ERP) is een methode waarbij de elektrische activiteit van het brein wordt opgenomen door middel van elektroden op het oppervlak van de hoofdhuid. Deze sensoren detecteren kleine veranderingen in elektrische spanning als gevolg van groepen neuronen die samen vuren. Er kunnen verschillende soorten elektrische activiteit worden gemeten:

• Natuurlijke elektrische ritmes van het brein: elektro-encefalografie (EEG);
• Elektrische hersenactiviteit in reactie op een gebeurtenis: ‘event-related-potentials’ (ERPs); en
• Hoge-frequentie EEG die gerelateerd lijkt te zijn aan stadia van informatieverwerking: event-related oscillations (EROs).

Door middel van HD-ERP kunnen conclusies worden getrokken over de positie en oriëntatie van de bronnen van elektrische activiteit (‘dipoles’). Het is een goede methode om hersenfuncties te bestuderen, zelfs bij hele jonge baby’s. Hoewel de tijdresolutie erg nauwkeurig is, is de ruimtelijke resolutie vrij grof.

Een methode die een betere ruimtelijke resolutie heeft, is functional magnetic resonance imaging (fMRI). Cellen in geactiveerde hersengebieden hebben zuurstof nodig. Zuurstof wordt in het bloed getransporteerd door het molecuul hemoglobine. Als een hersengebied geactiveerd wordt, leidt dit tot een plaatselijke toename in zuurstofrijke hemoglobine en een afname in zuurstofarme hemoglobine. De verandering in de ‘blood oxygen level dependent’ (BOLD) respons wordt door MRI gedetecteerd. Hoewel het moeilijk is om deze methode te gebruiken bij kinderen jonger dan 6 jaar, is het wel mogelijk als kinderen slapen of als ze slaperig zijn en passief luisteren naar auditieve stimuli.

Ook Near Infra-Red Spectroscopy (NIRS) meet hersenactiviteit door middel van het zuurstofniveau in het bloed. Er worden veranderingen gemeten in de absorptie en verspreiding of buiging van zwakke lichtstralen die door de schedel en het brein gaan. Op het hoofd van het kind wordt een kap geplaatst, waarin zich kleine lichtbronnen en lichtdetectors bevinden. Net als bij fMRI, worden met deze methode veranderingen in zuurstofvoorziening gemeten. NIRS is echter minder gevoelig voor beweging. Een voordeel is dat het kind niet in een scanner hoeft.

2.4 Hoe wordt de ontwikkelende hersenstructuur onderzocht?

Eén van de doelen van de cognitieve ontwikkelingsneurowetenschappen is het relateren van hersenfuncties en cognitie aan veranderingen in de onderliggende hersenstructuur. Vroeger werd onderzoek naar de structurele hersenontwikkeling vaak uitgevoerd bij overleden mensen of dieren. Een voorbeeld hiervan is het kleuren van neuronen en hun processen, waardoor ze onder de microscoop beter zichtbaar worden. Deze methode heeft echter een aantal nadelen. Zo duurt het lang, is het moeilijk en is het vaak lastig om kinderen te werven, die onderzocht kunnen worden. Daarnaast is bij kinderen die een autopsie krijgen vaak sprake geweest van een trauma of ziekte, waardoor onderzoeksbevindingen niet gegeneraliseerd kunnen worden naar de normale hersenontwikkeling. MRI biedt de mogelijkheid om de hersenstructuur te onderzoeken bij gezonde, levende baby’s en kinderen. Tot voor kort was het echter enkel mogelijk om door middel van MRI onderscheid te maken tussen de grijze en witte stof. Tegenwoordig zijn er echter nieuwe analytische methoden beschikbaar. Diffusion Tensor Imaging (DTI) maakt bijvoorbeeld gebruik van metingen van de beweging van watermoleculen om een gedetailleerd beeld te schetsen van de hersenstructuur.

2.5 Hoe gaat onderzoek bij dieren en genetica in zijn werk?

Veel kennis over de hersenontwikkeling is afkomstig van onderzoek naar andere soorten. Een aantal modellen voor dieren bevatten principes die toepasbaar zijn op aspecten van de menselijke ontwikkeling. Een computermodel van het neurale netwerk kan inzicht geven in basale kwesties, zoals de neurale basis van kritieke periodes voor leren. Onderzoek naar simpele modellen voor dieren kan directe en indirect informatie geven over de manier waarop de hersenontwikkeling gerelateerd is aan cognitieve en gedragsveranderingen bij mensen. In de moleculaire genetica bestaan er technieken, waarbij letsel wordt toegebracht aan genen van een dier. Deze methode geeft inzicht in de bijdrage van bepaalde genen aan cognitieve en perceptuele veranderingen bij dieren. Dergelijke modellen voor dieren kunnen ook nuttig zijn bij onderzoek naar de rol van genetische abnormaliteiten bij stoornissen met een genetische oorsprong.

2.6 Welke ontwikkelingsstoornissen zijn er?

De cognitieve ontwikkelingsneurowetenschappen doen ook onderzoek naar verschillen in ontwikkeling als gevolg van genen, vroeg hersenletsel of abnormale vroege ervaringen. Dit wordt ook wel ontwikkelingsneuropsychologie of ontwikkelingspsychopathologie genoemd. Dergelijk onderzoek kan inzicht geven in de causale factoren en processen die van belang zijn voor een normale ontwikkeling. Er bestaan verschillende genetische afwijkingen:

• Mutaties van genen: fragiele X syndroom, phenylketonurie (PKU);
• Chromosomale afwijkingen: syndroom van Down; en
• Microdeleties (meerdere genen van een bepaald deel van een chromosoom zijn verdwenen): Prader-Willi en Williams syndroom (WS).

Er zijn ook ontwikkelingsstoornissen met een complexe genetische basis, waarbij meerdere genen een klein effect hebben. Een voorbeeld hiervan is autisme. Uit onderzoek kan geconcludeerd worden dat bij autisme vele genen betrokken zijn, die ieder een klein effect hebben. Waarschijnlijk zijn er meerdere combinaties van genetische factoren die kunnen leiden tot autisme. Er is ook bewijs voor een interactie van genen met omgevingsfactoren. De belangrijkste symptomen van autisme zijn beperkingen in sociale interactie, zoals het vermijden van oogcontact en beperkingen in cognitieve vaardigheden en taalvaardigheden. WS is een relatief zeldzame stoornis met een genetische oorsprong. Dit syndroom is ook wel bekend als infantile hypercalcemia. Het brein van kinderen met WS is ongeveer 80-85% van het volume van een normaal brein, maar er lijkt geen sprake te zijn van grote abnormaliteiten of letsel. Er is wel enig bewijs voor een relatieve toename in volume van bepaalde delen van het cerebellum. Het patroon van beperkingen in vermogens bij WS lijkt tegenovergesteld te zijn aan de tekorten in vermogens bij autisme. Zo is er bij autisme sprake van gebrekkige sociale vaardigheden, terwijl dit niet het geval is bij WS. Hierdoor ontstond de hypothese dat het sociale hersensysteem bij WS intact is, terwijl dit beschadigd is bij autisme. Hoewel uit onderzoek blijkt dat dit te gesimplificeerd is, illustreert dit wel het nut van het vergelijken van verschillende ontwikkelingsstoornissen.

2.7 Hoe kunnen hersenen zich afwijkend ontwikkelen?

Het brein kan op vier niveaus worden beschreven:

1. Grove anatomie van het brein;
2. Hersengebieden met een tekort;
3. Functionele neurale systemen en paden; en
4. Neurochemie en microcircuit: stoffen, dendrieten en synapsen.

Bij veel ontwikkelingsstoornissen is er sprake van subtiele verschillen in hersenstructuur en –functie. Voor zowel autisme als ADHD is geen consistent bewijs voor grote neuroanatomische beschadigingen of andere abnormaliteiten. Veel onderzoek is echter uitgevoerd onder oudere kinderen of volwassenen. Mogelijk is er bij baby’s of peuters sprake van meer specifieke effecten. Daarnaast zijn de meeste breinabnormaliteiten die worden geassocieerd met ontwikkelingsstoornissen niet specifiek voor één stoornis. Er moet voorzichtig worden omgegaan met beweringen over specifieke neurale tekorten die ten grondslag zouden liggen aan een ontwikkelingsstoornis, totdat er meer onderzoek is gedaan naar andere hersengebieden en andere ontwikkelingsstoornissen.

Bij ontwikkelingsstoornissen kan het hersenvolume kleiner (microcefalie) of groter (macrocefalie) zijn dan bij het normale brein. Verschillen in volume kunnen het gevolg zijn van veranderingen in grijze of witte stof. Bij meerdere ontwikkelingsstoornissen is microcefalie (bijvoorbeeld bij WS) of macrocefalie (bijvoorbeeld bij autisme) het gevolg van afwijkingen in de hoeveelheid witte stof. De verbindingen tussen hersengebieden lijken dus meer beschadigd te zijn dan de hersengebieden zelf.

Tot slot blijken er bij verschillende syndromen abnormaliteiten te zijn in verschillende gebieden en systemen in de hersenen en synaptische structuren. Deze verschillen in microstructuur zouden effect hebben op de postnatale ontwikkeling en verschillende domeinen van cognitie meer te beïnvloeden dan andere domeinen.

2.8 Welke sensorische verstoringen en verstoringen vanuit de omgeving zijn er?

Er is onderzoek gedaan naar populaties, waarbij sprake is geweest van sensorische deprivatie of omgevingsdeprivatie om inzicht te verkrijgen in de effecten op het brein en de cognitieve ontwikkeling. Zo is uit onderzoek naar sensorische deprivatie gebleken dat visuele deprivatie tijdens de eerste levensmaanden levenslange effecten heeft op de verwerking van gezichten. Daarnaast heeft onderzoek naar omgevingsdeprivatie bijvoorbeeld aangetoond dat kinderen die in weeshuizen zijn opgegroeid, meerdere sociale, cognitieve en sensomotorische problemen kunnen hebben. Dit is het gevolg van een gebrek aan stabiele lange termijn relaties met verzorgers.

2.9 Welke risicopopulaties zijn er?

De laatste jaren is er meer interesse gekomen in het bekijken van het feit dat veel voorkomende ontwikkelingsstoornissen vaak voorkomen binnen dezelfde familie, waardoor er dus een familiale risicofactor is voor het ontstaan van deze stoornissen. Het nader bestuderen hiervan heeft verschillende voordelen. Ten eerste blijken condities zoals autisme naar voren te komen in de eerste levensjaren, door het bestuderen van de vroege symptomen kunnen de kenmerken ontdekt worden voordat ze verergerd worden door jaren van atypische interacties met de sociale en fysieke omgeving van het kind. Ten tweede is het ontdekken van vroege voorspellers voor een latere diagnose belangrijk voor vroege interventie. Prodromale interventie (voor de onset van diagnostische symptomen) zorgt voor het voorkomen of verminderen van symptomen. Ten derde kan het bestuderen van familiale risicofactoren inzicht geven in beschermende factoren.

TentamenTickets

• De verschillende soorten elektrische activiteit die gemeten kunnen worden in de hersenen zijn te onthouden als 'de drie E's', namelijk EEG, ERPs en EROs.
• Tip bij het onthouden hoe autisme en het Williams syndroom (WS) van elkaar verschillen is dat de beperkingen bij autisme het tegenovergestelde lijken te zijn van die bij WS. Zo is er bij autisme sprake van gebrekkige sociale vaardigheden, terwijl het sociale hersensysteem bij WS intact lijkt te zijn.

Hoe ziet het pad van gen naar hersenen eruit? - Chapter 3

Het perspectief van de 20e eeuw is dat genen een blauwdruk vormen voor het construeren van het brein. Het huidige perspectief stelt echter dat genen verschillende expressie kunnen hebben afhankelijk van de context en dat zelfs de simpelste bouwstenen van de hersenen ontstaan door verschillende geninteracties. Het pad van gen naar hersenen naar gedrag is complex en variabel. Een strategie is het onderzoeken van de rol van simpele moleculen in de hersenen die dicht bij directe producten van genexpressie komen. Een tweede strategie is het onderzoeken van variabiliteit tussen individuen wat betreft genen, hersenfuncties en cognitie. Een derde benadering is het onderzoeken van syndromen waarvan bekend is dat genetische verschillen zijn met de algemene populatie. Een vierde benadering gebruikt dieronderzoek.

3.1 Hoe ziet de geschiedenis van de kennis over genen eruit?

Over de tijd heen is de kennis over genen aanzienlijk toegenomen. Halverwege de 19e eeuw werd ontdekt dat het materiaal dat verantwoordelijk is voor erfelijkheid zich in cellen bevindt. De volgende vraag was of de celkern of het omringende cytoplasma deze erfelijkheid bestuurde. Rond 1900 werd de celkern geïdentificeerd als de plaats van erfelijk materiaal. Kort daarna bedacht Johannsen de termen ‘gen’, ‘genotype’ (de som van alle genen) en ‘fenotype’ (het eindproduct van genexpressie). Rond 1950 werd onderzocht welke stof in de celkern verantwoordelijk is voor erfelijkheid. Franklin en Wilkins maakten gebruik van röntgendiffractie om de structuur van de molecuul DNA te ontdekken. In 1953 stelden Watson en Crick dat DNA een dubbele helix structuur heeft. Hierdoor werd inzicht verkregen in de manier waarop informatie wordt gecodeerd en overgedragen naar de volgende generatie.

3.2 Welke principes van genfunctioneren zijn er?

De structuur van DNA, de spiraalvormige dubbele helix, is op twee manieren gerelateerd aan haar functie van het behouden en overdragen van informatie:

1. DNA bevat twee nucleotide strengen die uit elkaar gehaald kunnen worden, als de genetische informatie tijdens de celdeling gekopieerd moet worden.
2. Elke streng bevat een code, die bestaat uit verschillende volgordes van vier nucleotide bases (adenine, guanine, thymine en cytosine). Deze nucleotiden gedragen zich als twee zijden van een rits, waarbij adenine en thymine complementair zijn en guanine en cytosine complementair zijn.

Genen zijn de volgordes van nucleotiden binnen een streng DNA. De volgorde biedt de basis voor het tot uitdrukking komen van het gen.

De volgende vraag is hoe strengen DNA de basale chemische bouwblokken van biologisch weefsel (proteïnes) maken. Uit onderzoek blijkt dat proteïne binnen de cel vrij ver weg wordt geconstrueerd van het DNA. Het molecuul dat de informatie van het DNA overdraagt naar de plek waar proteïnes worden gemaakt, is ribonucleïnezuur (RNA). De identificatie van DNA en de mechanismen van uitdrukking leidde rond 1960 tot het idee dat de volgorde van nucleotiden in DNA alle benodigde informatie bevat voor de ontwikkeling van een organisme. Uit verder onderzoek bleek echter dat dit idee te simpel was en dat de uitdrukking van genen een dynamisch fenomeen is, dat gevoelig is voor de context. Zo is uit onderzoek het volgende gebleken:

• De stappen tussen enerzijds het uit elkaar halen en lezen van een streng DNA en anderzijds de daadwerkelijke constructie van een proteïne zijn complex. Dezelfde volgorde van DNA kan resulteren in verschillende proteïnes.
• 95% van het DNA heeft geen invloed op proteïnes. Dit wordt ook wel ‘junk’ DNA genoemd.
• Veel genen coderen voor regulerende in plaats van structurele eiwitten. Deze regulerende eiwitten moduleren de expressie van andere genen, wat leidt tot complexe interacties. Genen zijn pleiotroop: een bepaald gen kan verschillende rollen spelen op verschillende momenten in de ontwikkeling en in verschillende delen van het lichaam.
• Naast het geërfde DNA zijn er andere verschillen in cellen, die interacteren met en invloed hebben op de expressie van genen. Geërfde cellulaire factoren, anders dan DNA, kunnen dus invloed hebben op de genen die tijdens de ontwikkeling tot uitdrukking komen.

Uit onderzoek onder dieren blijkt dat de manier waarop genen tot uitdrukking komen, beïnvloed wordt door de vroege omgeving. Zo blijkt uit onderzoek onder ratten, dat wanneer een pasgeboren rat vaak door de moeder wordt gelikt, het later minder angstig is en minder last heeft van stressreacties dan ratten die minder vaak gelikt worden. Deze verzorging door de moeder zet biochemische reacties in gang die de activiteit van de mechanismen reguleren die geassocieerd zijn met de expressie van genen (het epigenoom). Vroege sensorische ervaringen kunnen levenslange effecten hebben door middel van permanente veranderingen in de timing en hoeveelheid verschillende eiwitten die door de genen tot uitdrukking komen.

3.3 Hoe zijn genetica en cognitieve ontwikkelingsneurowetenschappen gerelateerd?

Er zijn vier onderzoeksstrategieën om genotype met fenotype in verband te brengen:

• Het onderzoeken van gevallen, waarin de ontwikkeling van genen naar hersenen naar gedrag minder lang en/of complex is. Hierbij worden aspecten van de hersenen bestudeerd die slechts enkele chemische stappen verwijderd zijn van de directe producten van genexpressie. Er kan bijvoorbeeld gekeken worden naar mensen met fenylketonurie (PKU). Deze genetische stoornis zorgt voor lage niveaus van een enzym, dat er normaal voor zorgt dat het ene aminozuur wordt omgezet in tyrosine, tyrosine is belangrijk bij het functioneren van de neurotransmitter dopamine. Een buitensporige hoeveelheid van het eerste aminozuur en een relatief gebrek aan tyrosine resulteert in ontwikkelingsproblemen, zoals verminderde niveaus van dopamine in de prefrontale cortex.
• Het bestuderen van natuurlijke individuele verschillen in genetische factoren, hersenfuncties en gedrag. De genetische bijdrage aan deze individuele verschillen, komt van verschillende vormen van hetzelfde gen: allelen. Vaak zijn er variaties in de exacte codering van genen, omdat mensen twee kopieën hebben van elk gen, kunnen deze variaties hetzelfde zijn voor beide kopieën (homozygoot) of verschillend zijn (heterozygoot). Getracht wordt om deze verschillen in allelen te vergelijken met variaties in gedrag of persoonlijkheid.
• Het bestuderen van mensen met bepaalde ontwikkelingsstoornissen of syndromen. Een voorbeeld van een syndroom met een goed gedefinieerde genetische basis, is het fragiele X syndroom. Een allel van het FMR1 gen op het X-chromosoom bevat normaal 6 tot 55 kopieën. Bij het fragiele X syndroom neemt het aantal kopieën steeds meer toe, tot meer dan 230 kopieën van het gen. Hierdoor wordt de structuur instabiel, waardoor het gen niet langer kan functioneren en er een gebrek ontstaat aan de FMR1 eiwit. Omdat mannen één X-chromosoom hebben, heeft het fragiele X syndroom op hen meer effect. Gevolgen van dit syndroom zijn een langgerekt gezicht, platvoeten en autistische symptomen. Ook kan het effect hebben op de neurotransmitter glutamaat. Door het bestuderen van het fragiele X syndroom wordt meer inzicht gekregen in de manier waarop genen en neurotransmitters invloed hebben op cognitie en gedrag. Een variant op deze onderzoeksstrategie is het onderzoeken van stoornissen met cognitieve en gedragsmatige tekorten, voordat 'teruggewerkt' wordt om de genetische basis te ontdekken.
• Het uitvoeren van onderzoek onder dieren, waarbij genen als het ware buiten werking worden gesteld. Als een gen buiten werking wordt gesteld en er vervolgens een tekort optreedt in bepaald gedrag, kan worden gezegd dat het defecte gen de oorzaak is van dit tekort. Er kan echter niet worden geconcludeerd dat het gen codeert voor het verstoorde gedrag, of dat dit gedrag de functie is van het gen.

Mogelijk kan het best onderzoek worden gedaan naar de genen die een rol spelen bij hersenplasticiteit en informatieoverdracht via synapsen. Er kan onderzoek worden gedaan naar veranderingen in de expressie van genen. Een voorbeeld is het immediate early gen. Dit type genen is betrokken bij snelle veranderingen in het brein, die plaatsvinden tijdens de ontwikkeling en tijdens leren. In de toekomst kan de bijdrage van de expressie van genen mogelijk worden onderzocht door de effecten van genexpressie te simuleren en te vergelijken met echte neurobiologische systemen.

3.4 Wat is het epigenoom?

Het nieuwe veld van de epigenetica tracht om het menselijke epigenoom te beschrijven: een dynamische map van hoe de expressie van verschillende genen verloopt tijdens de ontwikkeling. Uit recente onderzoeken blijkt dat 90% van de onderzochte hersengerelateerde genen verschillend gereguleerd worden in verschillende hersengebieden en verschillende punten in de ontwikkeling. Genomische imprinting is een proces dat voor stabiliteit zorgt in het dynamische epigenoom. Hierbij vindt expressie van genen plaats volgens de parent-of-origin van de variant van het gen, zo wordt het allel van de moeder of de vader uitgezet en het overige allel geuit.

3.5 Wat is het FOXP2-gen?

Het FOXP2 gen is gerelateerd aan cognitie en ontwikkeling. De interesse in dit gen ontstond, toen een familie ontdekt werd waarin de helft van de familieleden in drie generaties een taalbeperking had geërfd. Aanvankelijk werd gesuggereerd dat deze taalbeperking specifiek was voor bepaalde grammatica-aspecten. Uit onderzoek bleek dat dit tekort gerelateerd was aan het gen FOXP2. Aan de hand daarvan werd door sommigen beweerd dat ‘het gen (dat codeert) voor grammatica’ was ontdekt. Echter, deze bewering klopt om een aantal redenen niet:

• De familieleden hadden niet alleen op het gebied van grammatica tekorten, maar hadden bijvoorbeeld ook een lagere algemene intelligentie.
• Het FOXP2 gen is ook gevonden in soorten, die niet beschikken over menselijke taalvaardigheden, zoals muizen. Wel maken muizen minder geluiden als dit gen buiten werking wordt gesteld. Alle onderzoeksbevindingen samen suggereren dat FOXP2 één van de genen is die van belang is om snelle bewegingsvolgordes te leren beheersen.
• Het FOXP2 gen is tijdens de evolutie bewaard gebleven en is ook bij reptielen gevonden. Tijdens de evolutie hebben enige veranderingen plaatsgevonden in de aminozuren, waaruit het gen bestaat. Hoewel sommige veranderingen mogelijk invloed hebben gehad op het functioneren van het gen, lijkt het waarschijnlijker dat een verandering in de functie van het gen een gevolg is van de activiteit van het gen op verschillende momenten in de ontwikkeling of op verschillende plekken in het ontwikkelende brein.

FOXP2 is een transcriptie factor. De functie van dit gen is het omzetten van andere delen van het DNA in RNA, dat eiwitten maakt. Hierdoor is het gen in staat om invloed uit te oefenen op de handelingen van een aantal andere genen. Waarschijnlijk hebben vele verschillende genen invloed op taal, waarbij elk gen een klein effect heeft op het uiteindelijke resultaat. Ook FOXP2 heeft meerdere rollen in verschillende organen, die kunnen verschillen tussen soorten en tussen ontwikkelingsmomenten in dezelfde soort.

TentamenTicket

Probeer de verschillende strategieën voor het relateren van genen aan cognitie te onthouden met vier kernwoorden:

1. Ontwikkeling (het onderzoeken van gevallen, waarin de ontwikkeling van genen naar hersenen naar gedrag minder lang en/of complex is);
2. Individuele verschillen (het bestuderen van natuurlijke individuele verschillen in genetische factoren, hersenfuncties en gedrag);
3. Stoornissen (het bestuderen van mensen met bepaalde ontwikkelingsstoornissen of syndromen);
4. Dieronderzoek (het uitvoeren van onderzoek onder dieren, waarbij genen als het ware buiten werking worden gesteld).

Hoe geschiedt de ontwikkeling van de hersenen? - Chapter 4

4.1 Hoe ziet de structuur van de hersenen eruit?

Het brein van alle zoogdieren volgt een basaal plan, dat zelfs geldt voor soorten als kikkers en vogels. Het grote verschil tussen deze soorten en hogere primaten, is de grote uitbreiding van de cerebrale cortex en daarbij horende structuren, zoals de basale ganglia. De hersenen volgen bij mensen dezelfde ontwikkeling als bij andere primaten, maar dan in een trager tempo. De neocortex van alle zoogdieren is een dun (3-4 mm) om de twee hersenhelften heen. De uitbreiding in de grootte van de cortex tijdens de evolutie, heeft geleid tot een toename in groeven (sulci) en windingen (gyri). De extra cortex die primaten, en vooral mensen, hebben, is gerelateerd aan de hogere cognitieve functies waarover zij beschikken.

De meeste sensorische informatie gaat via de thalamus naar de cortex. Daarom denken sommigen dat de thalamus ook een belangrijke rol speelt bij de corticale ontwikkeling. De informatieoverdracht tussen thalamus en cortex is echter niet unidirectioneel. Sommige output van de cortex gaat naar gebieden die betrokken zijn bij motorische controle, zoals de basale ganglia. De informatieoverdracht naar en van de cortex is dus grotendeels bidirectioneel. Daarom is het van belang om de termen ‘input’ en ‘output’ niet te verwarren met ‘sensorisch’ en ‘motorisch’.

Het brein heeft twee soorten cellen: neuronen en gliacellen. Gliacellen zijn van belang voor de ontwikkeling van de cortex, maar spelen geen directe rol in calculaties. Neuronen zijn de calculatie-units van de hersenen. Er lijken minstens 25 verschillende soorten te bestaan, waarbij iedere soort vaak een eigen functie heeft. Ongeveer 80% van de neuronen zijn piramidecellen: neuronen met een piramidevorm door een relatief grote apicale dendriet. Hoewel piramidecellen zich in veel lagen van de cortex bevinden, reiken de apicale dendrieten vaak tot het meest oppervlakkige niveau (laag 1). Door deze lange apicale dendriet kan de cel worden beïnvloed door grote aantallen cellen uit andere lagen en gebieden. Dit kan van belang zijn als de piramidecel een stabiele en inflexibele celsoort is, bij wie de output gemoduleerd wordt door meer plastische en flexibele inhiberende regulerende neuronen. De cortex bestaat uit verschillende lagen en heeft daarmee een gelaagde structuur. Elke laag bevat bepaalde celsoorten en elke laag heeft bepaalde patronen van input en output. De meeste gebieden van de neocortex bestaan uit zes lagen. Laag 1 heeft weinig cellichamen en bestaat vooral uit lange banen van witte stof, die horizontaal lopen en verschillende gebieden van de cortex met elkaar verbinden. Ook laag 2 en 3 bevatten horizontale connecties, waarbij kleine piramidecellen de verbinding leggen met nabijgelegen gebieden van de cortex. Laag 4 is de laag waar de meeste input eindigt. Deze laag bevat veel stervormige spiny stellate cellen. Vanaf laag 5 en 6 gaat veel output naar subcorticale hersengebieden. Deze lagen bevatten vooral piramidecellen.

Hoewel deze gelaagde structuur over het algemeen voor de gehele neocortex geldt, zijn er bepaalde regionale verschillen. Deze verschillen zorgen voor verschillen in specialisatie. Zo is de inputlaag (laag 4) relatief dik en goed ontwikkeld in de sensorische cortex. In het visuele systeem bestaat deze laag uit minstens vier sublagen. Laag 5 (outputlaag) is daarentegen vooral goed ontwikkeld in de motorische cortex, waarschijnlijk omdat deze laag een belangrijke rol speelt bij het sturen van output. Daarnaast zijn er enkele andere regionale verschillen die bij kunnen dragen aan verschillen in specialisatie:

• Verschillende delen van de cortex hebben verschillende projectiepatronen naar andere delen van de cortex. Geen enkel patroon is kenmerkend voor alle corticale gebieden.
• Aanwezigheid van bepaalde neurotransmitters en de relatieve bijdrage van stimulerende en inhiberende neurotransmitters.
• Verschillen in de timing van ontwikkelingsgebeurtenissen.

4.2 Hoe verloopt de prenatale hersenontwikkeling?

Na de bevruchting begint de celdeling, wat resulteert in een klompje cellen (blastocyste). Binnen een paar dagen ontwikkelt de blastocyste zich tot een structuur, bestaande uit drie lagen (de embryonale disk). Elk van deze lagen ontwikkelt zich tot een orgaan:

• Endoderm (binnenste laag): interne organen, zoals het spijsverteringskanaal en het ademhalingsstelsel;
• Mesoderm (middelste laag): het skelet en de spieren; en
• Ectoderm (buitenste laag): de huid en het zenuwstelsel (inclusief de perceptuele organen).

De ontwikkeling van het zenuwstelsel begint met neurulatie: het vouwen van een deel van het ectoderm tot een neurale buis. Drie dimensies van de neurale buis ontwikkelen zich als volgt:

• Lengte: zorgt voor het centrale zenuwstelsel, met de voor- en middenhersenen aan de ene kant en de ruggengraat aan de andere kant. De ontwikkeling van de voor- en middenhersenen begint met de vorming van blaasjes. Ongeveer vijf weken na de bevruchting kunnen deze blaasjes worden herkend als prototypes voor de belangrijkste delen van het brein: het eerste blaasje ontwikkelt zich tot de cortex (telencephalon), het tweede tot de thalamus en hypothalamus (diencephalon) en het derde tot het middenbrein (mesencephalon). Andere blaasjes ontwikkelen zich tot het cerebellum (metencephalon) en de medulla (myelencephalon).
• Omtrek: zorgt voor het onderscheid tussen sensorische en motorische systemen. De bovenkant van de neurale buis (dorsaal) ontwikkelt zich tot de sensorische cortex, terwijl de onderkant (ventraal) zich tot de motorische cortex ontwikkelt. De associatiecortexen en de ‘hogere’ sensorische en motorische cortexen bevinden zich hier tussenin. De omtrek van de neurale buis speelt bovendien een grote rol bij de ontwikkeling van zenuwen in de rest van het lichaam.
• Straal: zorgt voor de gelaagdheid van het brein en de verschillende celsoorten. Binnen de blaasjes worden cellen gevormd (proliferatie), verplaatst (migratie) en gespecialiseerd (differentiatie). De meeste cellen worden in de proliferatieve zones gevormd, die zich dicht bij het holle deel van de neurale buis bevinden. Er bestaan twee soorten proliferatieve zones: de ventriculaire zone (draagt vooral bij aan de evolutionair oudere hersenstructuren) en de subventriculaire zone (draagt vooral bij aan de relatief nieuwere hersenstructuren, zoals de neocortex). De twee zones produceren verschillende gliacellen en neuronen en leiden tot verschillende vormen van migratie.

Neuronen en gliacellen ontstaan door de deling van cellen in de proliferatieve zones. Neuroblasten produceren neuronen en glioblasten produceren gliacellen. Een recente hypothese stelt dat de natuur geprofiteerd heeft van bepaalde vormen van mutaties tijdens de evolutie, zodat meerdere types neuronen geproduceerd zouden worden. Als jonge neuronen gevormd zijn, moeten ze van de proliferatieve zone migreren. Er zijn twee soorten migratie:

• Passieve celverplaatsing: gevormde cellen worden door nieuwgevormde cellen verder van de proliferatieve zone geduwd. Dit leidt tot een ‘outside-in’ patroon, waarbij de oude cellen naar het oppervlak van het brein worden geduwd, terwijl de nieuwere cellen dichterbij de plaats van vorming blijven. Passieve migratie leidt tot onder andere het ontstaan van de thalamus.
• Actieve celverplaatsing: de nieuwe cellen gaan langs de ouder gevormde cellen. Dit leidt tot een ‘inside-out’ patroon en wordt gevonden in de cerebrale cortex en sommige subcorticale gebieden met een gelaagde structuur.

De prenatale hersenontwikkeling is een actief proces, waarbij interacties tussen cellen plaatsvinden. Golven van spontaan vurende neuronen spelen mogelijk een grote rol bij het specificeren van de hersenstructuur, al voordat sensorische input vanuit de externe wereld een effect gehad heeft.

4.3 Hoe verloopt de postnatale hersenontwikkeling?

Vanaf de geboorte tot de adolescentie neemt de grootte van het brein aanzienlijk toe. Dit kan niet worden toegeschreven aan een toename in het aantal neuronen, omdat de meeste neuronen tijdens de prenatale ontwikkeling worden gevormd. Tijdens de postnatale ontwikkeling vindt echter wel een enorme toename plaats in synapsen, dendrieten en axonen. De grootte en complexiteit van de dendrieten van de meeste neuronen neemt toe, waardoor cellen meer gespecialiseerd worden. Ook de dichtheid van synapsen neemt toe. De toename in synapsen (synaptogenese) begint al rond de geboorte, maar de ‘groeispurt’ en het bereiken van de piek gebeurt in verschillende gebieden op verschillende leeftijden. Een ander proces dat bijdraagt aan de toenemende grootte van het brein, is myelinisatie. Hierbij wordt een vettig laagje om de axonen gevormd. Myelinisatie gebeurt in verschillende hersengebieden op verschillende momenten in de ontwikkeling. Door dit proces kunnen impulsen sneller worden overgedragen. Hierbij moet echter opgemerkt worden, dat ook zonder myelinisatie signalen overgedragen kunnen worden.

Ook positronemissietomografie (PET) kan gebruikt worden om de postnatale ontwikkeling te bestuderen. Onderzoek dat gebruik maakt van deze techniek, heeft aangetoond dat het rustende hersenmetabolisme (de opname van glucose uit het bloed is essentieel voor celfunctioneren) in het eerste levensjaar toeneemt, en rond vier- of vijfjarige leeftijd een piek bereikt die ongeveer 150% boven volwassenniveaus uitkomt in bepaalde corticale gebieden. Processen van selectief verlies hebben een grote invloed op de postnatale hersenontwikkeling. Zo vindt er na de synaptogenese een periode van synaptisch verlies plaats. De timing van deze synaptische pruning verschilt tussen hersengebieden. De aanvankelijke overproductie van synapsen speelt mogelijk een belangrijke rol bij de plasticiteit van het jonge brein. Een mogelijke verklaring voor de afname van de glucose-opname, is dat het een reflectie is van een afname van synaptische contacten. De piek van glucose-opname vindt echter later plaats dan de piek van synaptische dichtheid. Een alternatief voor deze hypothese is dat het minder moeite kost om dingen te doen, als eenmaal een bepaald vaardigheidsniveau bereikt is. Er vinden ook toe- en afnamen plaats in een aantal neurotransmitters, waaronder glutamaat, GABA en serotonine.

De techniek MRI wordt gebruikt om de structurele hersenontwikkeling op grotere schaal te onderzoeken. Uit onderzoek blijkt dat ook grijze stof toe- en afneemt, wat wijst op de pruning van verbindingen tussen neuronen. De snelste ontwikkeling vindt plaats in de primaire sensorische gebieden van de cortex, terwijl de posterieure superieure temporale cortex zich als laatst ontwikkelt. Volgens sommigen is deze volgorde een reflectie van de evolutionaire volgorde waarin deze hersenstructuren geëvolueerd zijn, maar deze hypothese is controversieel. Uit onderzoek blijkt dat witte stof over de tijd heen een lineaire toename vertoont. Het gebrek aan een afname is mogelijk een reflectie van de voortdurende myelinisatie. Onderzoek heeft dus aangetoond dat neuronen en verbindingen tussen neuronen toe- en afnemen. Een aantal dingen moet echter worden benadrukt:

• Niet alle metingen vertonen dit patroon, zoals myelinisatie en witte stof.
• Metingen, zoals synaptische densiteit, zijn statische beelden van een dynamisch proces. Dit betekent dat er waarschijnlijk geen aparte fasen van toe- en afname zijn.
• Er bestaan individuele verschillen in hersenstructuur en hersenfunctioneren.

Uit onderzoek blijkt dat intelligentie (IQ) het best voorspeld kan worden door het traject van verandering in corticale dikte, in plaats van door de dikte zelf. Meer intelligente kinderen vertonen een duidelijker patroon van toe- en afname in corticale dikte dan kinderen met een meer gemiddelde intelligentie. Verschillen in de dynamische veranderingen tijdens de ontwikkeling zijn dus van belang voor individuele verschillen in intelligentie en cognitie.

4.4 Hoe verloopt de ontwikkeling van corticale gebieden?

Er is debat over in hoeverre de functie en structuur van de cortex van tevoren vastgesteld zijn. De cortex is een gelaagde structuur, aan de andere kant is er differentiatie van de corticale structuur in gebieden. Vaak wordt aangenomen dat deze anatomisch gespecificeerde gebieden unieke functies zouden hebben. Dit blijkt echter vaak niet terecht te zijn. Toch wordt vaak geleerd dat het overgrote deel van de volwassenen dezelfde functies in ongeveer dezelfde gebieden heeft zitten. Vandaar wordt gedacht dat de verdeling van de cortex in structurele en functionele gebieden van tevoren vastgesteld is, dit is echter maar deels waar.

De meeste neuronen worden buiten de cortex gevormd en moeten dus migreren naar locaties in de cortex. Rakics ‘radial unit model’ van neocorticale differentiatie verklaart hoe zowel de regionale (‘areal’) als de gelaagde structuur van de cerebrale cortex ontstaat. Dit model stelt dat de gelaagde structuur bepaald wordt door het feit dat elke proliferatieve eenheid ongeveer honderd neuronen vormt. De neuronen van elke proliferatieve eenheid migreren naar dezelfde radial glial fiber: een baan die zich uitstrekt van de bovenkant tot de onderkant van de cortex. Radial glial fibers zijn een soort touw, om ervoor te zorgen dat alle neuronen naar de juiste plek migreren. Het laatst gevormde neuron verplaatst zich hierbij langs eerder gevormde neuronen. Het is echter gebleken dat niet alle migratie dit model volgt. Pyramidecellen worden afgewisseld met verschillende interneuronen die helpen met het in balans houden van excitatie en inhibitie in de cortex.

Een volgende vraag betreft de manier waarop differentiatie in specifieke lagen ontstaat. Er is enig bewijs voor het idee dat neuronen al beginnen te differentiëren in bepaalde celsoorten voordat de uiteindelijke bestemming van het neuron is bereikt. Dit wijst erop dat de informatie die nodig is voor differentiatie, al aanwezig is bij de vorming van het neuron in de proliferatieve zones. Differentiatie wordt dus niet beïnvloed door de omgeving waarin de cel uiteindelijk terechtkomt, ook als dit de verkeerde plek is. Sommige celeigenschappen die onderscheid maken tussen celsoorten kunnen echter later worden gevormd. Zo is gesuggereerd dat de apicale dendriet van piramidecellen het resultaat is van de toenemende afstand tussen laag 1 en andere lagen (wat het gevolg is van het ‘inside-out’ groeipatroon).

Onderzoek heeft tot dusver aangetoond dat de gelaagde structuur van de cortex waarschijnlijk ontstaat uit lokale cellulaire en moleculaire interacties, in plaats van dat deze structuur gevormd wordt door thalamische en sensorische input. Dit betekent dat de identiteit en locatie van neuronen al bepaald zijn, voordat de neuronen gevormd zijn. Inkomende axonen weten als het ware in welke laag ze moeten stoppen met groeien en synaptische contacten moeten leggen. Er zijn twee mogelijke verklaringen voor de verdeling van de hersenen in gebieden:

• De areal differentiatie van de cortex is het gevolg van een protomap. Deze differentiatie vindt vroeg in de vorming van de cortex plaats en is het resultaat van intrinsieke factoren (van de cortex of de proliferatieve zones). Er is geen activiteit van neuronen bij nodig.
• De areal differentiatie van de cortex is het gevolg van een ongedifferentieerde protocortex. Differentiatie vindt later in de ontwikkeling van de cortex plaats en is afhankelijk van extrinsieke factoren, zoals input uit andere hersengebieden of sensorische systemen. Hiervoor is activiteit van neuronen vereist. De areal differentiatie wordt beïnvloed door informatie vanuit de thalamus en vanuit interacties met andere hersengebieden.

Er zijn onderzoeken die de eerste hypothese lijken te ondersteunen. Hierbij kunnen echter een aantal kanttekeningen worden geplaatst:

• Veel patronen van genexpressie waarvan gedacht wordt dat ze bijdragen aan de regionale indeling van de cortex, vertonen geen duidelijke grenzen, maar eerder bepaalde gradaties van expressie in grote delen van de cortex. Dit suggereert dat de areal differentiatie het gevolg is van een combinatie van verschillende maten van genexpressie. Dit wordt ook wel een hyperdimensionele deken genoemd en dit contrasteert met een zogenaamde mozaïekachtig quilt (protomap). Onderzoek heeft aangetoond dat de genetische invloed op de gelaagde structuur van de cortex relatief direct is en dat verschillende genen de ontwikkeling van verschillende lagen coördineren.
• Zelfs de eigenschappen van sensorische gebieden kunnen door ervaring veranderen.
• Uit bewijs voor een areal differentiatie vóór de geboorte kan niet worden geconcludeerd dat neurale activiteit niet belangrijk is, omdat bekend is dat spontane neurale activiteit in het brein belangrijk is voor differentiatie.

Er lijkt toenemend bewijs te zijn voor een combinatie van de protomap en protocortex hypothese. De meesten stellen dat gegradeerde patronen van genexpressie zorgen voor grootschalige gebieden, met eigenschappen die voor bepaalde functies geschikt zijn (perspectief van de protomap). Binnen deze gebieden ontstaan kleinschalige functionele gebieden door activiteitsafhankelijke mechanismen (perspectief van de protocortex). Deze differentiatie in kleinere gebieden kan plaatsvinden door de selectieve ‘pruning’ van connecties. Kingsbury en Finlay verwijzen naar dit perspectief als een hyperdimensionele deken, omdat de uiteindelijke ‘deken’ het resultaat is van kleine veranderingen in vele draden. O’Leary en collega’s noemen dit perspectief het ‘coöperatieve concentratiemodel’, omdat sommige verschillende gradaties van genexpressie kunnen een tegenwerkende kracht kunnen hebben op het vormen van hersengebieden. Er wordt veel onderzoek gedaan naar de combinaties van factoren die bepalend zijn voor de regionale indeling van de cortex. Zo heeft onderzoek het volgende aangetoond:

• Het brein van hersenen blijft zich specialiseren, zelfs zonder input vanuit de thalamus.
• De regionale differentiatie van de cortex vindt grotendeels plaats door de verschillende hoeveelheden cellen die gevormd worden in verschillende lagen in verschillende hersengebieden. De corticale protomap kan gevormd worden door input vanuit andere hersengebieden. Spontane neurale activiteit in het ene hersengebied kan een mitogeen effect hebben op de voorlopercellen in het andere hersengebied, waardoor de vorming van nieuwe neuronen wordt bevorderd.

De grootste uitdaging is het verkrijgen van inzicht in de manier waarop de structurele differentiatie van de cortex gerelateerd is aan het ontstaan van functies. Er zijn weinig voorbeelden van duidelijke verbanden tussen een structureel en een functioneel hersengebied. Dit zijn waarschijnlijk de uitzonderingen op de regel en kan aan de meeste hersengebieden geen aangeboren functie worden toegeschreven. Onderzoek naar zogenaamde barrel fields in de somatosensorische cortex van knaagdieren heeft aangetoond hoe een hersengebied gedifferentieerd kan worden. Elk barrel field is een groep cellen, die reageert op een bepaalde snorhaar van het dier. Barrel fields zijn een aspect van de areal structuur van de cortex, die postnataal ontstaan en gevoelig zijn voor snorhaargerelateerde ervaringen in de eerste levensdagen. Als een snorhaar bijvoorbeeld wordt verwijderd, ontwikkelt het bijbehorende barrel field zich niet.

Verschillen in de timing van neurologische ontwikkelingen in gebieden, beïnvloeden de factoren die de specialisatie van deze gebieden vormen. Er zijn tegengestelde ontwikkelingen waarbij gezorgd wordt dat, als differentiatie in een bepaald gebied voornamelijk uit sensorische input bestaat, de differentiatie van andere gebieden niet zo beperkt en gespecificeerd is.

4.5 Wat houdt corticale plasticiteit in?

Hoewel intrinsieke factoren een rol spelen bij de differentiatie van de cortex vroeg in de ontwikkeling, is de input die een hersengebied ontvangt van belang bij het behouden en de verdere ontwikkeling van deze differentiatie. Neurale activiteit kan de functie en neuroanatomie van een hersengebied veranderen. Hiervoor hebben verschillende onderzoeken bewijs geleverd.

Uit onderzoek blijkt dat een afname in input vanuit de thalamus naar een hersengebied invloed heeft op de grootte van dit gebied. Er is bijvoorbeeld onderzoek onder apen uitgevoerd. Hierbij is door middel van een operatie de thalamische input naar de primaire visuele cortex (gebied 17) gehalveerd. Deze afname in thalamische input leidt tot een verschuiving van de grens tussen gebied 17 en 18, waarbij gebied 17 kleiner wordt. Het deel dat nu tot gebied 18 behoort, verliest de oorspronkelijke eigenschappen en ontwikkelt de eigenschappen die kenmerkend zijn voor gebied 18. Hieruit lijkt te kunnen worden geconcludeerd dat sommige gebiedspecifieke kenmerken gereguleerd kunnen worden door extrinsieke factoren. Andersom geldt het volgende: het veranderen van de hoeveelheid cortex die beschikbaar is voor innervatie door de thalamus, leidt tot veranderingen in het algemene patroon van corticale differentiatie en niet alleen in het beïnvloede gebied.

Onderzoek heeft aangetoond, dat als thalamische input wordt ‘rewired’ en naar een ander hersengebied dan normaal gaat, het nieuw ontvangende hersengebied bepaalde eigenschappen ontwikkelt van het hersengebied waar de thalamische input normaal gesproken naartoe gaat. Zo is er onderzoek onder fretten uitgevoerd. Normaal gesproken gaat input vanaf het netvlies naar de visuele cortex. Als de visuele cortex echter wordt beschadigd, kan input vanaf het netvlies naar de auditieve cortex gaan. Uit het onderzoek blijkt dat de auditieve cortex dan visueel responsief wordt. Er is bewijs voor het idee dat visuele input goed verwerkt kan worden in een gebied dat oorspronkelijk niet voor visuele informatie is ontwikkeld. Er is echter geen bewijs voor het idee dat de auditieve cortex functioneel identiek wordt aan de visuele cortex.

Tot slot blijkt uit onderzoek, dat als een deel van het brein naar een nieuwe locatie wordt getransplanteerd, dit deel de eigenschappen van de nieuwe locatie overneemt. Ze dienen dan dus niet langer de functie die ze oorspronkelijk dienden. Er is bijvoorbeeld onderzoek onder ratten uitgevoerd, waarbij delen van de visuele cortex getransplanteerd werden naar de somatosensorische cortex, die normaal gesproken barrel fields vormt. Hieruit blijkt, dat als de getransplanteerde cortex thalamische input ontvangt, deze barrel fields ontwikkelt die veel lijken op de barrel fields die normaal gesproken door de somatosensorische cortex worden gevormd. Er moeten echter twee kanttekeningen worden geplaatst bij de conclusie dat de meerderheid van het hersenweefsel ‘equipotent’ is (in staat is om taken van andere delen over te nemen):

• De meeste onderzoeken die gebruik maken van transplantatie en ‘rewiring’, zijn gedaan naar primaire sensorische cortexen. Mogelijk hebben deze cortexen een gemeenschappelijke ontwikkelingsoorsprong, die niet geldt voor andere soorten cortex. Het is mogelijk dat de cortex alleen equipotent is binnen een ‘lineage’, waarbij een primaire cortex alleen de taken over kan nemen van een andere primaire cortex en een secundaire cortex alleen de taken van een andere secundaire cortex.
• Terwijl een getransplanteerde of ‘rewired’ cortex er in termen van functie en structuur hetzelfde uit kan zien als het oorspronkelijke weefsel, is het bijna altijd tóch te onderscheiden van het oorspronkelijke weefsel.

4.6 Hoe verloopt de ontwikkeling van de menselijke cortex?

Met betrekking tot de ontwikkeling van de gelaagdheid van de cortex, geldt dat de meeste neuronen zich bij de geboorte op de juiste plek bevinden. Het ‘inside-out’ groeipatroon dat plaatsvindt tijdens de prenatale hersenontwikkeling, blijft echter ook na de geboorte bestaan. Dit groeipatroon heeft betrekking op dendrieten en myelinisatie. Zo ontwikkelt laag 5 zich sneller dan de lagen 2 en 3, die meer aan het oppervlak liggen. Dit ‘inside-out’ patroon van groei geldt echter niet voor de latere toe- en afname in synaptische dichtheid.

Ook in de areal structuur van de cortex is sprake van een differentiële ontwikkeling. Zo blijkt uit onderzoek dat de primaire visuele en auditieve cortex zich sneller ontwikkelen dan de frontale cortex. Deze differentiële ontwikkeling wordt niet bij andere soorten gevonden. Waarschijnlijk zijn regionale verschillen door de langere postnatale ontwikkeling bij mensen meer zichtbaar. Ook is het mogelijk dat de verschillen in onderzoeksbevindingen tussen mensen en andere soorten het gevolg zijn van verschillen in gebruikte onderzoekstechnieken. Ook onderzoek dat gebruik maakt van PET, heeft aangetoond dat hersengebieden zich differentieel ontwikkelen. De opname van glucose bereikt in verschillende hersengebieden op verschillende leeftijden een piek. Ook witte stof ontwikkelt zich differentieel als gevolg van myelinisatie en neemt in verschillende hersengebieden in een ander tempo toe.

4.7 Hoe verloopt de hersenontwikkeling in de adolescentie?

In de puberteit vinden er een aantal veranderingen plaats in het brein, waaronder synaptische ‘pruning’ en veranderingen in myelinisatie. Deze veranderingen vinden vooral plaats in de prefrontale cortex. In de puberteit nemen ook hormoonniveaus toe. In de adolescentie neemt impulsief en risicovol gedrag toe. Onderzoek suggereert dat impulsief gedrag en risicogedrag zich anders ontwikkelen en deels een andere oorsprong in het brein hebben. Impulsief gedrag (gebrek aan inhibitie) is gerelateerd aan de ontwikkeling van de prefrontale cortex en neemt vanaf de kindertijd geleidelijk af. Individuen die geneigd zijn tot risicogedrag hebben in de adolescentie een groter risico door ontwikkelingsveranderingen in het beloningssysteem.

Tijdens de adolescentie verbeteren veel executieve functies, zoals selectieve aandacht, het werkgeheugen en het uitvoeren van meerdere taken tegelijk. Deze executieve functies zijn gerelateerd aan de prefrontale cortex, maar ook andere hersengebieden zijn bij deze veranderingen betrokken. Sommige subcorticale gebieden veranderen tijdens de adolescentie hun responseigenschappen. Zo wordt de amygdala, die betrokken is bij emotieverwerking, over de tijd heen steeds meer verfijnd. Terwijl de amygdala op 11-jarige leeftijd ook op neutrale gezichten reageert, wordt de amygdala bij volwassenen alleen geactiveerd bij het zien van een angstige gezichtsuitdrukking. Daarnaast lijken er tijdens de adolescentie sekseverschillen te bestaan in de ontwikkeling van de functie van de amygdala: bij vrouwen neemt de reactie van de amygdala op angstige gezichten tijdens de adolescentie af, terwijl dit voor mannen niet geldt. Voor de prefrontale cortex geldt het tegenovergestelde. Deze onderzoeksbevindingen kunnen worden geïnterpreteerd als een grotere toename in de emotieregulatie bij vrouwen, die gemedieerd wordt door de prefrontale cortex.

4.8 Hoe verloopt de postnatale ontwikkeling van de hippocampus en subcorticale structuren?

Bij de postnatale ontwikkeling van sommige subcorticale structuren (zoals de hippocampus, het cerebellum en de thalamus) lijkt er sprake te zijn van een paradox: enerzijds is er bewijs voor het idee dat deze structuren bij de geboorte al functioneren en anderzijds is er bewijs voor postnatale ontwikkeling en/of functionele reorganisatie van deze structuren. Een mogelijke verklaring voor deze paradox is, dat er tijdens de postnatale ontwikkeling van de neocortex veranderingen plaatsvinden in de interacties met subcorticale gebieden. Uit onderzoek blijkt dat subcorticale gebieden in de vroege ontwikkeling meer invloed hebben op de corticale verwerkingsprocessen dan later in de ontwikkeling. Tijdens de ontwikkeling worden corticale netwerken minder afhankelijk van de subcorticale invloed. Het limbische systeem omvat de amygdala, de hippocampus en de limbische gebieden van de cortex. Terwijl de limbische gebieden van de cortex dezelfde ontwikkeling volgen als andere gebieden van de cortex, worden ze eerder dan andere gebieden van de cortex gedifferentieerd en vertonen daardoor minder plasticiteit.

Het cerebellum is waarschijnlijk betrokken bij zowel motorische controle als bij bepaalde aspecten van de hogere cognitieve functies. Binnen twee maanden na de bevruchting, zijn de drie lagen van het cerebellum gevormd: de ventriculaire laag, de tussenliggende laag en de marginale laag. De ontwikkeling van het cerebellum duurt echter lang en tot ongeveer 18 maanden na de geboorte blijven er nieuwe neuronen ontwikkeld worden. Hoewel het cerebellum één van de weinige hersengebieden is waarbij sprake is van postnatale neurogenese, is er vijf dagen na de geboorte al sprake van een hoge glucose-opname.

4.9 Welke neurotransmitters zijn er?

Behalve ontwikkelingen in de neuronen en ‘wiring’ van het brein, zijn er ook ontwikkelingsveranderingen in de ‘soft soak’ aspecten van neurale functie. Soft soak verwijst naar de stoffen die betrokken zijn bij de overdracht en modulatie van neurale signalen. Er zijn twee soorten neurotransmitters: intrinsieke (ontstaan binnen de cortex) en extrinsieke (ontstaan buiten de cortex). De intrinsieke neurotransmitters kunnen verder worden verdeeld volgens het effect dat ze hebben: stimulerend of remmend. De intrinsieke, stimulerende neurotransmitter glutamaat speelt een rol bij de axonen van piramidecellen, die informatie overdragen naar andere (sub)corticale gebieden. Na de geboorte neemt het aantal receptoren voor de transmitter toe, en vervolgens af. Dit patroon van toe- en afname lijkt ook te gelden voor de intrinsieke, inhiberende neurotransmitter GABA. Uit onderzoek blijkt dat de niveaus van GABA beïnvloed kunnen worden door de mate van sensorische ervaring. Extrinsieke neurotransmitters ontstaan op verschillende subcorticale locaties. Voorbeelden hiervan zijn:

• Acetylcholine: ontstaat in de voorhersenen;
• Norepinefrine (noradrenaline): ontstaat in de locus coeruleus en is gerelateerd aan de plasticiteit van het brein;
• Serotonine: ontstaat in de raphekernen in de hersenstam; en
• Dopamine: ontstaat in de substantia nigra.

Samenvattend kan het volgende worden gesteld:

• De meeste intrinsieke en extrinsieke neurotransmitters zijn al bij de geboorte aanwezig, maar vertonen na de geboorte veranderingen in verdeling en algemene niveaus.
• Verschillende neurotransmitters vertonen het patroon van toe- en afname.
• Verschillende extrinsieke neurotransmitters ontwikkelen zich, net als de corticale ontwikkeling, ‘inside-out’.
• Neurotransmitters kunnen tijdens de ontwikkeling meerdere functies hebben.
• Sommige neurotransmitters vertonen in de cortex een differentiële verdeling. Dit speelt mogelijk een rol bij de specialisatie van hersengebieden.

4.10 Wat maakt een brein menselijk?

De hersenontwikkeling duurt bij mensen ongeveer vier keer zo lang als bij andere zoogdieren. Uit onderzoek blijkt dat de volgorde van de ontwikkeling bij verschillende soorten hetzelfde is. Het tempo waarin een ontwikkeling plaatsvindt, is gerelateerd aan de relatieve grootte van de betreffende hersenstructuur. Het model van Finlay en Darlington stelt het volgende: hoe langer de hersenontwikkeling duurt, hoe groter het relatieve volume van de later ontwikkelende hersenstructuren zal zijn. In overeenstemming met dit model, wordt de vertraagde hersenontwikkeling bij mensen geassocieerd met een relatief grotere cortex. Waarschijnlijk vinden verschillen tussen soorten hun oorsprong (deels) in de timing van de celontwikkeling (het aantal ‘rondes’ van celdeling dat in en om de proliferatieve zones plaatsvindt). Mogelijk is de toegenomen mate van cortex in het menselijk brein een bijproduct van het vertragen van de algemene hersenontwikkeling. Dit suggereert dat bewijs uit onderzoek naar andere zoogdieren relevant is voor onderzoek naar de menselijke hersenontwikkeling, omdat hetzelfde proces wordt bestudeerd. Een voordeel van de relatief vertraagde hersenontwikkeling bij de mens is dat het de postnatale periode verlengt, waarin interactie met de omgeving kan bijdragen aan de verfijning en vorming van circuits.

4.11 Hoe kunnen we dit alles kort samenvatten?

Verschillende hoogtepunten in de ontwikkeling zijn hetzelfde bij mensen en dieren, maar de timing van de ontwikkeling van menselijke hersenen is langzamer en uitgerekter, wat leidt tot de ontwikkeling van meer cortex. Het hersenvolume verviervoudigt tussen de geboorte en de volwassenheid, voornamelijk vanwege vermeerderingen van axonen, dendrieten en myelinisatie. Verschillende metingen van structuur en neurofysiologie laten een karakteristiek stijgen-en-dalen zien tijdens de postnatale ontwikkeling. Wat betreft de protomap en protocortex hypothese wordt momenteel voor een middenweg gepleit, waarbij grote gebieden van tevoren vaststaan, terwijl de kleinere, hogere orde gebieden activiteitafhankelijke processen vereisen. De uitgerekte periode van postnatale ontwikkeling van menselijke hersenen laat twee differentiële aspecten zien die niet terug te vinden zijn in andere primaten: een inside-out patroon van de ontwikkeling van lagen en verschillen in de timing van de ontwikkeling van gebieden. Deze aspecten bieden de basis voor associaties tussen de ontwikkeling van hersenen en de ontwikkeling van cognitie.

TentamenTicket

• Tip om de ontwikkeling van de embryonale disk te onthouden. (1) Het endoderm ontwikkelt zich tot interne organen, zoals het spijsverteringskanaal, dit kun je onthouden aan dat de endeldarm onderdeel is van het spijsverteringskanaal en lijkt op endoderm. (2) Het mesoderm ontwikkelt zich tot het skelet en spieren, dit kun je onthouden doordat spieren in het Engels 'muscles' zijn en mesoderm begint met dezelfde letter. (3) Het ectoderm ontwikkelt zich tot de huid en het zenuwstelsel, dit kun je onthouden aan dat ‘extern’ lijkt op ecto (ektos is Grieks voor 'van buiten'), de huid en het zenuwstelsel nemen dingen van buiten het lichaam waar.

Hoe geschiedt de ontwikkeling van zicht, visuele oriëntatie en visuele aandacht? - Chapter 5

5.1 Hoe ontwikkelt zicht?

Het is lastig te bepalen of veranderingen in visueel vermogen het gevolg zijn van ontwikkelingen in de periferie, zoals de lens of de oogspieren, of van ontwikkelingen in het brein. Onderzoek suggereert dat de ontwikkeling van het centrale zenuwstelsel een belangrijke rol speelt bij de ontwikkeling van zicht. Er is onderzoek gedaan naar de vraag welke hersengebieden geactiveerd worden in reactie op visuele stimuli. Hieruit blijkt dat de reactie van baby’s op visuele stimuli in dezelfde visuele hersengebieden plaatsvindt als bij volwassenen.

Het centrale visuele veld van de meeste primaten is binoculair, waarbij de informatie van de twee ogen geïntegreerd moet worden. Deze integratie vindt plaats in de primaire visuele cortex, in de oculaire dominantiekolommen. Deze kolommen bevinden zich in laag 4 van de primaire visuele cortex en ontstaan door de scheiding van input vanuit beide ogen. Neuronen in één oculaire dominantiekolom worden gedomineerd door input vanuit één oog. Er bestaat een kritieke periode voor de ontwikkeling van deze kolommen en ze zijn gevoelig voor de verschillende mate van input vanuit de twee ogen.

Onderzoek heeft aangetoond dat binoculair zicht zich ongeveer in de derde of vierde levensmaand ontwikkelt. Stereoacuity is één van de vermogens die wordt geassocieerd met binoculair zicht. Dit vermogen neemt snel toe en bereikt binnen een paar weken volwassen niveaus. Held stelt dat voor deze snelle toename een even snelle verandering nodig is in het bijbehorende neurale systeem: de oculaire dominantiekolommen. Uit onderzoek blijkt dat input vanuit de twee ogen naar de cortex aanvankelijk gemengd is, waardoor informatie zich aan gemeenschappelijke neuronen in laag 4 verbindt. Tijdens de ontwikkeling trekken axonen van het ene oog zich terug uit dit gebied, en blijven de axonen van het andere gebied achter. Deze neurale veranderingen resulteren in de plotselinge toename in stereoacuity.

Dit proces van selectief verlies leidt ertoe dat informatie vanuit de twee ogen gescheiden wordt. Als elke neuron eenmaal informatie ontvangt van slechts één oog, zal er dus enige afname plaatsvinden in de integratie tussen de informatie uit beide ogen. Het verlies van deze verbindingen is waarschijnlijk het gevolg van de verfijning van synapsen. Deze verfijning vindt waarschijnlijk plaats door activiteitsafhankelijke neurale mechanismen. Er is echter onderzoek dat suggereert dat de aanvankelijke vorming van de oculaire dominantiekolommen bij dieren plaats kan vinden zonder gestructureerde visuele ervaring. Mogelijk is dit het gevolg van prenatale intrinsieke spontane activiteit van het netvlies. Nabijgelegen cellen op het ene netvlies vuren op ongeveer hetzelfde moment, maar hangen niet samen met cellen van het andere netvlies. Cellen die samen vuren, zijn aan elkaar verbonden, waardoor er oogspecifieke lagen kunnen ontstaan in de laterale geniculate nucleus.

5.2 Hoe ontwikkelt visuele oriëntatie?

Bij visuele oriëntatie is er sprake van een integratie tussen sensorische input en motorische output: in reactie op of in verwachting van een nieuwe sensorische stimulus worden de ogen en het hoofd bewogen. In het eerste levensjaar wordt informatie met name door middel van visuele oriëntatie verzameld. Bronson stelde dat de ontwikkeling van zicht en visuele oriëntatie toegeschreven kan worden aan een verschuiving van subcorticale visuele verwerking naar verwerking in corticale visuele gebieden. Het functioneren van de hersenen ontwikkelt zich geleidelijk, daarnaast zijn er meerdere neurale systemen betrokken bij de controle van oogbewegingen en aandachtsverschuivingen.

Er zullen vier paden worden besproken. Het eerste pad gaat van het oog naar de superior colliculus. Dit subcorticale pad ontvangt vooral input vanuit het temporale visuele veld (de buitenste helft van het gezichtsveld) en is betrokken bij de snelle, reflexieve oogbewegingen voor makkelijk te onderscheiden stimuli.

De andere drie paden die besproken zullen worden, gaan indirect van het oog naar corticale structuren:

1. Het eerste pad gaat van de primaire visuele cortex (V1) direct naar de superior colliculus en indirect via het middelste temporale gebied. Sommige structuren van dit pad lijken een rol te spelen bij de detectie van beweging en het volgen van bewegende objecten.
2. Het tweede pad gaat van V1 naar andere delen van de visuele cortex en vandaar naar de frontale oogvelden (FEFs). Deze FEFs zijn betrokken bij meer complexe aspecten van de planning van oogbewegingen, zoals anticiperende oogbewegingen.
3. Het derde pad is meer complex. Hierbij is sprake van inhibitie van de superior colliculus, via de subcorticale substantia nigra en basale ganglia. Dit pad zorgt ervoor dat de activiteit van de colliculus wordt gereguleerd. Anderen suggereren dat dit pad een rol speelt bij de regulatie van het subcorticale oculomotorische pad, via de andere corticale paden.

De drie perspectieven op de ontwikkeling van hersenfuncties, hebben ieder een andere kijk op het leggen van een verband tussen deze verschillende paden en de ontwikkeling van visuomotorische competentie:

• Rijpingsperspectief: de ontwikkeling van de verschillende paden moet gerelateerd worden aan het ontstaan van nieuwe functies, zoals gemeten door marker tasks.
• Vaardigheidsperspectief: het brein moet de vaardigheid verwerven om nauwkeurige en informatieve saccades te genereren, en dus zijn hersengebieden van belang die betrokken zijn bij de verwerving van vaardigheden.
• Perspectief van interactieve specialisatie: sommige paden hebben aanvankelijk slecht gedefinieerde grenzen en functies, en worden alleen door ervaring van elkaar onderscheidbaar.

Het rijpingsperspectief domineert met betrekking tot visuele oriëntatie. Hierbij is sprake van twee aanvullende benaderingen, namelijk voorspellingen over de volgorde van de ontwikkeling van de paden van de hersenontwikkeling en het gebruiken van marker taken om de functionele ontwikkeling van bepaalde structuren of paden te meten. Een voorbeeld van de eerste benadering is door Johnson gepresenteerd. Johnson stelde dat de kenmerken van visueel geleid gedrag op zekere leeftijden worden bepaald door welke paden functioneel zijn en dat welke paden functioneel zijn, beïnvloed wordt door de ontwikkelingstoestand van de primaire visuele cortex. Dit vindt zijn oorsprong in drie observaties:

• De primaire visuele cortex is de belangrijkste poort voor input naar de meeste corticale hersengebieden, die betrokken zijn bij de controle van oogbewegingen.
• De primaire visuele cortex blijft na de geboorte een ‘inside-out’ patroon van groei volgen, waarbij de diepere lagen rond de geboorte meer ontwikkeld zijn dan de meer oppervlakkige lagen.
• Er is een beperkt patroon van input en output van de primaire visuele cortex.

Johnson stelde de volgende volgorde voor van de ontwikkeling van corticale paden, die ten grondslag liggen aan de controle van oogbewegingen: (1) het subcorticale pad van het oog naar de superior colliculus, (2) de corticale projectie, die het pad van de superior colliculus inhibeert, (3) het pad door het middelste temporele gebied en (4) het pad met de FEFs en gerelateerde structuren. Minstens twee kenmerken van visueel geleid gedrag bij pasgeboren baby’s zijn consistent met de voorspelling dat er bij pasgeboren baby's vooral sprake is van subcorticale controle (pad 1):

• Het vermogen van baby’s om in de eerste levensmaanden een bewegende stimulus te volgen, heeft twee kenmerken. Allereerst volgen de oogbewegingen de stimulus op een schokkerige (saccadische) manier in plaats van met een vloeiende beweging. Daarnaast zijn de oogbewegingen trager dan de beweging van de stimulus. Dit gedrag is consistent met de subcorticale controle van visuele oriëntatie.
• Pasgeboren baby’s richten zich meer op stimuli op de buitenkant van het gezichtsveld, dan op stimuli op het nasale gezichtsveld. Uit onderzoek blijkt dat structuren in de middenhersenen, zoals de subcorticale colliculus, vooral worden gedreven door input uit de buitenkant van het gezichtsveld.

Als baby’s ongeveer één maand oud zijn, vertonen ze gedwongen aandacht: ze hebben moeite om een oogbeweging te maken van de ene naar de andere stimulus (sticky fixation). Volgens Johnson wordt dit fenomeen verklaard door de ontwikkeling van tonische inhibitie van de colliculus via de substantia nigra (pad 2). Als baby’s ongeveer twee maanden oud zijn, beginnen ze visuele stimuli soepel te volgen. Wel zijn de oogbewegingen trager dan de beweging van de stimulus. Op deze leeftijd worden baby’s daarnaast meer gevoelig voor stimuli op het nasale gezichtsveld en voor coherente beweging. Deze ontwikkelingen gaan gepaard met het functioneren van het derde pad, waarbij het middelste temporale gebied betrokken is. Het functioneren van dit pad faciliteert mogelijk het vermogen om activiteit in de superior colliculus te reguleren.

Als baby’s ongeveer drie maanden oud zijn, is er sprake van toenemende dendritische groei en myelinisatie in de bovenste lagen van de primaire visuele cortex, wat de informatieoverdracht van het eerste visuele corticale gebied naar andere hersengebieden versterkt. Mogelijk wordt het vierde pad met de FEFs hierdoor functioneel. Deze ontwikkeling kan ervoor zorgen dat de baby in staat wordt om anticiperende oogbewegingen te maken en om volgordes van kijkpatronen te leren. Verder kunnen baby’s op deze leeftijd bewegende visuele stimuli niet alleen soepel volgen, maar de beweging van de stimulus vaak ook voorspellen.

Voor het beoordelen van het functioneren van de FEFs kan gebruik worden gemaakt van een antisaccade taak. Hierbij wordt participanten gevraagd niet te kijken naar een cue die kort getoond wordt, maar eerder een oogbeweging in tegenovergestelde richting te maken. Uit onderzoek blijkt dat patiënten met letsel rond de FEFs meer moeite met deze taak hebben dan patiënten met letsel aan de temporale kwab. Johnson heeft voor jonge kinderen een aangepaste versie ontwikkeld, waarbij ze gemotiveerd worden om niet naar de cue te kijken, door de andere stimulus (target) aantrekkelijker te maken. Na een aantal trials kan een kind leren om de neiging te inhiberen om naar de cue te kijken, om zo snel mogelijk naar de meer aantrekkelijke stimulus te kijken. Uit onderzoek blijkt dat 4 maanden oude baby’s een afname vertonen in de mate waarin ze na een aantal trials naar de cue kijken.

Uit onderzoek blijkt dat de controle van de prefrontale cortex over aandachtsverschuivingen en oogbewegingen rond 6 maanden toeneemt. Zo is er onder apen onderzoek gedaan met behulp van de oculomotor delayed response taak. Hierbij plant de aap een bepaalde oogbeweging, maar moet hij wachten met het uitvoeren van deze beweging. Uit dit onderzoek blijkt dat sommige cellen in de dorsolaterale prefrontale cortex tijdens deze vertraging coderen voor de richting van de oogbeweging. Een PET onderzoek onder mensen heeft bevestigd dat de dorsolaterale prefrontale cortex betrokken is bij deze taak. Ook voor de oculomotor delayed response taak is een versie ontwikkeld voor jonge kinderen. Uit onderzoek blijkt dat baby’s van 6 maanden vertraagde oogbewegingen uit kunnen voeren, met vertragingen tot 5 seconden. Dit suggereert dat de prefrontale cortex een rol speelt bij de controle van oogbewegingen.

In termen van de drie eerdergenoemde perspectieven op de functionele hersenontwikkeling, kan het model van Johnson van de ontwikkeling van visuele oriëntatie beschreven worden als rijpingshypothese. De nadruk ligt op de manier waarop ontwikkelingsveranderingen in het brein ervoor zorgen dat nieuwe paden in het brein actief worden.

Meer recent onderzoek suggereert dat het oorspronkelijke model enigszins aangepast moet worden en dat een vaardigheidsperspectief mogelijk beter past. De hypothesen uit Johnsons model kunnen worden getest door middel van metingen van event-related potentials (ERPs). Hierdoor kan onderzoek worden gedaan naar de gebeurtenissen in het brein, die voorafgaan aan een oogbeweging. Bij volwassenen kan dit inzicht geven in de presaccadische componenten in de pariëtale cortex. Het duidelijkste component is de spike potential: een scherpe positieve afbuiging, 8-20 milliseconden vóór de saccade. De spike potential is waarschijnlijk een belangrijk stadium van corticale verwerking, die nodig is voor het genereren van een saccade. Bij 12 maanden oude baby’s is er sprake van een spike potential, maar deze is kleiner dan bij volwassenen. Bij baby's van 6 maanden is er geen sprake van een spike potential, wat suggereert dat de saccades van 6 maanden oude baby’s grotendeels gecontroleerd worden door subcorticale routes.

Hoewel er gebrek is aan bewijs voor posterieure corticale controle over oogbewegingen van 6 maanden oude baby’s, werd er wel bewijs gevonden voor betrokkenheid van de frontale gebieden. Onderzoek toont aan dat de FEFs zich eerder ontwikkelen dan de meer posterieure paden. Deze vroege betrokkenheid van de FEFs bij oogbewegingen is consistent met een vaardigheidshypothese, waarbij meer frontale structuren eerder geactiveerd worden dan posterieure structuren (colliculaire circuits). Bij baby’s zou de frontale cortex meer betrokken zijn, omdat ze nog bezig zijn met het verwerven van de vaardigheid om oogbewegingen te plannen en uit te voeren.

Vanuit het perspectief van interactieve specialisatie zijn de structuren die betrokken zijn bij visuele oriëntatie aanvankelijk minder verschillend van andere structuren. Daarnaast stelt dit perspectief dat de ontwikkeling van een nieuw vermogen niet gerelateerd is aan het functioneren van een ‘nieuw’ gebied, maar aan veranderingen in één of meer structuren. Eén van de hersengebieden die betrokken is bij oculomotorische controle en waarvoor het perspectief van interactieve specialisatie nuttig is. Dit gebied ondergaat tussen 3 en 6 maanden na de geboorte ontwikkelingsveranderingen en is betrokken bij aspecten van de planning van saccades.

5.3 Hoe worden saccades gepland?

De pariëtale cortex is een corticaal gebied dat betrokken is bij aspecten van saccadeplanning. Dit gebied ondergaat drastische veranderingen tussen 3 en 6 maanden na de geboorte. Cellen in dit gebied coderen voor saccades in een bepaald oog- of hoofdgecentreerd referentiekader. Uit onderzoek blijkt dat de representaties voor het genereren van saccades in een oog- of hoofdgecentreerd referentiekader zich door middel van training ontwikkelen. De vraag is of kinderen het vermogen om gebruik te maken van niet-retinale informatie voor het plannen van saccades, alleen na de geboorte ontwikkelen. Als dit het geval is, is dit consistent met de aanname dat representaties die oog- of hoofdbewegingen controleren, postnataal moeten worden ontwikkeld en het resultaat zijn van beperkingen die worden bepaald door netwerkstructuur en de interactie hiervan met de omgeving. Er zijn experimenten uitgevoerd om te bestuderen of baby’s het vermogen om gebruik te maken van niet-retinale informatie voor het plannen van oogbewegingen tijdens de eerste levensmaanden ontwikkelen. In één van deze experimenten werden baby’s van 4 en 6 maanden blootgesteld aan twee visuele stimuli. Onderzocht is welke oogbewegingen baby’s in reactie op deze stimuli maken:

• Vector sum reactie: er wordt één oogbeweging gemaakt, die gericht is tussen de twee stimuli.
• Retinocentrische reactie: er worden twee oogbewegingen gemaakt, waarvan de eerste naar één van de stimuli. De tweede oogbeweging is daarentegen gericht op de locatie op het netvlies waar de andere stimulus oorspronkelijk was verschenen. Voor een correcte tweede oogbeweging moeten baby’s rekening houden met het feit dat de positie van de ogen is veranderd, en moeten ze vervolgens een oogbeweging ‘berekenen’ naar de juiste locatie van de stimulus.
• Egocentrische reactie: er worden twee oogbewegingen gemaakt, waarvan de eerste gericht is op de ene stimulus en de tweede op de andere stimulus. Hierbij wordt gebruik gemaakt van niet-retinale informatie om de tweede oogbeweging te plannen.

Uit het onderzoek blijkt dat 4 maanden oude baby’s vooral de retinocentrische reactie vertonen, terwijl baby’s van 6 maanden meestal de egocentrische reactie vertonen. Dit suggereert dat het vermogen om niet-retinale informatie te gebruiken voor het plannen van oogbewegingen, tijdens de eerste zes levensmaanden ontwikkelt. Echter, waarschijnlijk is vanaf de geboorte al sprake van oogbewegingen op basis van de locatie op het netvlies.

Het opkomen van het gebruik van eyetrackers, heeft gezorgd dat visuele oriëntatie en saccadeplanning beter onderzocht kunnen worden. Een van de dingen die hiermee gemeten kunnen worden is de duur van fixatie: de korte tijdsperiode waarin de ogen statisch zijn tussen saccades. De duur van fixatie kan gebruikt worden voor het meten van aandacht en is een bruikbare voorspeller voor gedragsmatige en cognitieve vaardigheden op latere leeftijd. Aandacht kan getraind worden met eyetracking, door het kijkpatroon van het kind te laten bepalen wat het ziet (gaze-contingency). De effecten van deze training worden ook overgedragen op andere taken.

5.4 Wat is visuele aandacht?

Tot nu toe lag de focus op 'overt’ aandachtsverschuivingen door middel van oog- en hoofdbewegingen. Volwassenen zijn echter ook in staat tot ‘covert’ aandachtsverschuivingen, waarbij de ogen niet worden bewogen. Hierdoor worden bepaalde locaties of objecten in het gezichtsveld beter verwerkt dan andere. Een kort getoonde cue trekt covert aandacht naar de locatie van deze cue. Dit faciliteert de detectie van stimuli die kort daarna op diezelfde plek worden getoond. Oogbewegingen naar deze locatie worden echter geïnhibeerd als er een langere periode is tussen de cue en het verschijnen van de stimulus. Dit fenomeen wordt ook wel ‘inhibition of return’ genoemd. Mogelijk is dit een evolutionair mechanisme, dat voorkomt dat aandacht opnieuw wordt gericht op een recentelijk verwerkte locatie. Het posterieure aandachtsnetwerk is een hersensysteem dat de posterieure pariëtale kwab, de pulvinar colliculus en de superieure colliculus omvat. Gesuggereerd wordt dat letsel aan dit hersensysteem het vermogen beperkt om covert aandacht te richten op een locatie waar een cue verschijnt. De pariëtale kwab ontwikkelt zich tussen 3 en 6 maanden na de geboorte, het is dus de vraag of baby’s in deze periode in staat worden tot covert aandachtsverschuivingen.

Om dit te onderzoeken, wordt bestudeerd welke invloed een kort getoonde cue (heeft normaal gesproken geen oogbeweging tot gevolg) heeft op oogbewegingen naar opvallende stimuli. Overt aandachtsverschuivingen worden dus gebruikt om covert aandachtsverschuivingen te bestuderen. Het blijkt dat baby’s van 6 maanden sneller een oogbeweging maken naar een stimulus, als deze onmiddellijk na een korte cue verschijnt, dan wanneer de stimulus verschijnt op een locatie waar geen cue is getoond. Dit geldt echter niet voor baby’s van 3 maanden. Onderzoek suggereert dat baby’s vanaf 4 maanden na de geboorte in staat zijn tot covert aandachtsverschuivingen. Een andere manifestatie van covert aandacht is volgehouden aandacht. Dit is het vermogen om de aandacht op een stimulus te blijven richten, zelfs in aanwezigheid van afleidende stimuli. Het blijkt dat baby’s hun aandacht 5 tot 15 seconden vast kunnen houden na het verschijnen van een complexe stimulus.

Om onderzoek te doen naar het effect van volgehouden aandacht op de reactie op externe cues, is gebruik gemaakt van de ‘interrupted stimulus methode'. Hierbij wordt een perifere stimulus getoond, terwijl een baby naar een centrale stimulus kijkt. Het blijkt dat het tijdens de perioden waarin er sprake is van volgehouden aandacht twee keer zo lang duurt voordat de baby de aandacht op de perifere stimulus richt, dan wanneer de periode van volgehouden aandacht voorbij was. Daarnaast zijn de oogbewegingen naar een perifere stimulus tijdens een periode van volgehouden aandacht minder nauwkeurig dan normaal. Het gebrek aan afleidbaarheid tijdens perioden van volgehouden aandacht, is waarschijnlijk het gevolg van corticale paden die colliculaire mechanismen inhiberen.

Bij onderzoek naar ontwikkelingen in visuele aandacht tijdens de kindertijd is gebruik gemaakt van cognitieve methoden. In de kindertijd ontwikkelen de volgende vermogens zich:

• Groter vermogen om een aandachtsveld te vergroten of verkleinen;
• Groter vermogen tot volgehouden aandacht, in de aanwezigheid van afleidende informatie; en
• Het vermogen tot snellere aandachtsverschuivingen.

Onderzoek naar de neurale basis van de ontwikkeling van aandacht in de kindertijd is gebaseerd op: (1) onderzoek dat gebruik gemaakt van ERPs, (2) onderzoek naar genetische variatie, (3) onderzoek naar de effecten van vroeg hersenletsel en (4) onderzoek naar ontwikkelingsstoornissen.

Richards heeft ERP onderzoek gedaan om de neurale basis van covert aandacht te ontdekken. ERPs zijn de elektrofysiologische reacties van het brein op gebeurtenissen in de omgeving, zoals het verschijnen van een stimulus. Er is weinig ERP bewijs voor covert aandachtsverschuivingen bij baby’s van 3 maanden. Het patroon van ERP data van 5 maanden oude baby’s lijkt echter op het ERP patroon van volwassenen. Dit duidt erop dat baby’s op deze leeftijd in staat zijn tot covert aandachtsverschuivingen.

Variatie in allelen beïnvloedt aspecten van aandacht tijdens de ontwikkeling. Onderzoek is gedaan naar de associaties tussen genetische polymorfismen voor serotonineproductie en variaties in aandachtsvaardigheden. Zo bleken baby's met een bepaalde variant meer moeite te hebben met aandachtsverschuivingen van een centrale stimulus naar een target in de periferie dan baby's met een andere variant. Ook wat betreft dopamine is er zo'n associatie gevonden: kinderen met het de ene variant van dopamine genen zijn minder snel afgeleid dat kinderen met een andere variant.

De neurale basis van covert aandacht kan ook worden onderzocht door het bestuderen van de gevolgen van vroeg hersenletsel. Hieruit blijkt dat posterieur letsel wel effect heeft op volwassenen, maar niet op baby’s. Frontaal letsel heeft daarentegen wel effect op spatial cueing.

De neurologische ontwikkeling van covert aandacht kan ook bekeken worden door ontwikkelingsstoornissen te onderzoeken. ADHD wordt gekarakteriseerd door onoplettendheid, hyperactiviteit en impulsiviteit. Een andere conditie die gelinkt wordt aan beperkingen in aandacht is autisme. Zowel volgehouden aandacht als oriëntatie en reflexief aandachtsverschuiven zijn veel onderzocht bij ADHD en autisme. Bij autisme worden atypische patronen van visuele oriëntatie gevonden, waarbij er sprake is van sticky fixation en problemen met aandachtsverschuivingen onder competitieve condities. Kinderen met ADHD laten vertraagde reactietijden zien in reactie op perifere stimuli, maar de moeite wordt niet groter onder competitieve condities, ook zijn er problemen in de volgehouden aandacht.

De vraag is echter of afwijkende aandachtspatronen een symptoom zijn van tekorten in andere domeinen, zoals sociale cognitie bij autisme, of dat afwijkende aandachtsproblemen juist leiden tot bepaalde andere symptomen van de stoornis. Dit kan worden onderzocht door baby’s te bestuderen, die een oudere, autistische broer of zus hebben en dus een verhoogd risico hebben op autisme.

5.5 Hoe kunnen we dit alles samenvatten?

Retinale ontwikkeling en hersenveranderingen verklaren beide delen van verbeteringen in basale visuele functies. De toenemende scheiding van input van de twee ogen in laag 4 in V1 kan gezien worden als resultaat van een zelf-organiserend neuraal netwerk dat beperkt wordt door bepaalde intrinsieke en extrinsieke factoren. Uit een recent onderzoek bleek dat duur van fixatie geassocieerd is met aandacht en uit een ander onderzoek bleek dat aspecten van visuele oriëntatie getraind kunnen worden met eyetracking. Verschillende veranderingen in flexibiliteit en snelheid van aandachtsverschuivingen vinden hun oorsprong in de babytijd, maar blijven doorgaan in de kindertijd. Sommige zijn gerelateerd aan genetische variaties en kunnen aangetast zijn in bepaalde stoornissen.

TentamenTickets

• Tip om overt en covert aandacht uit elkaar te houden: overt is Engels voor ‘openlijk’, bij deze vorm van aandacht worden de ogen of het hoofd bewogen naar de plek waar de aandacht getrokken wordt en is dus openlijk zichtbaar. Extra makkelijk te onthouden, omdat overt en openlijk met dezelfde letter beginnen. Covert is Engels voor ‘verborgen’, de ogen worden bij deze vorm van aandacht niet bewogen, terwijl de aandacht wel getrokken wordt, maar dit kun je niet zien omdat de ogen niet bewegen (verborgen, heimelijk).
• De manieren waarop onderzoek naar de neurale basis van de ontwikkeling van aandacht op gebaseerd zijn, zijn onderzoek naar de effecten van vroeg hersenletsel, onderzoek naar ontwikkelingsstoornissen, ERP onderzoek en onderzoek naar genetische variatie. Deze zijn te onthouden aan vier steekwoorden, waarvan de beginletters VOEG vormen: Vroeg hersenletsel – Ontwikkelingsstoornissen – ERP – Genetische variatie.

Hoe geschiedt het proces met betrekking tot objecten en aantallen? - Chapter 6

6.1 Wat zijn de dorsale en ventrale visuele paden?

Er is bewijs dat de verwerking van visuele informatie over objecten plaatsvindt in twee relatief aparte hersensystemen:

• Dorsale route: het ‘waar-pad’ of het ‘actiepad’ wat loopt van de primaire visuele cortex naar de pariëtale cortex; en
• Ventrale route: het ‘wat-pad’ of het ‘perceptiepad’ wat loopt van de primaire visuele cortex naar de temporale kwab.

Er is bewijs voor meerdere ruimtelijke systemen in de dorsale route. Sommige cellen in de pariëtale cortex anticiperen op de gevolgen van oogbewegingen, zodat objecten nauwkeurig gelokaliseerd kunnen worden. Een object beweegt vaak en om dit object te lokaliseren, moet de beweging worden gevolgd en moet op de beweging worden geanticipeerd. Sommige cellen in de pariëtale cortex lijken betrokken te zijn bij het volgen van bewegende objecten. Andere cellen volgen veranderingen in grootte, als de afstand tussen een object en de kijker verandert. Tot slot zijn er cellen die de grootte, vorm en oriëntatie van een object coderen, wat nodig is voor het reiken naar en vastpakken van een object. Er is ook bewijs dat deze verschillende ruimtelijke systemen zich in verschillende gebieden binnen de dorsale route bevinden. Sommigen stellen dat de pariëtale cortex sensomotorische cellen bevat, die betrokken zijn bij het transformeren van sensorische informatie (van het netvlies) in motorische coördinatie, en bij het veranderen van perceptuele input naar motorische handelingen.

De ventrale route is vooral betrokken bij het herkennen van objecten en individuen. Neuronen hoger in dit pad reageren selectief op bepaalde eigenschappen van het object. Sommige cellen lijken maximaal te reageren op een geprefereerde objectoriëntatie (onafhankelijk van de positie van het object), waarbij een ‘view-centered’ representatie wordt ontwikkeld. Andere cellen reageren op elke objectoriëntatie hetzelfde en ontwikkelen een ‘transformation-invariant’ representatie. ‘View-invariant’ herkenning verwijst naar het vermogen om een object te herkennen, onafhankelijk van de oriëntatie of locatie ervan. Hiervoor moet ruimtelijke variabiliteit worden geminimaliseerd. Voor de werking van het motorische systeem is ruimtelijke informatie echter noodzakelijk. Daarom bestaat naast de ventrale route ook de dorsale route.

De drie perspectieven op de functionele hersenontwikkeling hebben verschillende hypothesen over de ontwikkeling van de dorsale en ventrale route:

1. Rijpingsperspectief: onderzocht moet worden welk pad zich het eerst ontwikkelt, en of de ontwikkeling van dit pad een verklaring is voor de ontwikkeling van objectverwerking. Er is echter geen consistent bewijs voor de vraag of het dorsale of ventrale pad zich als eerst ontwikkelt.
2. Vaardigheidsperspectief: er moet onderzoek worden gedaan naar de verwerving van perceptuele herkenningsvaardigheden in het ventrale pad, en naar de verwerving van sensomotorische integratievaardigheden in het dorsale pad. Ook kan worden onderzocht of er tijdens de ontwikkeling interacties ontstaan tussen de verwerking in de twee paden.
3. Perspectief van interactieve specialisatie: de twee paden zijn aanvankelijk moeilijk van elkaar te onderscheiden. Tijdens de ontwikkeling worden de twee paden meer gespecialiseerd, gaan ze minder interacteren en worden ze minder vaak tegelijkertijd geactiveerd.

6.2 Hoe wordt omgegaan met verborgen objecten?

Piaget was de eerste die fouten ontdekte in de manier waarop jonge kinderen over verborgen objecten denken. Ontwikkelingen omrent verborgen objecten weerspiegelde volgens hem een conceptuele revolutie, die resulteert in de constructie van een ‘object concept’ (een objectrepresentatie). Uit onderzoek naar de ontwikkeling van objectperceptie blijkt dat perceptuele systemen van mensen al snel één type invariantie kunnen detecteren: de onveranderlijke vorm van een object onder veranderende patronen van occlusie en achtergrond. Ook is er enig bewijs voor het idee dat pasgeboren baby’s begrijpen dat de vorm van een object hetzelfde blijft, terwijl de grootte en positie van het object verandert. Dit spreekt Piagets bewerking tegen, dat het vermogen om objecten waar te nemen, afhankelijk is van een proces dat verwant is aan wetenschappelijk redeneren. Sommige experimenten met kijktaken hebben aangetoond dat baby’s volledig verborgen objecten al kunnen representeren, voordat ze Piagets objectpermanentie taken op kunnen lossen. Cognitief neurowetenschappelijk onderzoek suggereert een aantal mogelijke oplossingen voor deze paradox:

• De mate van integratie tussen het dorsale en ventrale visuele pad;
• De veranderende sterkte van objectrepresentaties in het brein; en
• Het onvermogen van baby's om de nodige handelingen te plannen voor het terugvinden van verborgen objecten.

In dit hoofdstuk zal de focus liggen op de hypothese dat de discrepantie tussen kijk- en reiktaken het gevolg is van een gebrek aan integratie tussen het dorsale en ventrale visuele pad. Deze hypothese stelt dat er voor handelingen gericht op een verborgen object, interactie tussen de twee paden noodzakelijk is. Dit idee is door middel van een connectionistisch model onderzocht. Dit 'dual route' verwerkingsmodel bevat twee routes en een integrerend component:

• Objectherkenning (gelijk aan het ventrale pad): ontwikkelt een ruimtelijk onveranderlijke representatie van een object;
• Trajectvoorspelling (gelijk aan het dorsale pad): voorspelt de volgende positie van het object op het netvlies; en
• Responsintegratie: coördineert en gebruikt informatie over de positie en identiteit van het object, integreert de interne representaties van de paden van objectherkenning en trajectvoorspelling.

Naar dit model is onderzoek gedaan. In dit onderzoek keken baby’s op een televisiescherm hoe twee verschillende objecten achter een doek verdwenen en vervolgens hoe dit doek werd weggehaald. Als dit doek werd weggehaald, waren de kenmerken of de ruimtelijke locaties van de twee objecten verwisseld, of waren zowel de kenmerken als ruimtelijke locaties verwisseld. Als baby’s alleen bij verwisselde kenmerken langer naar de objecten keken, werd dit gezien als indicatie voor verwerking via het ventrale pad (herkenning). Als de baby’s alleen bij verwisselde locaties langer naar de objecten keken, werd dit beschouwd als aanwijzing voor verwerking via het dorsale pad. Uit dit onderzoek blijkt dat baby’s alleen de kenmerken of de locatie kunnen coderen, maar niet beide. Dit suggereert dat baby’s alleen het dorsale of ventrale pad kunnen activeren, maar niet allebei tegelijkertijd. Aanvullend onderzoek laat zien dat baby's objecten die de juiste grootte, vorm en afstand hebben, eerder het dorsale pad activeren en objecten die bijvoorbeeld te groot of te ver weg zijn zullen eerder tot objectverwerking wat betreft visuele herkenning leiden.

Niet alle onderzoeken ondersteunen het idee dat er sprake is van vergrotende integratie tussen de paden. Een onderzoek stelt dat ontwikkeling een progressief decorrelatieproces bevat, wat toe te schrijven is aan grotere specialisatie en corticale scheiding.

Met behulp van functionele imaging is ook de relatie tussen het ventrale en dorsale pad onderzocht. Een studie vond dat bij kinderen van 6 jaar zowel het ventrale als dorsale pad werd geactiveerd bij het zien van gereedschap. In de toekomst moet de ontwikkelingsrelatie tussen de paden onderzocht worden om vast te kunnen stellen of categoriespecificatie in de twee paden op hetzelfde moment ontwikkelt of dat de ontwikkeling van het ene pad voorafgaat aan de ontwikkeling van het andere pad.

Er kan ook gekeken worden naar de twee paden in relatie tot ontwikkelingsstoornissen. In het Williams syndroom is het dorsale pad beschadigd en het ventrale pad relatief intact. Uit onderzoek blijkt dat gezichtsverwerking hetzelfde is als bij controles, maar dat de verwerking van andere categorieën anders is bij patiënten met het Williams syndroom. Dit suggereert een verschil in de ontwikkeling van gezichtsverwerking in het ventrale pad en de verwerking van andere categorieën in het ventrale pad.

6.3 Hoe geven neurale oscillaties inzicht in objectverwerking?

Ook door middel van onderzoek naar neurale oscillaties kan inzicht worden verkregen in objectverwerking en objectpermanentie in het brein van baby’s. Uit onderzoek blijkt dat er uitbarstingen zijn van hoge-frequentie oscillaties, die gerelateerd zijn aan aspecten van visuele verwerking en cognitie. Zo is er sprake van een uitbarsting van gamma-frequentie EEG (elektro-encefalografie) oscillaties, als volwassenen ruimtelijk verschillende kenmerken samen moeten nemen voor het samenstellen van één object (‘perceptual binding’). Om te onderzoeken op welke leeftijd baby’s in staat zijn tot perceptual binding, is onderzocht wanneer baby’s in reactie op het zien van een Kanisza figuur (een optische illusie) een uitbarsting van gamma-activiteit vertonen. Hieruit blijkt dat dit het geval is bij kinderen vanaf 8 maanden oud. Een volgende vraag is of deze hoge-frequentie oscillaties behouden blijven, als een object in het hoofd gehouden wordt. Als dit het geval zou zijn, houdt het brein de representatie van een object door middel van neurale oscillatiesactief. Als baby’s zien dat een object achter een doek verborgen wordt, blijft de gammareactie actief als het object niet weer tevoorschijn komt. Deze reactie wordt sterker als het doek wordt weggehaald, en het verborgen object verdwenen is. Mogelijk worden actieve objectrepresentaties (tijdelijk) versterkt, als het brein conflicterende visuele input ontvangt.

6.4 Hoe kunnen we dit alles samenvatten?

Bij volwassenen voeren het dorsale en ventrale pad verschillende berekeningen uit op objecten, waarbij het ventrale pad betrokken is bij de identificatie en herkenning en het dorsale pad bij handelingen met objecten. Functionele imaging studies bij kinderen laten zien dat het patroon van activiteit in het ventrale en dorsale pad lijkt op dat van volwassenen op schoolleeftijd. Er is meer onderzoek nodig naar de ontwikkeling van specialisatie vóór deze leeftijd en het is nodig dit vroege traject te vergelijken met de uitgerektere ontwikkeling van gezichtsverwerking.

TentamenTicket

• Ezelsbruggetje om het ventrale en dorsale pad uit elkaar te houden: dorsaal betekent aan de rugzijde, ventraal betekent aan de buikzijde. Als je in je achterhoofd houdt dat mensen volgens de evolutie van dieren afstammen en dus op handen en voeten zouden moeten lopen, is de bovenkant van het hoofd aan de rugzijde en de onderkant van het hoofd aan de buikzijde. Zo kun je onthouden dat het dorsale pad van V1 naar de pariëtale cortex loopt (ligt meer naar boven in de hersenen, boven de temporale cortex) en het ventrale pad van V1 naar de temporale cortex loopt (ligt meer naar onderen in de hersenen, onder de pariëtale cortex).

Hoe geschiedt waarnemen en handelen met betrekking tot de sociale wereld? - Chapter 7

7.1 Wat is het sociale brein?

Volwassenen hebben hersengebieden voor de verwerking en integratie van sensorische informatie over de verschijning, het gedrag en de intenties van anderen. Het sociale brein omvat de superieure temporale sulcus (STS), de fusiforme face area (FFA) en de orbitofrontale cortex. Er bestaat geen consensus over de oorsprong van het sociale brein en over de mate waarin het sociale brein door ervaring ontstaat. De ‘theory of mind’ is het vermogen om andermans gedrag te begrijpen. Dit vermogen wordt geassocieerd met verschillende hersenstructuren, waarbij de neurale activiteit in de verschillende hersengebieden mogelijk een reflectie is van verschillende aspecten van theory of mind. Zo is de amygdala betrokken bij het begrijpen van emoties.

De drie perspectieven op de functionele hersenontwikkeling hebben ieder een eigen hypothese over de oorsprong van het sociale brein:

1. Rijpingsperspectief: door middel van evolutie zijn bepaalde delen van het brein toegewezen aan de verwerking van sociale informatie. Sommige structuren functioneren al bij de geboorte, terwijl andere gebieden door postnatale rijping functioneel worden. De gehele rijping kan door ervaring versneld of vertraagd worden, maar de volgorde van rijping van hersengebieden blijft hetzelfde.
2. Vaardigheidsperspectief: sommige delen van het sociale brein zijn bij sociale stimuli betrokken, omdat deze visuele input ontvangen, waar we de meeste ervaring mee hebben. We ontwikkelen dus een hoger niveau van perceptuele expertise voor sociaal relevante visuele input. Pasgeboren baby’s hebben nog geen specifieke reacties op sociale stimuli.
3. Perspectief van interactieve specialisatie: het sociale brein ontstaat als netwerk, dat in toenemende mate aangepast wordt op relevante stimuli en gebeurtenissen (activiteitsafhankelijk). Interacties tussen meer primitieve hersensystemen en de omgeving produceren het sociale brein.

7.2 Wat houdt gezichtsherkenning in?

Het vermogen om gezichten te detecteren en herkennen, is een goed voorbeeld van menselijke perceptuele vermogens. Het vermogen tot gezichtsherkenning omvat een aantal vaardigheden:

• Het vermogen om een gezicht als een gezicht te herkennen;
• Het vermogen om een gezicht van een specifiek individu te herkennen;
• Het vermogen om gezichtsuitdrukkingen te identificeren; en
• Het vermogen om het gezicht te gebruiken om andermans gedrag te interpreteren en voorspellen.

Er is sprake van ogenschijnlijk tegenstrijdige onderzoeksbevindingen. Enerzijds blijkt uit onderzoek dat baby’s tijdens de eerste levensmaanden geleidelijk leren over de kenmerken van een gezicht. Deze bevinding wordt door aanhangers van het vaardigheidsperspectief gebruikt als bewijs voor het idee dat het vermogen tot gezichtsverwerking geleerd worden en het resultaat is van ervaring. Anderzijds heeft onderzoek aangetoond dat pasgeboren baby’s een voorkeur hebben voor het kijken naar gezichten. Dit gebruiken aanhangers van het rijpingsperspectief als bewijs voor het idee het brein aangeboren representaties van gezichten bevat. In verband met controversiële onderzoeksbevindingen, is door Johnson en collega’s een ander experiment uitgevoerd. Uit metingen van oogbewegingen blijkt dat pasgeboren baby’s langer naar een gezicht kijken dan naar een vervormd gezicht (waarbij de ogen, neus en mond van plaats zijn verwisseld) of naar een ‘leeg’ gezicht (zonder ogen, neus en mond). Dit experiment bevestigt dat het brein van pasgeboren baby’s enige informatie over gezichten bevat. Naar aanleiding hiervan zijn drie hypothesen opgesteld over de basis van het voorkeurgedrag van pasgeboren baby’s:

• Sensorische hypothese: de visuele voorkeuren van pasgeboren baby’s worden bepaald door psychofysiologische eigenschappen van de stimuli. Deze hypothese is consistent met het vaardigheidsperspectief, omdat niet aangenomen wordt dat er vroeg in het leven al een domein-specifieke bias bestaat. Recent onderzoek stelt dat voorkeur voor gezichten niet alleen beïnvloed wordt door sensorische informatie, maar ook door hoe dit gerelateerd is aan de sensorische receptoren van de baby zelf, dus de ruimtelijke resonantie tussen de ogen in het lichaam van de baby zelf en de ogen in de stimulus is een belangrijke factor.
• De hypothese dat pasgeboren baby’s al complexe gezichtsrepresentaties hebben. Deze hypothese is consistent met het rijpingsperspectief, omdat er domeinspecifieke circuits nodig zijn die al vóór het opdoen van ervaringen bestaan.
• De hypothese dat het brein van pasgeboren baby’s een ‘face biasing system’ (“Conspec systeem”) bevat. Dit systeem zorgt voor de neiging om zich op gezichten te oriënteren. Deze hypothese is consistent met het perspectief van interactieve specialisatie. De invloed van sensorische factoren wordt niet uitgesloten, maar een simpele versie van het vaardigheidsperspectief wordt beschouwd als onwaarschijnlijke verklaring voor de ontwikkeling van gezichtsverwerking.

Er zijn ook onderzoeken, waaruit blijkt dat baby’s tot 2 of 3 maanden na de geboorte nog geen voorkeur hebben voor gezichtspatronen. Dit bewijs is consistent met de bewering dat baby’s gezichtsrepresentaties construeren, als gevolg van herhaaldelijke blootstelling aan gezichten tijdens de eerste levensmaanden. Johnson en Morton proberen deze tegenstrijdige onderzoeksbevindingen te interpreteren door middel van bewijs vanuit twee gebieden van de biologie: de ethologie (onderzoek naar het gedrag van dieren) en de hersenontwikkeling. Vanuit de ethologie is vooral gebruik gemaakt van resultaten met betrekking tot inprenting bij kuikens. Inprenting is het proces, waardoor jonge vogels zich hechten aan het eerste opvallende object dat ze zien als ze uit het ei zijn gekomen.

7.3 Hoe werkt inprenting bij kuikens?

In afwezigheid van een moederkip, ontwikkelen kuikens in een laboratoriumsituatie een sterke voorkeur voor een stimulus waaraan ze een aantal uur worden blootgesteld. Bijna elk opvallend bewegend object, dat groter is dan een luciferdoosje, kan als inprentingstimulus dienen. Het gebied in de voorhersenen van kuikens dat een grote rol speelt bij inprenting, is de IMM (intermediate and medial mesopallium). Laesies aan de IMM beperkt de voorkeur voor een inprentingstimulus in keuzetaken. De volgende stap bij het analyseren van de neurale basis van inprenting is het bestuderen van het betrokken microcircuit van het gebied. Hoewel de cortex bij kuikens geen gelaagde structuur heeft, is het verband van de voorhersenen met subcorticale structuren ongeveer hetzelfde als bij zoogdieren. De IMM ontvangt vooral visuele input en de output van de IMM is betrokken bij motorische controle.

In een laboratoriumsituatie zijn objecten als bewegende balletjes even effectief voor inprenting als meer natuurlijke stimuli, zoals een bewegende nepkip. In het wild ontwikkelen kuikens echter altijd een voorkeur voor hun moeder. Welke beperkingen zorgen ervoor dat de hersenplasticiteit van kuikens normaal gesproken zorgt voor de codering van informatie over soortgenoten (de moederkip), in plaats van over andere objecten in de omgeving? Letsel aan de IMM zorgt voor aanzienlijke interferentie met de voorkeur voor kunstmatige stimuli. Het effect van dit letsel op kuikens met een sterke voorkeur voor meer natuurlijke stimuli, zoals een bewegende nepkip, is daarentegen kleiner.

Naar aanleiding van deze onderzoeksbevindingen probeerde men bewijs te vinden voor de suggestie dat natuurlijke objecten effectiever zijn in het trekken van aandacht van kuikens dan andere objecten. Bij één van de experimenten moesten kuikens kiezen tussen een nepkip en allerlei andere teststimuli, waarbij de vacht van een nepkip kapot was gemaakt. Hieruit blijkt dat kuikens een predispositie hebben om te letten op kenmerken van het hoofd en de nek van de kip. Kuikens lijken een voorkeur te hebben voor gezichten, waarbij de kenmerken zich op de juiste plek bevinden. Deze voorkeur is echter niet specifiek voor de eigen soort.

Naar aanleiding hiervan is de hypothese opgesteld dat twee onafhankelijke hersensystemen betrokken zijn bij inprenting bij kuikens. Het eerste hersengebied is betrokken bij een specifieke predispositie, waardoor kuikens zich op objecten richten die op een moederkip lijken. Het lijkt vooral van belang te zijn dat de elementen van het hoofd en nek zich op de juiste plek bevinden. Mogelijk is de ‘optic tectum’ de neurale basis van deze predispositie. Het tweede hersensysteem verwerft informatie over de objecten waar het kuiken de aandacht op richt. Hieraan ligt de IMM in de voorhersenen ten grondslag. Sommigen stellen dat het eerste hersensysteem er in de natuurlijke omgeving voor zorgt dat het tweede systeem informatie verwerft over de moederkip die het meest dichtbij is. Er is bewijs voor het idee dat deze twee hersensystemen een grotendeels onafhankelijke neurale basis hebben. Ook is er bewijs voor de hypothese dat de twee systemen het inprentinggedrag van kuikens onafhankelijk beïnvloeden en dat de twee systemen dus geen informatie met elkaar uitwisselen. Het lijkt erop dat de input voor de IMM geselecteerd wordt als gevolg van de predispositie die ervoor zorgt dat het kuiken zich richt op kipachtige objecten in de omgeving. Aangezien een moederkip vaak aanwezig is in de omgeving van kuikens, en de predispositie ervoor zorgt dat het kuiken een sterke voorkeur ontwikkelt voor de moederkip boven andere objecten in de vroege omgeving, wordt de input voor het leersysteem op die manier geselecteerd.

Het onderzoek naar inprenting bij kuikens stelt ons in staat om te onderzoeken hoe aannemelijk de drie perspectieven op de functionele hersenontwikkeling zijn. De onderzoeksbevindingen zijn inconsistent met het vaardigheidsperspectief, omdat de predispositie al zonder training bestaat. De resultaten zijn ook inconsistent met het rijpingsperspectief, omdat de IMM door ervaring lijkt te ontstaan. Het besproken bewijs suggereert dat het ontstaan van een simpel sociaal brein consistent is met het perspectief van interactieve specialisatie, in de zin dat hersenplasticiteit beperkt wordt door een predispositie, de neurale architectuur en de vroege omgeving.

7.4 Hoe ontwikkelt gezichtsherkenning in de hersenen?

Er is veel bewijs dat er bij de herkenning van individuele gezichten bij volwassenen corticale gebieden en paden betrokken zijn. Dit bewijs komt vanuit drie bronnen:

1. Neuropsychologische patiënten met prosopagnosie;
2. Neuroimaging studies naar gezichtsperceptie; en
3. Single- en multicellulaire registratie studies met niet-menselijke primaten.

Prosopagnosie is gezichtsblindheid, het onvermogen om gezichten te herkennen. Het is vaak het gevolg van letsel aan het hersengebied tussen de temporale en occipitale cortex. Volgens sommigen is de stoornis het gevolg van letsel aan alleen de rechterhemisfeer, terwijl anderen suggereren dat er sprake moet zijn van bilateraal letsel. Uit onderzoek dat gebruik maakt van neuroimaging technieken, blijkt dat verschillende gebieden in het sociale brein betrokken zijn bij het coderen of detecteren van gezichtsinformatie. Sommigen stellen dat de FFA een ‘face module’ is. Hiervoor hebben zij de volgende argumenten:

• De FFA wordt meer geactiveerd door gezichten dan door andere objecten.
• De activiteitsverdeling in reactie op gezichten is meer gericht en wordt minder beïnvloed door aandacht dan de activiteitsverdeling in reactie op andere stimuli.

Anderen betwijfelen op basis van de volgende onderzoeksbevindingen dat de FFA een face module is, en suggereren dat de FFA mogelijk een meer algemene rol speelt bij objectverwerking:

• De verdeling van de reactie over de gehele ventrale cortex is meer stimulusspecifiek dan de sterkte van de reactie van een specifiek gebied, zoals de FFA.
• De activering van de FFA neemt toe, naarmate men beter wordt in het maken van onderscheid tussen leden van categorieën zonder gezicht.

Er is bewijs dat de voorkeur voor gezichten van pasgeboren baby’s zijn oorsprong vindt in subcorticale sensomotorische paden. Naar aanleiding hiervan hebben Morton en Johnson een twee-proces theorie van gezichtsvoorkeuren van baby’s voorgesteld, die overeenkomt met de theorie van inprenting bij kuikens. De twee processen zijn:

1. Een systeem dat bereikt wordt via het subcorticale visuomotorische pad en verantwoordelijk is voor de voorkeur voor het volgen van gezichten. De invloed van dit systeem op gedrag neemt tijdens de tweede levensmaand af, mogelijk door inhibitie door ontwikkelende corticale circuits.
2. Een systeem dat afhankelijk is van een bepaalde mate van corticale rijping en van blootstelling aan gezichten in de eerste twee levensmaanden. Dit systeem begint voorkeuren van baby’s rond de tweede of derde levensmaand te controleren.

Het eerste systeem zorgt ervoor dat de input aan het ontwikkelende tweede systeem vooral gekenmerkt wordt door informatie over gezichten. Dit tweede systeem moet eerst een bepaalde hoeveelheid input ontvangen, voordat het controle krijgt over het gedrag van de baby. Als dit punt is bereikt, heeft het tweede systeem zoveel informatie verworven over de structuur van gezichten, dat het door blijft gaan met het verwerven van meer informatie over gezichten. Net zoals bij kuikens, wordt gesuggereerd dat er sprake is van interactie tussen een vroeg ontwikkelend hersensysteem en een omgeving die typisch is voor de soort (omgeving van mensen wordt gekenmerkt door veel gezichten) om de input naar later ontwikkelde hersencircuits te beïnvloeden.

Volgens Johnson en Morton wordt de gezichtsbias (“Conspec”) grotendeels gemedieerd door subcorticale visuomotorische paden. Zij hebben dit om een aantal redenen gesuggereerd:

• De voorkeur van pasgeboren baby’s neemt op af op dezelfde leeftijd als de leeftijd waarop aangenomen wordt dat andere reflexen van pasgeborenen subcorticaal gecontroleerd worden;
• Bewijs voor de rijping van het visuele systeem suggereert een latere ontwikkeling van corticale visuele verwerking; en
• Bewijs uit onderzoek naar andere soorten, zoals kuikens.

De hypothese van Johnson en Morton is enkel indirect onderzocht. Hieruit blijkt het volgende:

• Zelfs baby’s met letsel aan de visuele cortex hebben een voorkeur voor gezichten;
• De voorkeur voor gezichten wordt gevonden in de buitenkant van het gezichtsveld, maar niet in het nasale gezichtsveld; en
• Bij volwassenen is er bewijs voor een subcorticale snelle en grove route voor de verwerking van gezichten. Deze route verwerkt grove informatie over gezichten snel, en moduleert vervolgens de activiteit in de hersengebieden die gedetailleerde informatie over gezichten verwerken. De visuele stimuli die activiteit in de volwassen subcorticale route opwekken, lijkt veel op de visuele stimuli waar pasgeboren baby’s voorkeur voor hebben. Dit suggereert dat deze route de basis is voor gedrag van pasgeboren baby’s.

Terwijl Johnson en Morton suggereerden dat de superior colliculus betrokken is bij de voorkeur voor gezichten, is het ook mogelijk dat de pulvinar hierbij betrokken is. Delen van de pulvinar ontvangen input van de superior colliculus. Daarnaast heeft de pulvinar wederkerige verbindingen met frontale, temporale en pariëtale gebieden en met de anterior cingulate en de amygdala. Elk van de drie perspectieven op de functionele hersenontwikkeling heeft een andere hypothese over de manier waarop gezichtsverwerking ontstaat:

1. Rijpingsperspectief: er ontstaan geleidelijk nieuwe breinmodules, die gerelateerd zijn aan aspecten van het vermogen tot gezichtsverwerking.
2. Vaardigheidsperspectief: de FFA wordt actief, terwijl de perceptuele vaardigheid van gezichtsverwerking wordt verworven.
3. Perspectief van interactieve specialisatie: tijdens de ontwikkeling specialiseren hersengebieden zich voor het verwerken van gezichten.

Er is onderzoek gedaan naar veranderingen in ERPs, waaruit is gebleken dat vooral de ERP component N170 wordt geassocieerd met gezichtsverwerking. De reactie van de N170 is bij volwassenen heel selectief. Zo reageert de N170 anders op gezichten van mensen dan op gezichten van apen. Deze specifieke reactie kan worden beschouwd als index van de mate van specialisatie van corticale verwerking van menselijke gezichten. Ook is er onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van de N170. Hieruit blijkt dat de ERPs een component bevatten, die veel van de eigenschappen heeft van de N170 bij volwassenen. Deze component is vanaf ongeveer 3 maanden na de geboorte aanwezig en wordt met de leeftijd meer aangepast op menselijke gezichten. Dit onderzoek is consistent met het idee dat de corticale verwerking met de leeftijd meer gespecialiseerd wordt. Het lijkt zo te zijn dat na de leeftijd van 4 jaar er geen verdere specialisatie optreedt.

Volgens het perspectief van interactieve specialisatie neemt zowel de specialisatie als lokalisatie van hersenactiviteit in reactie op gezichten tijdens de ontwikkeling toe. Dit in tegenstelling tot het rijpingsperspectief, dat stelt dat de gezichtsverwerking in het brein van kinderen beperkt is tot een aantal van de gebieden die in de volwassenheid door gezichten worden geactiveerd. Onderzoeksbevindingen bieden sterk bewijs voor het perspectief van interactieve specialisatie. Zo blijkt uit onderzoek dat kinderen en volwassenen ongeveer hetzelfde patroon van activiteit vertonen in de hersengebieden die betrokken zijn bij gezichtsverwerking. Bij kinderen worden dezelfde gebieden echter ook geactiveerd door bijvoorbeeld objecten en landschappen.

Ook onderzoek naar mensen met ontwikkelingsprosopagnosie kan inzicht geven in de ontwikkeling van hersengebieden die gespecialiseerd zijn in gezichtsverwerking. Mensen met deze stoornis ontwikkelen nooit het vermogen om gezichten te verwerken. Bij sommigen is sprake van deze stoornis, in de afwezigheid van verworven hersenletsel. Uit onderzoek dat gebruik maakt van fMRI blijkt dat mensen met ontwikkelingsprosopagnosie hersengebieden activeren die gevoelig zijn voor gezichten. Deze activatie lijkt echter een gebrek aan specificiteit te hebben. Daarnaast is gebleken dat prosopagnosisten aanvullende hersengebieden gebruiken bij het waarnemen van gezichten, die niet gezien worden in gezonde volwassenen. Beide componenten van het perspectief van interactieve specialisatie (specialisatie en lokalisatie) passen dus bij de onderzoeksbevindingen met betrekking tot ontwikkelingsprosopagnosie. Als deze verklaring klopt, zouden de symptomen van ontwikkelingsprosopagnosie verminderd kunnen worden door middel van een training om de reactie op gezichten specifiek te maken. Uit onderzoek blijkt dat als gedragsprestaties verbeteren, de selectiviteit van de corticale gezichtsverwerking toeneemt. Ook nemen de verbindingen tussen gebieden toe, die betrokken zijn bij de gezichtsverwerking.

Ander bewijs voor de toenemende specialisatie van gezichtsverwerking tijdens de ontwikkeling, komt uit onderzoek naar het idee dat als de verwerking zich ‘beperkt’ tot menselijke gezichten, baby’s het vermogen verliezen om onderscheid te maken tussen niet-menselijke gezichten. Uit onderzoek blijkt bijvoorbeeld dat baby’s van 6 maanden nog onderscheid kunnen maken tussen individuele gezichten van zowel apen als mensen, terwijl baby’s vanaf 9 maanden enkel nog onderscheid kunnen maken tussen menselijke gezichten.

De besproken onderzoeksbevindingen kunnen moeilijk worden gekoppeld aan het rijpingsperspectief. De toenemende specialisatie en lokalisatie zijn daarentegen wel consistent met het perspectief van interactieve specialisatie. Tot slot is er bewijs dat baby’s in de eerste week na de geboorte in staat zijn hun moeder te identificeren. Dit lijkt tegenstrijdig te zijn aan het idee dat corticale gezichtsverwerking pas vanaf twee levensmaanden ontstaat. Dit vermogen bij pasgeboren baby’s is echter alleen gebaseerd op de algemene vorm van het hoofd en haar, en niet op gezichtskenmerken. Volgens De Schonen en Mancini is dit derde systeem een niet-specifiek visueel leervermogen, dat ook zichtbaar is in onderzoeken met andersoortige visuele patronen.

7.5 Hoe wordt informatie verwerkt die afgelezen wordt uit de ogen van anderen?

Een meer complex kenmerk van het volwassen sociale brein is de verwerking van informatie over de ogen van andere mensen. Hierbij is sprake van twee belangrijke aspecten:

• Het vermogen om de richting van andermans blik te detecteren, zodat je je eigen aandacht op hetzelfde object of dezelfde locatie kan richten. Deze ‘joint attention’ wordt van belang geacht voor een aantal aspecten van de cognitieve en sociale ontwikkeling, waaronder het leren van woorden.
• Het vermogen om een directe blik te detecteren, wat oogcontact mogelijk maakt. Oogcontact wordt van belang geacht voor de sociale ontwikkeling.

Met betrekking tot het sociale brein, is de STS betrokken bij de perceptie en verwerking van de blik van andere mensen. Bij volwassenen zijn de responseigenschappen van dit gebied gespecialiseerd, waardoor het gebied enkel op biologische beweging reageert. ‘Gaze cues’ zijn bij volwassenen in staat tot het opwekken van een automatische en snelle verschuiving van de visuele aandacht. Onderzoek hiernaar baseert zich op varianten van het spatiële cueing paradigma: als een stimulus verschijnt op dezelfde locatie als waar de cue werd gepresenteerd (congruente positie), kijkt een volwassene sneller naar de stimulus dan naar een stimulus die op een andere locatie verschijnt dan de daarvoor getoonde cue (incongruente positie). Baby’s beginnen ongeveer vanaf de derde maand na de geboorte de blik van volwassenen te volgen. Gaze cueing bij baby's heeft twee belangrijke vereisten, namelijk (1) er is sprake van zijwaartse beweging en (2) er is eerst kort oogcontact met een rechtop gezicht.

De hersenstructuren die betrokken zijn bij de verwerking van de blik van andere mensen, overlappen deels met de hersenstructuren die betrokken zijn bij de perceptie van beweging en de perceptie van gezichten. Vooral het ‘ooggebied’ van de STS lijkt belangrijk te zijn. De bevinding dat baby’s hetzelfde reageren op een bewegende blik als op de beweging van iets anders, biedt enig bewijs dat de STS bij baby’s nog niet zo aangepast is als bij volwassenen. Naar aanleiding van de bevinding dat een cue enkel effect heeft na een periode van oogcontact, is er onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van oogcontact detectie. Hierbij werden twee stimuli aan pasgeboren baby’s getoond: een gezicht waarvan de blik op de baby is gericht, en een gezicht waarvan de blik ergens anders op is gericht. Hieruit blijkt dat baby’s langer naar het gezicht kijken waarvan de ogen op de baby gericht zijn.

In een tweede experiment werd geprobeerd bewijs te vinden voor de differentiële verwerking van direct oogcontact bij baby’s. Hierbij werden dezelfde twee stimuli aan baby’s van 4 maanden getoond en werden ERPs onderzocht. Hieruit werd geconcludeerd dat direct oogcontact de perceptuele verwerking van gezichten bij 4 maanden oude baby’s versterkt. Deze conclusie wordt bevestigd door experimenten waaruit blijkt dat er in reactie op oogcontact sprake is van gammagolven. Het bewijs met betrekking tot de ontwikkeling en neurale basis van de verwerking van informatie over de ogen van andere mensen, is consistent met het perspectief van interactieve specialisatie. De neurale basis van de gezichtsvoorkeur bij pasgeboren baby’s kan er ook voor zorgen dat baby’s zich sneller richten op gezichten waarvan de blik op de baby is gericht. Deze bias zorgt voor veel input van menselijk gezichten met een directe blik op de baby. Deze input biedt een basis voor het ontwikkelende sociale brein. Een recente studie heeft in twijfel getrokken of pasgeborenen een voorkeur hebben voor menselijke ogen. De resultaten betwisten niet het feit dat er voorkeur is voor een directe blik, maar wijzen wel uit dat er geen voorkeur is voor een menselijke directe blik.

Volgens het perspectief van interactieve specialisatie wordt een netwerk als geheel gespecialiseerd voor een bepaalde functie. Johnson stelt dat de STS zich ontwikkelt in een context van interacterende gebieden, die betrokken zijn bij gezichtsverwerking of bij de detectie van beweging. Mogelijk is de STS een gebied dat bewegingsinformatie integreert met de verwerking van gezichten. Terwijl de STS bij baby’s wel actief is, is dit gebied bij hen mogelijk nog niet in staat tot zulke integratie. Terwijl de 4 maanden oude baby beschikt over een het vermogen tot gezichtsverwerking en bewegingsperceptie, kan het deze twee aspecten van perceptie nog niet integreren in een perceptie van oogcontact.

7.6 Hoe begrijpen en voorspellen we het gedrag van anderen?

Andere complexe aspecten van het sociale brein, zijn de coherente perceptie van handelingen van mensen en de attributie van intenties en doelen aan andere mensen. Bij volwassenen is de STS niet alleen gevoelig voor de ogen, maar reageert het ook op bewegende biologische stimuli. Uit onderzoek blijkt dat de STS vanaf het midden van de kindertijd geactiveerd kan worden door dynamische sociale stimuli. Consistent met het perspectief van interactieve specialisatie, worden de responseigenschappen van de STS tijdens de ontwikkeling in toenemende mate specifiek voor biologische beweging. Deze specialisatie kan afwezig of vertraagd zijn bij baby's die risico lopen op autisme op latere leeftijd. Bij volwassenen zijn ook frontale gebieden actief in reactie op sociale stimuli, voornamelijk onder condities van joint attention. Bij baby's lijken frontale gebieden ook al actief te zijn in deze context.

De perceptie van andermans handelingen leidt tot subdrempel motorische activiteit bij de volwassene die deze handelingen observeert. Dit wordt toegeschreven aan een systeem van spiegelneuronen. Dit systeem is betrokken bij zowel het genereren van een motorische handeling als bij het verwerken van de visuele input, als je iemand een handeling ziet verrichten. De functie van de activering van het motorische systeem tijdens het observeren van handelingen, kan worden onderzocht door het ontstaan van dit systeem te bestuderen.

Uit onderzoek blijkt dat ook baby’s subdrempel motorische activiteit vertonen, als ze handelingen observeren. Deze activiteit komt overeen met het neurale signaal dat plaatsvindt als baby’s deze handelingen zelf uitvoeren. Als baby’s een handeling herhaaldelijk uitgevoerd zien worden, beginnen ze op deze handeling te anticiperen. Het motorische systeem wordt dan al geactiveerd voordat de handeling daadwerkelijk geobserveerd wordt. Deze bevinding is consistent met eerder bewijs dat volwassenen hun motorische systeem activeren, als ze kunnen voorspellen dat iemand een handeling uit zal voeren. Het ontwikkelende kind moet neurale en cognitieve mechanismen ontwikkelen voor het begrijpen van de intenties, doelen en wensen van andere mensen. Dit vermogen wordt ook wel ‘mentalizing’ of ‘theory of mind’ genoemd. Uit onderzoek blijkt dat kinderen de mediale prefrontale cortex tijdens mentalizing meer activeren dan volwassenen. De activering van dit gebied neemt echter tijdens de ontwikkeling af, terwijl activiteit in de (taakafhankelijke) posterieure (temporale) hersengebieden soms toeneemt.

Deze ontwikkelingspatronen zijn consistent met het perspectief van interactieve specialisatie, omdat de activiteit van de prefrontale cortex over de tijd heen verandert van verspreid (diffuus) naar meer lokaal. Een tweede algemene trend is dat de functionele betrokkenheid van de posterieure (temporale) cortex zich trager ontwikkelt dan de functionele betrokkenheid van de frontale cortex. Er zijn ook onderzoeksbevindingen die consistent zijn met het vaardigheidsperspectief. Zo leidt een leerperiode in een ‘visuele vorm onderscheidtaak’ tot een toenemende activiteit in de posterieure visuele cortex en een afnemende activiteit in de frontale en pariëtale cortex. Deze veranderingen in hersenactiviteit als gevolg van leren, kunnen worden geïnterpreteerd als verminderde executieve controle en toenemende automatisering. Ook bieden ze een gedeeltelijke verklaring voor de activiteitspatronen in het ontwikkelende sociale brein. Het leren van vaardigheden kan echter geen volledige verklaring bieden voor effecten van de leeftijd op hoe een vaardigheid verworven wordt en welke corticale mechanismen daarbij gebruikt worden. Er moet nog onderzoek worden gedaan naar de manier waarop de diffuse activiteit bij kinderen afneemt tot lokale activiteit. Mogelijk hebben delen van de mediale prefrontale cortex in de kindertijd nog geen goed gedefinieerde functie, maar specialiseren ze zich later in de ontwikkeling.

7.7 Hoe ziet het atypische sociale brein eruit?

Een andere manier om onderzoek te doen naar de ontwikkeling van het sociale brein, is het bestuderen van mensen met ontwikkelingsstoornissen. Hoewel ontwikkelingsproblemen kunnen leiden tot vrij specifieke profielen van cognitieve tekorten, kan het corresponderende structurele hersenletsel diffuus zijn of verschillen tussen individuen.

Onderzoek heeft aangetoond dat verschillende hersengebieden en –structuren met autisme geassocieerd kunnen worden. Zo worden beperkingen in het cerebellum gerelateerd aan deze ontwikkelingsstoornis. Ook zijn de ventrikels bij autistische mensen groter, dit komt echter ook bijvoorbeeld bij schizofrenie voor. Tot slot wordt autisme ook geassocieerd met de frontale cortex. Mogelijk zijn afwijkingen in dit gebied verantwoordelijk voor sommige cognitieve tekorten bij mensen met autisme, maar dit betekent niet dat mensen met autisme gelijkgesteld kunnen worden aan mensen met verworven letsel aan de prefrontale cortex. Het is moeilijk te bepalen of afwijkingen in hersenstructuren en -gebieden de oorzaak of het gevolg van de ontwikkelingsstoornis zijn. Het is waarschijnlijk dat structuren en gebieden die zich als laatst ontwikkelen, beïnvloed worden door eerdere afwijkingen van de normale ontwikkeling. Bij autisme kunnen de afwijkingen in de cortex, hippocampus en het cerebellum bijvoorbeeld gevolgen zijn van een tekort in de thalamus.

Veel sociale processen in de vroege kindertijd lijken bij autistische kinderen intact te zijn. Ze vertonen echter vaak tekorten in de theory of mind. Sommigen beweren dat een gebrek aan theory of mind het gevolg is van tekorten in voorlopers van sociaal-cognitieve vaardigheden, zoals het vermogen tot imitatie of de perceptie van emoties.

Om de eerste voorlopers van autisme te identificeren, is onderzoek gedaan naar baby’s met een hoger risico om op latere leeftijd met autisme gediagnosticeerd te worden. Deze baby’s hebben een oudere broer of zus met autisme. Het blijkt dat de eerste tekenen van afwijkende sociale interactievaardigheden tussen de 12 en 18 maanden zichtbaar worden. Er is niet per se een tekort in aandacht voor gezichten, maar meer een algemene moeite met het losmaken van de aandacht.

De meest gangbare kijk is momenteel dat het patroon van cognitieve tekorten consistent is met letsel aan de frontale cortex. Ook wordt geredeneerd dat de tekorten in theory of mind ten grondslag liggen aan tekorten in het cerebellum.

In tegenstelling tot het specifieke sociale tekort bij autisme, hebben mensen met het William’s syndroom (WS) goede sociale vaardigheden. Naar aanleiding hiervan werd de hypothese opgesteld dat de sociale module intact is bij WS, terwijl dit specifiek beschadigd is bij autisme. Uit onderzoek blijkt dat zowel theory of mind als aspecten van gezichtsverwerking en taal bij mensen met WS intact zijn, terwijl ongeveer 80% van de mensen met autisme de theory of mind taak niet goed op kan lossen. Daarom is de verleiding groot om te beweren dat het neurocognitieve profiel van mensen met WS tegenovergesteld is aan het neurocognitieve profiel van mensen met autisme.

Er is echter bewijs dat dit perspectief van een beschadigde of intacte module tegenspreekt. Bij mensen met het syndroom van Down kan een tekort in de gezichtsverwerking bijvoorbeeld gepaard gaan met een relatief goede prestatie op theory of mind taken. Dit spreekt het idee van een aangeboren sociale module in het brein tegen. Een alternatieve visie is dat een bepaalde mate van modularisering het gevolg is van de postnatale ontwikkeling, en geen voorloper ervan. Bepaalde biases bij pasgeboren baby’s, zoals een voorkeur voor gezichten, zorgen ervoor dat corticale circuits worden blootgesteld aan sociaal relevante stimuli. Door langdurige blootstelling aan deze stimuli, passen deze plastische corticale circuits zich aan voor de verwerking van deze input. Dit leidt uiteindelijk tot een zogenaamde sociale module. Deze visie is consistent met het perspectief van interactieve specialisatie.

Als dit idee over de ontwikkeling van het sociale brein klopt, betekent dit dat vroege sensorische of sociale deprivatie gevolgen op de lange termijn kan hebben. Zo blijkt visuele deprivatie in de eerste levensmaanden lange termijn effecten op gezichtsverwerking te hebben. In gevallen van unilaterale deprivatie zijn de effecten op gezichtsverwerking groter als er sprake is van staar aan het linkeroog. Dit spreekt het vaardigheidsperspectief tegen en suggereert dat de rechterhemisfeer een belangrijke rol speelt bij gezichtsverwerking. Onderzoek naar de effecten van sociale deprivatie is onder andere uitgevoerd onder kinderen, die opgegroeid zijn in weeshuizen. Deze kinderen kunnen sociale, cognitieve en sensomotorische problemen ontwikkelen.

7.8 Hoe kunnen we dit alles samenvatten?

Bewijs vanuit de neurologische ontwikkeling van gezichtsverwerking is inconsistent met het rijpingsperspectief. De lange termijn effecten van vroege deprivatie en biases bij baby's zijn ook niet passend bij het vaardigheidsperspectief. Complexe representaties in de hersenen voor verwerking van informatie over mensen, hun gedachten en hun mogelijke acties zijn het resultaat van een combinatie van factoren: biases om aandacht te richten op sociaal relevante stimuli, de aanwezigheid van andere mensen die interactie met het kind zoeken en de basale architectuur van het brein met zijn biases en connectiepatronen. Een uitdaging voor dit perspectief van interactieve specialisatie is het bedenken van hypotheses over de consequenties van dat het sociale netwerk in het begin gemixt is met andere corticale netwerken.

TentamenTicket

• Het sociale brein omvat de superieure temporale sulcus (STS), de orbitofrontale cortex en de fusiforme face area (FFA). De eerste twee kan je onthouden doordat de beginletters daarvan de eerste twee letters van sociale brein zijn (STS en orbitofrontale cortex). Als je deze twee eerste van het rijtje dan weet kun je de laatste onthouden door hier STOF van te maken (STS, orbitofrontale cortex, FFA).

Wat is bekend omtrent het geheugen? - Chapter 8

Wat op dit moment bekend is over de cognitieve en neurale basis van het geheugen, is vooral afkomstig uit onderzoek naar HM. HM had ernstig geheugenverlies als gevolg van het verwijderen van een groot deel van beide temporale kwabben. Na de operatie was HM niet in staat nieuwe lange termijn herinneringen te vormen. Wel kon hij zich dingen herinneren vóór de operatie en was hij in staat om onder bepaalde omstandigheden lange termijn herinneringen te vormen, zoals bij het leren van motorische vaardigheden. Dit geval illustreerde dat het geheugen geen eenzijdige functie is en dat verschillende soorten geheugen hun oorsprong vinden in verschillende hersengebieden.

Het geval van HM benadrukt het verschil tussen twee soorten herinneringen:

• Expliciete (declaratieve, cognitieve) herinneringen: herinneringen die bewust kunnen worden opgeroepen.
• Impliciete (non-declaratieve, procedurele, niet-cognitieve) herinneringen: herinneringen die zich uiten in perceptuele of motorische vaardigheden.

Uit onderzoek blijkt dat er verder onderscheid gemaakt kan worden binnen het expliciete en impliciete geheugen. Het expliciete geheugen omvat semantische herinneringen voor feiten, die niet worden geassocieerd met een bepaalde context en episodische herinneringen voor gebeurtenissen die worden geassocieerd met de ruimtelijk-temporele context waarin ze ervaren zijn. Bij HM was alleen het expliciete geheugen beschadigd. Dit type geheugen is afhankelijk van de mediale temporale kwabben. Binnen dit systeem is de hippocampus waarschijnlijk vooral betrokken bij het episodische geheugen.
Het impliciete geheugen omvat vele verschillende vaardigheden, die gemedieerd worden door verschillende hersengebieden.

Onderzoek naar de neurale basis van verschillende leer- en geheugensystemen is gebruikt om taken te ontwikkelen en om theorieën te ontwikkelen over de neurale basis van de geheugenontwikkeling. Deze cognitieve neurowetenschappelijke ontwikkelingsbenadering van het geheugen wordt echter door een aantal problemen gekenmerkt:

• Prestatieverbeteringen op een geheugentaak kunnen het gevolg zijn van het ontstaan van functie in hersensystemen die niet aan het geheugen gerelateerd zijn. Verbeteringen in motorische vaardigheden maken bijvoorbeeld een betere uitdrukking van de inhoud van het geheugen mogelijk, terwijl het geheugen zelf niet is veranderd.
• Er zijn meerdere hersensystemen die meerdere soorten geheugen ondersteunen.
• Bij sommige vormen van het expliciete geheugen is er bij volwassenen sprake van een bewustzijn van informatie. Dit is moeilijk te onderzoeken bij kinderen die nog niet kunnen praten.

8.1 Hoe is het expliciete geheugen ontwikkeld?

Volgens Schacter en Moscovitch zijn de hersenmechanismen die nodig zijn voor de lange termijn opslag van informatie en zich waarschijnlijk in de mediale temporale kwab bevinden, de eerste twee levensjaren waarschijnlijk nog niet functioneel. Bachevalier en Mishkin wezen op de overeenkomsten tussen het geheugen van volwassenen met letsel aan het mediale temporale systeem (waarbij sprake is van tekorten in het expliciete geheugen) en het geheugen van baby’s. Naar aanleiding hiervan wordt de hypothese opgesteld, dat baby’s aanvankelijk steunen op het impliciete geheugen en dat het expliciete geheugen later tevoorschijn komt. Uit onderzoek blijkt dat apen op jongere leeftijd beter taken volbrengen die een beroep doen op het impliciete geheugen dan taken die een beroep doen op het expliciete geheugen. Volgens Bachevalier en Mishkin wordt dit verklaard door de langere postnatale ontwikkeling van de mediale temporale kwabben. Deze verklaring kan mogelijk ook op menselijke baby’s worden toegepast, omdat ook zij op jongere leeftijd de taken volbrengen die een beroep doen op het impliciete geheugen.

Andere onderzoeksbevindingen suggereren dat mediale temporale structuren zelfs al 15 tot 30 dagen na de geboorte significant bijdragen aan het visuele herkenningsgeheugen. Dit suggereert bovendien dat andere factoren dan onrijpheid van de mediale temporale kwabben leiden tot de meer langdurige ontwikkeling van het expliciete geheugen. Een voorbeeld hiervan is een tragere ontwikkeling van het vermogen om objecten aan beloningen te koppelen. Ook menselijke baby’s tonen bewijs van een vertraagd herkenningsgeheugen bij vergelijkingstaken: baby’s van 3 tot 4 dagen oud kijken langer naar een nieuw gezicht dan naar een bekend gezicht. Dit suggereert dat de mediale temporale kwabben ook bij menselijke baby’s bij de geboorte in bepaalde mate functioneren. Om deze uitkomsten te verklaren, stelde Nelson een ander rijpingsperspectief voor de vroege ontwikkeling van het geheugen voor. Vanuit dit perspectief is een onrijpe vorm van het expliciete geheugen al bij de geboorte aanwezig. Dit pre-expliciete geheugen is grotendeels afhankelijk van de hippocampus. Rond 8 tot 10 maanden na de geboorte leiden veranderingen in het brein tot een meer rijpe vorm van expliciet geheugen.

De uitgestelde imitatietaak biedt bewijs voor een aanzienlijke verbetering in het geheugen rond 8-10 maanden na de geboorte. Ongeveer de helft van de baby’s van 9 maanden oud kunnen deze taak uitvoeren, maar de informatie wordt niet lang behouden, terwijl er rond 10 maanden na de geboorte sprake is van een aanzienlijke verbetering in taakprestatie. Deze plotselinge verbetering in het geheugen wordt toegeschreven aan de rijping die tijdens deze periode in de mediale temporale kwabben plaatsvindt. Er zijn echter ook tegenstanders van dit perspectief. Zo stelt Rovee-Collier dat het geheugen van baby’s eenzijdig is en niet bestaat uit meerdere systemen, die zich in verschillend tempo ontwikkelen. Daarnaast stelt hij dat de ontwikkeling van het geheugen een continu proces is, zonder overgang rond 9 tot 10 maanden na de geboorte. Zo blijkt uit onderzoek dat er tijdens de eerste 1,5 jaar na de geboorte sprake is van een lineaire toename in hoe lang informatie wordt vastgehouden. Volgens dit onderzoek is er geen indicatie voor een plotselinge verbetering rond 9 tot 10 maanden na de geboorte. Voorstanders van het multisysteem perspectief wijzen dit bewijs echter af, door te stellen dat de gebruikte taak een beroep doet op een motorische vaardigheid en daarmee ook op het impliciete geheugen, dat afhankelijk is van het cerebellum en subcorticale structuren. Vanuit dit perspectief is de onderzoeksbevinding dat de taakprestatie zich continu ontwikkelt niet opmerkelijk en doet het niet af aan het multisysteem perspectief, omdat dit perspectief verwacht dat het impliciete geheugen zich vroeg en geleidelijk ontwikkelt.

Het expliciete geheugen, en vooral het episodische geheugen, blijft zich tot na de vroege kindertijd ontwikkelen, wat toegeschreven wordt aan de langdurige ontwikkeling van de mediale temporale kwabben en de verbindingen hiervan met de frontale kwabben. Het episodische geheugen associeert gebeurtenissen met de context waarin ze ervaren zijn. Dit type geheugen kan worden bestudeerd door te onderzoeken hoe goed mensen zich details over de bron van hun herinneringen kunnen herinneren. Tussen 4- en 6-jarige leeftijd vindt er een abrupte verbetering plaats in het vermogen om de bron van herinneringen te onthouden. Deze verbetering is waarschijnlijk gerelateerd aan ontwikkelingen in de frontale cortex en de verbindingen tussen de frontale cortex en de mediale temporale kwabben.

Ook de hippocampus is van belang voor de ontwikkeling van het episodische geheugen. Dit is aangetoond door patiënten met bilateraal letsel aan de hippocampus. Zij hebben een selectieve beschadiging in het episodische geheugen, maar hebben een intact semantisch geheugen en werkgeheugen. Volgens het rijpingsperspectief wordt deze onderzoeksbevinding verklaard, doordat de hippocampus het episodische geheugen normaal gesproken medieert. Een alternatieve verklaring is echter dat de geheugenproblemen het resultaat zijn van de reorganisatie van geheugensystemen in het brein. Uit onderzoek blijkt dat connecties van de temporale kwabben bij baby’s minder gelokaliseerd zijn dan bij volwassenen en met de leeftijd meer verfijnd worden. Vanuit het perspectief van interactieve specialisatie kan het verlies van de hippocampus ervoor zorgen dat extra connecties van de temporale kwabben behouden worden. Als gevolg hiervan blijven de geheugensystemen in het brein minder gespecialiseerd dan normaal.

8.2 Hoe is het impliciete geheugen ontwikkeld?

Er is meer consensus over de ontwikkeling van het impliciete geheugen, dat volgens de meesten al binnen de eerste maanden na de geboorte aanwezig is en rond 3-jarige leeftijd grotendeels ontwikkeld is. Onderzoek heeft aangetoond dat het impliciete geheugen zich eerder ontwikkelt dan het expliciete geheugen. Bij één van de taken verschijnt er een object op een scherm. De deelnemer moet op de knop drukken, die correspondeert met de locatie van het object. In de locaties zit een bepaald patroon, dat zich telkens herhaalt. Tijdens het uitvoeren van de taak weten participanten onbewust steeds sneller op welke knop ze moeten drukken, terwijl ze zich er niet expliciet bewust van zijn dat er sprake is van een patroon. De veranderingen in reactietijd zijn op 4- tot 6-jarige leeftijd zichtbaar. Naarmate kinderen ouder worden, neemt het vermogen toe om expliciet aan te geven wat het patroon is.

Onderzoek dat gebruik maakt van een neuroimaging techniek suggereert dat de neurale basis van het impliciete geheugen met de leeftijd verandert. Bij 7- tot 11-jarige kinderen en volwassenen zijn dezelfde corticale en subcorticale structuren actief bij het uitvoeren van een impliciete geheugentaak. Kinderen vertonen echter meer subcorticale activiteit, terwijl er bij volwassenen sprake is van meer corticale activiteit. Er zijn niet veel taken ontwikkeld voor kinderen die lijken op taken die gebruikt worden bij bijvoorbeeld dieren om impliciet geheugen te onderzoeken. Eén uitzondering is de taak waarbij lucht in het oog van een baby wordt gespoten, waardoor de baby met de ogen gaat knipperen. Door middel van conditionering wordt de luchtpuf gekoppeld aan een ongerelateerde sensorische stimulus, zoals een bepaald geluid. Onderzoek onder dieren wijst op het belang van het cerebellum voor dit type impliciet geheugen. Uit het onderzoek blijkt dat menselijke baby’s tussen 10 en 30 dagen na de geboorte al bij het horen van het geluid met de ogen knipperen (geconditioneerde reactie). Mogelijk kan dit worden toegeschreven aan de vroege ontwikkeling van het cerebellum.

8.3 Hoe kunnen we dit alles samenvatten?

Er is enige mate van expliciet geheugen bij baby's, maar dit ontwikkelt zich nog. Types van impliciet geheugen, afhankelijk van subcorticale structuren zoals het cerebellum en de basale ganglia, zijn al bij de geboorte aanwezig of kort daarna. Rijping van de mediale temporale kwabben en hun connecties met de frontaalkwab zijn belangrijk bij de ontwikkeling van het geheugen. Bij de meeste geheugentaken zijn waarschijnlijk meerdere geheugensystemen betrokken. Een gebrek aan rijpheid in het ene systeem kan worden gemaskeerd door compenserende activiteit in een ander systeem. Mogelijk verandert tijdens de postnatale ontwikkeling vooral de mate van integratie tussen verschillende geheugensystemen. Naar deze mogelijkheid moet meer onderzoek worden gedaan.

TentamenTicket

• Gedachte-experiment wat het makkelijker maakt om te onthouden dat het impliciete geheugen al (vrijwel) direct vanaf de geboorte aanwezig is en het expliciete geheugen zich pas later ontwikkelt: vanuit evolutionair oogpunt is het logisch dat het impliciete geheugen al direct aanwezig is na de geboorte, want het is belangrijker voor de overleving dat een baby bepaalde vaardigheden aanleert, zoals lopen (impliciet geheugen), dan dat het al direct dingen bewust kan onthouden of kan praten (expliciet geheugen).

Welk gedeelte van het brein speelt een rol bij taal? - Chapter 9

9.1 Welke aspecten heeft taal?

Taal is een systeem voor het communiceren met andere mensen door het gebruik van geluiden, symbolen en woorden om een mening, idee of gedachte uit te drukken. Taalfuncties worden geassocieerd met een netwerk van hersengebieden. Taal omvat zowel primaire functies, zoals de perceptie en verwerking van inkomende spraak en de output van spraak, als secundaire functies, zoals lezen en schrijven. De primaire taalfuncties ontstaan tijdens de ontwikkeling zonder veel moeite, terwijl er veel geoefend moet worden voor de beheersing van secundaire taalfuncties. Met betrekking tot de primaire taalfuncties moet het volgende onderscheid worden gemaakt:

• Spraakperceptie: het maken van onderscheid tussen geluidspatronen van een inkomende spraakstroom.
• Taalverwerking: vaardigheden voor het begrijpen van de betekenis van woorden en voor het toepassen van grammaticale regels.

Volgens de meesten bieden de vroege spraakperceptie vaardigheden de basis voor de latere vaardigheden voor taalverwerking. Een vraag die nog onbeantwoord is, betreft de mate waarin taal ‘biologisch speciaal’ is. Dit verwijst naar de mate waarin het menselijke kind aanleg heeft om taal te leren. Heeft een bepaald hersengebied aangeboren representaties voor taal? Er zijn twee benaderingen van deze vraag. De eerste benadering onderzoekt of bepaalde hersengebieden van belang zijn voor de verwerking of verwerving van taal. Als dit het geval is, nemen sommigen aan dat deze gebieden aangeboren taalspecifieke representaties bevatten. Als er daarentegen meerdere hersengebieden betrokken zijn bij de verwerving van taal, suggereert dit dat de representaties ontstaan door een combinatie van taalinput en de basale corticale architectuur. De tweede benadering probeert de neurale basis van taalverwerking te identificeren.

9.2 Welke gebieden van de cortex zijn betrokken bij taalverwerving?

Er kan op twee manieren onderzoek worden gedaan naar de vraag in welke mate bepaalde hersengebieden een unieke rol spelen bij taalfuncties. Allereerst kan er onderzoek worden gedaan naar de mate waarin taalfuncties worden ondersteund door andere hersengebieden dan de taalgebieden. Dit wordt gedaan door te onderzoeken of kinderen met perinataal letsel aan de taalgebieden taal kunnen verwerven. Als bepaalde corticale gebieden van belang zijn voor taalfuncties, kan aangenomen worden dat letsel aan deze gebieden de taalverwerving beperkt. Hiervoor is echter geen consistent bewijs. Volgens Lenneberg heeft gelokaliseerd letsel aan de linker hemisfeer vroeg in het leven weinig of geen effect op de verwerving van taal, terwijl dit niet geldt voor gelijksoortig letsel bij oudere kinderen en volwassenen. Vanaf 1970 kwam er echter bewijs dat het verwijderen van de linker hemisfeer altijd leidt tot selectieve subtiele tekorten in taalfuncties, met name voor syntactische en fonologische taken. Sommigen hebben naar aanleiding hiervan geconcludeerd dat er al bij de geboorte functionele ongelijkheden bestaan in het brein, die niet teruggedraaid kunnen worden. Wel moet worden opgemerkt dat de meeste kinderen met letsel aan de linker hemisfeer over veel betere taalfuncties beschikken dan volwassenen met gelijksoortig hersenletsel.

Er is ook enig prospectief onderzoek gedaan. Hieruit blijkt dat alle kinderen met hersenletsel, ongeacht de specifieke locatie van het letsel, een vertraagde ontwikkeling volgen. Daarnaast blijkt dat tekorten in het begrijpen van taal vaker voorkomen bij kinderen met letsel aan de rechter hemisfeer dan bij kinderen met letsel aan de linker hemisfeer. Dit suggereert dat de gebieden die bij jonge kinderen verantwoordelijk zijn voor het leren van taal, niet noodzakelijk de gebieden zijn die verantwoordelijk zijn voor taalgebruik en –behoud bij volwassenen. Ook uit ander onderzoek blijkt dat er geen significante verschillen in taalfuncties bestaan tussen kinderen met letsel aan de linker en rechterhemisfeer. Wel presteren de kinderen met hersenletsel slechter dan normaal ontwikkelende kinderen. Elke beschadigde functie ontwikkelt zich uiteindelijk goed, maar bij elk ontwikkelingsniveau van taalverwerving is er sprake van verschillen tussen kinderen met en zonder hersenletsel. Functioneel herstel lijkt dus op verschillende momenten in de ontwikkeling plaats te vinden.

Er is ook onderzoek gedaan naar welke hersengebieden de taalfuncties overnemen, als er sprake is van letsel aan de taalgebieden. Hieruit blijkt dat de taalfuncties overgenomen kunnen worden door het weefsel rond Broca’s gebied, of door gebieden in de rechter hemisfeer, die in de linker hemisfeer de taalgebieden vormen. Een recente studie heeft laten zien dat het planum temporale, een deel van Wernicke's gebied, een mogelijke rol speelt in de reorganisatie bij letsel. Dit gebied is groter in de linker- dan in de rechterkant van de hersenen. Als het gebied groter is in de rechterhersenhelft, is dit gerelateerd aan rechter of bilaterale dominantie van taal, wat kan functioneren als 'reservecapaciteit' voor patiënten met schade in taalgebieden in de linker hemisfeer. Een andere factor die betrokken is bij de reorganisatie bij letsel in taalgebieden, is connecties tussen hemisferen. De zenuwbanen die de temporale kwabben verbinden waren in het posterieure corpus callosum verminderd in volume samen met een vermindering in volume van de anterieure commissure bij prematuur geboren patiënten met taalproblemen.

Activiteit in de hersenen is meer verspreid bij patiënten in vergelijking met gezonde controles. Dat de taalverwerking na het ontstaan van hersenletsel minder lokaal gerepresenteerd is in het brein, is consistent met het perspectief van interactieve specialisatie. Volgens dit perspectief wordt de uiteindelijke neurale basis van taal bepaald door interacties tussen hersengebieden tijdens de ontwikkeling. De vraag in welke mate bepaalde hersengebieden een unieke rol spelen bij taalfuncties, kan ook worden onderzocht door te bestuderen of ook andere functies door de taalgebieden worden ondersteund. Zo blijkt uit onderzoek onder congenitaal doven dat een gebrek aan auditieve input ertoe leidt, dat een normaal gesproken auditief gebied in ieder geval deels betrokken is bij visuele functies. Dit duidt erop dat gebieden van de cortex geen unieke rol spelen bij taalverwerking, en dat ook andere functies ondersteund worden door de taalgebieden. Het is echter mogelijk dat kleine variaties in de basale architectuur van de cortex voldoende zijn om ervoor te zorgen dat bepaalde gebieden vooral een rol spelen bij taalverwerking. Bewijs voor dit idee is afkomstig uit onderzoek naar doven die gebarentaal spreken en hersenletsel hebben. Hieruit blijkt dat volwassen doven met letsel aan de linker hemisfeer niet meer in staat zijn tot het produceren van gebarentaal. Dit suggereert dat de corticale lokalisering vooral wordt bepaald door de benodigde ‘berekeningen’ voor taalverwerking, en niet door de modaliteit.

9.3 Wat is de neurale basis voor spraakverwerking bij baby’s?

De tweede benadering voor het onderzoeken van de mate waarin taal ‘biologisch speciaal’ is, is het identificeren van de neurale basis van taalverwerking. Onderzoek heeft aangetoond dat jonge menselijke baby’s onderscheid kunnen maken tussen vele fonetische constructen, inclusief de fonetische constructen die niet gevonden worden in de moedertaal. Dit vermogen wordt rond 10 maanden na de geboorte beperkt tot de fonetische constructen van de moedertaal. Uit onderzoek dat gebruik maakt van high-density ERPs (HD-ERP) blijkt dat een posterieur gebied in de temporale kwab gevoelig is voor fonetische informatie.

Er is ook onderzoek gedaan dat gebruik heeft gemaakt van de neuroimaging techniek fMRI. Hierbij luisterden baby’s van 3 maanden oud naar voorwaartse en achterwaartse spraak in hun moedertaal. Zowel voorwaartse als achterwaartse spraak leidt tot activiteit in grote delen van de linker temporale kwab. Uit het fMRI onderzoek blijkt echter dat er bij voorwaartse spraak sprake is van activiteit in meer gebieden in de linker hemisfeer dan bij achterwaartse spraak. Deze bevindingen suggereren een vroege functionele asymmetrie tussen de twee hemisferen. Ook gebruik van NIRS in onderzoeken bevestigt de conclusies uit de eerdere onderzoeken.

9.4 Wat is de invloed van ervaring op taalverwerking in de hersenen?

Taalinput kan een rol spelen bij het vormen van het neurale netwerk voor taal. Kinderen groeien op in een omgeving waarin ze een specifieke taal horen en ontwikkelen een expertise voor die taal. Het soort taal baby’s in hun omgeving horen, heeft invloed op de manier waarop baby’s spraakgeluiden waarnemen. Vroege onderscheidende vermogens zijn gerelateerd aan latere taalvaardigheden. Zo blijkt uit een ERP onderzoek dat baby’s die 7,5 maanden na de geboorte een grotere ERP vertonen in reactie op spraakgeluiden uit een andere taal dan de moedertaal op 1,5- tot 2-jarige leeftijd meer woorden produceren, een snellere toename vertonen in hun woordenschat en meer complexe zinnen produceren dan baby’s zonder deze ERP reactie. Deze ERP meting van spraakverwerking vroeg in het leven is mogelijk nuttig bij het identificeren van baby’s met een risico op de ontwikkeling van een taalstoornis. Ook bij het leren van woorden is input vanuit de omgeving betrokken. Rond 18 tot 20 maanden na de geboorte vertonen baby’s een snelle toename in de productie van woorden. Volgens sommigen is deze plotselinge toename gerelateerd aan veranderingen in de organisatie van taalgebieden in het brein.

Al met al kan geconcludeerd worden dat taalinput van gesproken woorden een belangrijke invloed op de neurale basis van taalfuncties heeft. De onderzoeksbevindingen zijn consistent met het perspectief van interactieve specialisatie, dat stelt dat de hersenactiviteit die ten grondslag ligt aan taalfuncties door ervaring meer lokaal wordt en taalvaardigheden worden meer efficiënt en geautomatiseerd.

9.5 Hoe ziet typische en atypische taalverwerving eruit?

Bates en collega’s suggereren dat bepaalde verschillen tussen de linker en rechter hemisfeer ervoor zorgen dat de linker hemisfeer een bias voor taal ontwikkelt. Zij hebben aangetoond dat er rond 8 tot 9 maanden na de geboorte een overgang plaatsvindt in zowel de gedragsmatige als de neurale ontwikkeling. Volgens hen maken de neurale ontwikkelingen rond deze leeftijd een aantal taalgerelateerde vaardigheden mogelijk, zoals woordbegrip. Daarnaast zorgen deze ontwikkelingen voor inhibitie van spraakcontrasten anders dan in de moedertaal. Rond 16 tot 24 maanden na de geboorte is er sprake van een toename in woordenschat en grammatica, wat samenhangt met een toename in synaptische dichtheid in veel relevante corticale gebieden. Deze toenemende synaptische dichtheid zorgt voor een grotere capaciteit voor de opslag en verwerking van informatie. Tot slot hebben de meeste kinderen rond 4-jarige leeftijd de basale morfologische en syntactische structuren van hun moedertaal verworven. Deze stabilisering van taal gaat gepaard met de afname in het algehele hersenmetabolisme en synaptische dichtheid.

Ook ontwikkelingsstoornissen, waarbij taal betrokken is, kunnen inzicht geven in de neurale basis van taalfuncties. Sommigen stellen dat ontwikkelingsstoornissen waarin de taalvaardigheden beperkt zijn, ondanks een gebrek aan problemen in andere domeinen, bewijs bieden voor een aangeboren taalmodule. Zo is er veel aandacht voor de KE-familie met het FOXP2 gen. In de KE-familie heeft de helft van de familieleden in drie generaties een taalbeperking geërfd. Aanvankelijk werd gesuggereerd dat deze taalbeperking specifiek was voor bepaalde grammatica-aspecten. Uit onderzoek bleek dat dit tekort gerelateerd was aan het gen FOXP2. De familieleden hebben echter veel meer beperkingen dan enkel in grammatica. Toch is er veel onderzoek naar gedaan, waaruit onder andere blijkt dat de familieleden met de taalbeperking minder activiteit vertonen in Broca’s gebied en in de putamen. In andere gebieden vertonen de familieleden daarentegen meer activiteit dan de controlegroep.

Terwijl de KE-familie dus niet zulke specifieke tekorten had als aanvankelijk werd gedacht, zijn gelijksoortige beweringen gedaan over de stoornis ‘specific language impairment’ (SLI). Uit onderzoek blijkt dat kinderen met SLI in het gehele brein meer witte stof hebben dan kinderen zonder SLI. Al met al lijkt er bij ontwikkelingsstoornissen met beperkte taalfuncties dus sprake te zijn van afwijkingen van de normale hersenontwikkeling. Deze afwijkingen hebben meer effect op het ene domein van verwerking dan op het andere domein van verwerking. Zo is bij WS taal relatief intact, terwijl er in andere domeinen ernstige beperkingen zijn.

9.6 Hoe kunnen we dit alles samenvatten?

Vanaf de geboorte of zelfs daarvoor zijn gebieden van de linker temporale kwab betrokken bij de verwerking van auditieve input. Ondanks dat deze gebieden het ideale 'huis' voor spraakverwerking zouden zijn, kunnen ze, als ze beschadigd zijn, vervangen worden door andere delen van de cortex die de functie kunnen ondersteunen, hetzij minder efficiënt. In lijn met het perspectief van interactieve specialisatie, is het waarschijnlijk dat spraakverwerking in dit gebied vanaf vroeg in het leven de synaptische en dendritische microstructuur beïnvloedt, waardoor het sterk gespecialiseerd is en verschillend van andere gebieden. Er blijft wel enige plasticiteit bestaan tijdens de ontwikkeling. Het dorsale pad dat projecteert van het gebied van Broca naar de superieure temporale gebieden, blijkt belangrijk te zijn voor hogere taalfuncties.

TentamenTicket

• Je kunt onthouden dat taal in principe gelokaliseerd is in de linker temporale kwab doordat de eerste en laatste letter van taal als ezelsbruggetje kunnen staan voor 'linker' en 'temporale'.

Wat is de rol van de prefrontale cortex? - Chapter 10

10.1 Wat is de prefrontale cortex?

Omdat de prefrontale cortex (PFC) zich nog tot lang na de geboorte ontwikkelt, wordt dit hersengebied het meest geassocieerd met ontwikkelingen in cognitieve vermogens. Er zijn twee onopgeloste vragen met betrekking tot de ontwikkeling van de frontale cortex:

1. Worden de gespecialiseerde functies door de frontale cortex uitgevoerd door een unieke neuroanatomie/neurochemie, of door andere factoren?
2. Hoe correspondeert bewijs voor functioneren van de PFC binnen de eerste 6 maanden na de geboorte met bewijs voor de voortdurende ontwikkeling van dit gebied tot de adolescentie?

10.2 Hoe zijn de prefrontale cortex, objectpermanentie en het werkgeheugen aan elkaar gerelateerd?

Een manier om cognitieve verandering te relateren aan onderliggende hersenontwikkeling is met behulp van objectpermanentie bij baby's. Structurele ontwikkelingen in de PFC vinden op een bepaalde leeftijd plaats, waardoor de ontwikkeling van cognitieve vaardigheden mogelijk wordt. Dit kan worden geïllustreerd door de rol van de PFC bij de ontwikkeling van objectpermanentie en het werkgeheugen. De PFC beslaat een derde van de totale oppervlakte van het brein en speelt een belangrijke rol bij veel cognitieve functies. Onderzoek heeft consistent aangetoond dat de PFC betrokken is bij planning, het vasthouden van informatie en het vermogen om reacties te inhiberen. Bij de A-niet-B taak kijkt een kind toe hoe een object op plaats A wordt verstopt. Na dit een aantal keer te herhalen, wordt het object onder toezien van het kind op plaats B verstopt. Baby’s jonger dan 7 maanden blijven echter reiken naar plaats A. Piaget heeft door middel van deze taak aangetoond dat baby’s jonger dan 7 maanden niet begrijpen dat objecten blijven bestaan, als ze uit beeld zijn (objectpermanentie).

Uit onderzoek blijkt dat apen met letsel aan de dorsolaterale PFC de A-niet-B taak niet succesvol kunnen volbrengen, terwijl dit niet geldt voor apen met letsel aan bijvoorbeeld de pariëtale cortex. Dit duidt erop dat de PFC bij dergelijke taken een belangrijke rol speelt. Dit wordt bevestigd door onderzoek naar de hersenactiviteit in de PFC tijdens objectpermanentie taken. Zo bestaat er een verband tussen enerzijds het uitvoeren van dergelijke taken en anderzijds een toenemende activiteit in de frontale gebieden en een toenemende hoeveelheid zuurstof in de PFC. Volgens Diamond ontstaat inzicht in objectpermanentie door de ontwikkeling van de dorsolaterale PFC 5 tot 12 maanden na de geboorte. Diamond stelt dat de PFC belangrijk is bij het vasthouden van informatie en het inhiberen van een overheersende reactie. Dit wordt ondersteund door het feit dat de PFC een belangrijke rol speelt bij de prestatie op taken als de A-niet-B taak, waarbij de meest recente verstopplaats (plaats B) onthouden moet worden en de overheersende reactie om naar de aanvankelijke verstopplaats (plaats A) te reiken, moet worden geïnhibeerd.

De CANTAB (Cambridge Neuropsychological Testing Automated Battery) meet verschillende vaardigheden. Uit onderzoek dat gebruik maakt van deze testbatterij blijkt dat de prestatie op taken die afhankelijk zijn van de posterieure hersengebieden rond 8-jarige leeftijd stabiel is. Op taken waarbij planning en het werkgeheugen betrokken zijn, wordt echter pas rond 12-jarige leeftijd op volwassen niveau gepresteerd. Dit suggereert dat de PFC zich tot in of na de adolescentie blijft ontwikkelen. Onderzoek dat gebruik maakt van de neuroimaging techniek fMRI heeft aangetoond dat de dorsolaterale PFC zowel bij kinderen als bij volwassenen bij het werkgeheugen betrokken is. De dorsolaterale PFC wordt geactiveerd als deel van het fronto-pariëtale netwerk, dat ook de intrapariëtale cortex omvat. De activiteit in het fronto-pariëtale netwerk ontwikkelt zich naarmate kinderen ouder worden. Hierbij lijkt de ontwikkeling van witte stof, waarbij verbindingen worden gevormd tussen de frontale en pariëtale gebieden, een rol te spelen: de ontwikkeling van deze verbindingen is gerelateerd aan prestatie van het werkgeheugen en aan de mate van hersenactiviteit in de frontale en pariëtale grijze stof.

Aanvankelijk dacht men dat de capaciteit van het werkgeheugen in de volwassenheid onveranderlijk is. Uit onderzoek blijkt echter dat de capaciteit van het werkgeheugen flexibel is en beïnvloed kan worden door ervaring. Door middel van training kan de werkgeheugencapaciteit en de activiteit in het fronto-pariëtale netwerk echter toenemen. Vanuit het rijpingsperspectief worden de verbeteringen in het werkgeheugen mogelijk gemaakt door de ontwikkeling van het fronto-pariëtale netwerk. Een alternatieve visie is echter dat er tijdens de ontwikkeling sprake is van ervaringen, waarbij betrokkenheid van het werkgeheugen vereist is. Dit zou leiden tot veranderingen in het hersennetwerk die aan dit vermogen ten grondslag ligt. Deze visie is meer consistent met het perspectief van interactieve specialisatie en het vaardigheidsperspectief. Ander onderzoek suggereert dat er bij het werkgeheugen van baby’s meer hersengebieden betrokken zijn, dan alleen de frontale gebieden. Mogelijk is het neurale netwerk dat aan het werkgeheugen ten grondslag ligt, bij baby’s anders en meer diffuus en wordt dit netwerk tijdens de ontwikkeling meer gelokaliseerd naar het fronto-pariëtale netwerk. Dit patroon is consistent met het perspectief van interactieve specialisatie.

10.3 Hoe zijn de prefrontale cortex en het maken van sociale beslissingen in de adolescentie aan elkaar gerelateerd?

Het perspectief dat de ontwikkeling van de PFC de ontwikkeling van cognitieve vaardigheden mogelijk maakt, kan ook worden geïllustreerd door de rol van de PFC bij de grotere kwetsbaarheid voor risicogedrag en mentale stoornissen in de adolescentie. De adolescentie wordt gekenmerkt door cognitieve verbeteringen, maar ook door intense emoties en impulsief gedrag. Sommigen stellen dat dit gedrag verklaard kan worden door het tempo waarin de PFC zich in vergelijking met andere hersengebieden ontwikkelt. Het ‘social information processing network’ (SIPN) model stelt dat sociaal gedrag drie interacterende nodes omvat:

• Een node voor de detectie van sociale informatie, waarbij voornamelijk de occipito-temporale cortex betrokken is;
• Een affectieve node, die de emotionele betekenis van een sociale stimulus verwerkt en invloed heeft op de gedragsmatige en emotionele reacties op deze stimulus. Hierbij zijn de subcorticale structuren en de orbitofrontale cortex betrokken; en
• Een cognitieve regulerend node, die belangrijk is voor doelgericht gedrag, impulscontrole en theory of mind. Hierbij is de PFC betrokken.

Volgens het SIPN model ontwikkelen de drie nodes zich in een verschillend tempo, waarbij de eerste node al vroeg in het leven rijp is en de tweede node in de vroege adolescentie ontwikkeld is. De derde node ontwikkelt zich daarentegen veel trager. Deze mismatch in rijping zorgt voor een kwetsbaarheid in de adolescentie, als sterke emotionele reacties op sociale stimuli nog niet worden gemodereerd door het nog onrijpe cognitief regulerende nodes. Deze kwetsbaarheid verklaart de toename in het maken van risicovolle beslissingen.

De Iowa Gambling taak is ontwikkeld om het maken van beslissingen meer systematisch te meten. Hiermee wordt onderzoek gedaan naar het maken van beslissingen zoals in het dagelijks leven, als gekozen moet worden tussen mogelijkheden met verschillende korte en lange termijn voordelen. In de taak moeten participanten één voor één kaarten uit vier stapels kiezen. Twee van deze stapels resulteren in onmiddellijke grote beloningen, maar gaan gepaard met een grotere ‘straf’ op de lange termijn. Hierdoor resulteren kaarten van deze stapel uiteindelijk in een verlies. De andere twee stapels resulteren in onmiddellijke kleinere beloningen, en gaan gepaard met een kleine vertraagde ‘straf’. Deze leiden op de lange termijn tot een winst. Gezonde volwassenen leren dat ze het beste kaarten kunnen kiezen van de laatstgenoemde stapels, terwijl mensen met letsel aan de PFC kaarten blijven kiezen van de stapels die op de lange termijn resulteren in een verlies. Zij lijken dus meer beïnvloed te worden door de onmiddellijke beloningen en kunnen de lange termijn gevolgen van hun keuzes niet in aanmerking nemen. Dit lijkt ook van toepassing te zijn op adolescenten, van wie vaak wordt gezegd dat ze moeite hebben met het begrijpen van de toekomstige gevolgen van hun daden.

Pas rond 16- tot 18-jarige leeftijd leren adolescenten om voordelige keuzes te maken. Bij adolescenten is sprake van een onbalans tussen subcorticale beloningverwerking systemen en frontale controlesystemen: adolescenten worden meer gedreven door beloningsystemen, wat leidt tot suboptimale keuzes bij het maken van sociale beslissingen. Mogelijk moet het ontwikkelingsperspectief worden aangepast. Onderzoek heeft namelijk aangetoond dat beloningen ook corticaal worden verwerkt, en dat controlesystemen ook steunen op subcorticale gebieden. De processen die betrokken zijn bij het maken van beslissingen lijken dus een bredere neurale basis te hebben, waardoor ontwikkelingen in gedrag niet toegeschreven kunnen worden aan de ontwikkeling van een specifieke component. Daarnaast zijn er gebieden in het sociale brein die structurele veranderingen en functionele reorganisatie ondergaan tijdens het tweede decennium van het leven, wat een sensitieve periode kan representeren voor het aanpassen aan de sociale omgeving. De amygdala speelt hierbij een belangrijke rol.

10.4 Hoe zijn de prefrontale cortex, het leren van vaardigheden en interactieve specialisatie aan elkaar gerelateerd?

Een andere benadering voor het begrijpen van de rol van de PFC bij de cognitieve ontwikkeling, is dat de PFC een belangrijke rol speelt bij de verwerving van nieuwe vaardigheden en kennis. De drie uitgangspunten hierbij zijn:

• De corticale gebieden die belangrijk zijn voor een bepaalde taak, veranderen met het stadium van verwerving;
• De PFC speelt een rol bij het toewijzen van informatie aan andere gebieden van de cortex; en
• Tijdens de ontwikkeling ontstaat een hiërarchie in de controlestructuren, waarbij de frontale cortex het hoogste niveau van controle is.

Drie soorten onderzoek hebben het belang van prefrontale corticale activiteit vroeg in de kindertijd bevestigd:

• Onderzoeken die gebruik maken van de neuroimaging technieken fMRI en PET;
• Psychofysiologische onderzoeken; en
• Onderzoeken naar de lange termijn effecten van perinataal letsel aan de PFC.

Uit onderzoek met fMRI blijkt dat er 3 maanden na de geboorte al sprake is van activiteit in de PFC. Het is echter mogelijk dat deze activiteit geen rol speelt bij het sturen van het gedrag van de baby. Onderzoek met ERPs suggereert daarentegen dat activiteit in de PFC al wel gevolgen heeft voor het gedrag. Hoewel kinderen vaak herstellen van letsel aan bepaalde gebieden doordat andere hersengebieden deze functies overnemen, heeft letsel aan de PFC vaak gevolgen op de lange termijn. Deze gevolgen worden tijdens de ontwikkeling in toenemende mate zichtbaar. Dit suggereert dat de PFC al vanaf de vroege kindertijd een belangrijke structurerende rol speelt.

Volgens Thatcher zorgt de frontale cortex voor herhaaldelijke cycli van corticale reorganisatie. Thatcher stelt dat cycli van corticale reorganisatie beginnen met microcycli, waarbij kort-bereik verbindingen in de linker hemisfeer worden gereorganiseerd. Vervolgens worden langer-bereik frontale verbindingen belangrijk. Dit gebeurt eerst alleen in de linker hemisfeer, maar daarna ook bilateraal. De cyclus wordt compleet door de reorganisatie van korte verbindingen in de rechter hemisfeer. Volgens Thatcher duurt een complete cyclus ongeveer vier jaar, maar bieden subcycli en microcycli de basis voor kortdurende perioden van stabiliteit en overgang. In verband met de langere verbindingen gerelateerd aan de frontale cortex, suggereert Thatcher dat dit deel van de cortex een integrale rol speelt bij de reorganisatie van de cortex als geheel. Case heeft geprobeerd deze onderzoeksbevindingen te gebruiken door reorganisaties in het brein te relateren aan cognitieve verandering. Hij stelde dat cognitieve verandering een gelijksoortig herhaaldelijk karakter heeft en dat veel cognitieve beperkingen het gevolg zijn van functies, zoals het werkgeheugen. Een voorbeeld dat gebruikt is om te illustreren dat neurale en cognitieve veranderingen manifestaties zijn van een gemeenschappelijk proces, is het vergelijken van de snelheid van verandering in EEG samenhang tussen frontale en pariëtale verbindingen met de snelheid van groei in de capaciteit van het werkgeheugen. De snelheid van verandering lijkt overtuigend te zijn, maar hierbij moeten twee kanttekeningen worden geplaatst. Het verband tussen brein en cognitie is enkel op een correlatie gebaseerd. Tot slot blijkt uit onderzoek dat de intellectuele vermogens zich ook bij mensen met letsel aan de PFC normaal kunnen ontwikkelen. Dit spreekt het vaardigheidsperspectief tegen, omdat dit perspectief stelt dat de PFC van groot belang is voor de verwerving van nieuwe kennis en vaardigheden.

10.5 Hoe kunnen we dit alles samenvatten?

Twee perspectieven zijn in dit hoofdstuk behandeld. Het eerste perspectief dat rijping van gebieden van de PFC verschillende cognitieve functies activeert, is kwetsbaar voor gedeeltelijk functioneren van het gebied op vroege leeftijd. Het tweede perspectief waarin de frontale kwabben een belangrijk deel zijn van de cyclische zelforganisatie van de cortex, is nog relatief ongespecificeerd. De twee vragen van het begin van het hoofdstuk blijven onbeantwoord. De eerste vraag was of de gespecialiseerde functies van de frontale cortex het gevolg zijn van een unieke neuroanatomie en/of neurochemie, of van andere factoren. Mogelijk leidt een combinatie van kleine intrinsieke biases en een relatief vertraagde ontwikkeling tot de unieke informatieverwerking eigenschappen van de PFC. Of dit gebied een rol speelt bij de specialisering van andere gebieden van de cortex, moet verder onderzocht worden. De tweede vraag was hoe de voortdurende ontwikkeling van de frontale cortex tot de adolescentie correspondeert met het functioneren van dit gebied in de eerste levensmaanden. Een mogelijk antwoord is dat representaties in dit gebied van de cortex aanvankelijk zwak zijn en alleen voldoende ontwikkeld zijn voor het controleren van bepaalde soorten output. Een ander mogelijk antwoord is dat verschillende gebieden van de frontale cortex in verschillende mate vertraagd zijn in hun ontwikkelen en dat prefrontale gebieden een voortdurende rol spelen bij de cyclische reorganisatie van de rest van de cortex.

TentamenTicket

• De drie nodes van het SIPN model zijn te onthouden aan de hand van de letters DAC: (1) node voor de detectie van sociale informatie, (2) affectieve node, en (3) cognitieve regulerende node. Makkelijk hierbij is dat deze drie letters de eerste, derde en vierde letter van het alfabet zijn. De nodes staan ook in chronologische volgorde, de detectie node ontwikkelt vroeg in het leven, de affectieve node in de adolescentie (begint allebei met de a), en de cognitieve regulerende node ontwikkelt zich trager en later in het leven.

Wat houdt cerebrale lateralisatie in? - Chapter 11

De twee cerebrale hemisferen lijken aanvankelijk symmetrisch te zijn. Een aantal domeinen van cognitie wordt in de volwassenheid echter anders verwerkt in de twee hemisferen, zoals gezichtsherkenning, taal en ruimtelijke cognitie. Er bestaat geen consensus over de vraag in welke mate deze hemisferische specialisatie vooraf al is bepaald of alleen een bijverschijnsel is van de verschillende timing van de ontwikkeling. Het is moeilijk deze vraag te beantwoorden, omdat op sommige momenten de linker hemisfeer meer ontwikkeld lijkt te zijn, terwijl dit op andere momenten voor de rechter hemisfeer geldt. Er bestaat nu consensus over het idee dat er kort na de geboorte sprake is van enige mate van hemisferische lateralisatie. Men is het er echter nog niet over eens hoe deze lateralisatie ontstaat en wat het verband ervan is met hemisferische specialisatie. Hiervoor zijn een aantal modellen ontwikkeld, waaronder het “biased gene” model, het “biased brain” model en het “biased head/uterus” model.

Biased gene modellen bieden een genetische verklaring voor lateralisatie. Klassieke theorieën stellen dat handdominantie en lateralisatie van cognitieve functie bepaald worden door dezelfde ontogenetische factoren, omdat de twee trekken tot op zekere hoogte correleren. Zo stelt de ‘right shift theorie' dat de meerderheid van de personen een gen erft, die ervoor zorgt dat de linker hemisfeer zich specialiseert in spraak als een bijproduct van rechtshandigheid. Bij de individuen zonder dit ‘right shift gen' wordt lateralisatie bepaald door omgevingsfactoren. Het model van McManus en Bryden omvat de invloed van een tweede, geslachtsgebonden, ‘modifier’ gen. Dit gen verklaart sommige sekseverschillen. De complexe genetische modellen van lateralisatie reflecteren het feit dat de erfelijkheid van links- of rechtshandigheid controversieel blijft, en dat de effecten van links- of rechtshandigheid subtiel zijn en interacteren met andere factoren, zoals sekse en ervaring. Daarnaast blijft het verband tussen links- of rechtshandigheid en cognitieve lateralisatie onduidelijk, de twee correleren, maar het blijkt ook zo te zijn dat er aanzienlijke onafhankelijke invloed op deze twee is. Bovendien is de verklarende waarde van de genetische benadering beperkt, tot de ontogenetische functie van de betreffende genen bekend is. Tot slot hebben de betreffende genen waarschijnlijk een indirect effect op de ontwikkeling van het brein.

Biased brain modellen verwijzen naar de neuroanatomische observaties van hemisferische verschillen rond de geboorte. Deze verschillen zijn echter geen bewijs voor een vooraf bepaalde architectuur. Er kunnen dus nog geen definitieve conclusies worden getrokken over de verschillende functie-eigenschappen van de linker en rechter hemisferen rond de geboorte. Een recente studie onder volwassenen heeft laten zien dat er geen specifieke gebieden geassocieerd zijn met linkshandigheid. Zelfs als er empirisch bewijs voor biased brain modellen was, blijft het de vraag welke factoren verantwoordelijk zijn voor deze bias. Het model van Geschwind, Behan en Galaburda (GBG) biedt een causale verklaring voor hoe bepaalde neuroanatomische verschillen ontstaan. Het GBG model stelt dat er een causaal verband bestaat tussen hormoonniveaus in de baarmoeder en de ontwikkeling van cerebrale dominantie. Volgens dit model kunnen hogere of lagere testosteronniveaus in de baarmoeder de migratie van neuronen naar de cortex vertragen of versnellen, respectievelijk. Het GBG model wordt echter gekenmerkt door een aantal theoretische en empirische problemen. Zo stelt het model dat degenen die niet rechtshandig zijn, deel zijn van de ‘abnormale dominantie’ populatie. Een ander probleem is dat de theorie geen onderscheid maakt tussen verschillende mogelijke uitkomsten. Toch is er enig bewijs voor het GBG model. Zo is het testosteronniveau in de baarmoeder gerelateerd aan aspecten van de sociaal-cognitieve ontwikkeling. Dit is consistent met het idee dat prenatale testosteronniveaus invloed hebben op de ‘mannelijkheid’ van het brein en een causale rol kunnen spelen bij autisme. Er moet echter nog bewijs komen voor verbanden tussen prenatale testosteronniveaus en cerebrale lateralisatie. In een versie van de biased brain hypothese speelt het corpus callosum een belangrijke rol in de ontwikkeling van linkse lateralisatie van taal door de rechter hemisfeer te inhiberen. Als dit waar is, zou taal bilateraal zijn bij patiënten met callosal agenesis (totale of deels afwezige corpus callosum). Uit onderzoek hiernaar bleek dat lateralisatie van taal nog optreedt, behalve voor expressieve taal in het gebied van Broca.

Biased head/uterus modellen stellen dat lateralisatie, en mogelijk ook hemisferische specialisatie, het resultaat zijn van de sterke neiging van jonge baby’s om hun hoofd naar één kant te draaien. Veel pasgeboren baby’s die op hun rug liggen, richten hun hoofd naar de rechterkant. Deze bias is mogelijk het gevolg van de meest voorkomende positie in de baarmoeder, waarbij de mate van mogelijke hoofd- en handbewegingen naar één kant worden beperkt. De bias om het hoofd naar de rechterkant te richten, leidt ertoe dat de rechterhand vaker in beeld is, waardoor de baby een voorkeur ontwikkelt voor het gebruik van die hand voor het reiken naar objecten. Een andere mogelijkheid is dat de bias om het hoofd naar de rechterkant te draaien en de rechtshandigheid een gemeenschappelijke neurale basis hebben. In de baarmoeder ontstaat de bias om het hoofd naar rechts te draaien pas vanaf 36 tot 38 weken na de bevruchting.

Een aantal maanden na de geboorte tonen baby’s bewijs voor hemisferische specialisatie voor cognitieve functies. Zo is de rechter hemisfeer bij baby’s al rond 4 tot 5 maanden na de geboorte gespecialiseerd voor de herkenning van gezichten. Mogelijk heeft de rechter hemisfeer aangeboren representaties voor de verwerking van gezichten. De Schonen en collega’s geloven echter dat deze specialisatie van de rechter hemisfeer een resultaat is van kleine biases in de gedetailleerde architectuur in vergelijking met de architectuur van de linker hemisfeer. Deze verschillen zouden ontstaan door een enigszins andere timing van ontwikkeling in de twee hemisferen. Vanuit dit perspectief is een differentiële timing van de ontwikkeling tussen de twee hemisferen vroeg in de kindertijd al voldoende om elke hemisfeer te specialiseren voor de verwerking van bepaalde soorten input. Hetzelfde geldt voor hemisferische specialisatie voor taal. Mogelijk leiden verschillen in de ontwikkelingstiming een aanvankelijke kleine bias, waarbij taal in de linker hemisfeer wordt verwerkt. De combinatie van deze aanvankelijke bias met dynamische inhibitie tussen de hemisferen leidt tijdens de ontwikkeling tot een toenemende lateralisatie van cognitieve functies. Vanuit dit perspectief is de kritieke periode waarin de rechter hemisfeer kan compenseren voor letsel aan de linker hemisfeer een functie van de mate van hemisferische specialisatie voor taal vóór het verwerven van het letsel. De relatie tussen hersengerelateerde structurele asymmetrie en functie kan ook veranderen met de leeftijd.

11.1 Hoe kunnen we dit alles samenvatten?

Het is lastig om de drie theorieën van lateralisatie direct aan te laten sluiten bij de drie perspectieven uit eerdere hoofdstukken. Er is een verrassende mate van lateralisatie van functies in de eerste maanden na de geboorte, van deze functies is bekend dat ze geleerd worden in de baarmoeder. Wat betreft visuele verwerking is er minder consistentie omtrent lateralisatie, met veel variatie tussen individuen, wat consistent is met een patroon van vergrotende specialisatie. Een dynamisch probabilistisch perspectief van hemisferische specialisatie van functies kan mogelijk herstel na unilaterale schade verklaren. Onderzoeken laten zien dat hemisferische organisatie van gezichts- en woordherkenning niet onafhankelijk ontwikkelt en dat woordlateralisatie gezichtslateralisatie aandrijft.

TentamenTicket

• De drie modellen omtrent lateralisatie en hemisferische specialisatie zijn te onthouden aan hun naam waar het kernwoord al in zit: (1) biased gene modellen bieden een genetische verklaring voor lateraliteit, (2) biased brain modellen verwijzen naar de neuroanatomische observaties van hemisferische verschillen rond de geboorte, en (3) biased head/uterus modellen stellen dat lateraliteit het resultaat is van de neiging van baby’s om hun hoofd naar één kant te draaien in de baarmoeder.

Wat houden de educatieve neurowetenschappen in? - Chapter 12

Leren lezen, schrijven en rekenen kan gezien worden als een proces waarbij simpele vaardigheden die relevant zijn voor een kennisdomein (domeinrelevante vaardigheden) door educatie complexer worden en specifiek voor dat domein (domeinspecifieke vaardigheden). Er zijn ook domeinalgemene vaardigheden die minder afhankelijk zijn van ervaring en voorkennis. Deze vaardigheden worden vaak beschreven als de basale executieve functies die een beroep doen op de PFC.

Het verwerven van academische vaardigheden kan gezien worden als een voorbeeld van het vaardigheidsperspectief op functionele hersenontwikkeling. Hersengebieden die betrokken zijn de executieve functies worden minder betrokken als de kennis kristalliseert en/of als de vaardigheden meer routinematige en automatisch worden.

Er zijn enkele uitdaging omtrent het duale model van domeinspecifieke en domeinrelevante vaardigheden:

• Het verwerven van alfabetisme en rekenvaardigheid vraagt zowel domeinalgemene als domeinrelevante vaardigheden;
• De causale richting van brein-gedrag relaties zijn niet altijd duidelijk; en
• Ook al lijkt uit studies een link te bestaan tussen een vaardigheid zoals werkgeheugen en academische progressie in alfabetisme of rekenvaardigheid, is er geen duidelijk bewijs dat het trainen van het werkgeheugen academische voortgang verbetert.

12.1 Hoe ontwikkelt rekenvaardigheid?

Er zijn twee domeinrelevante systemen voor de representatie van aantallen:

1. Een approximate number system (ANS): representeert hoeveelheden door de fysieke omvang in verhouding te zien met de items. Drie uitgangspunten hierbij zijn (1) discriminaliteit staat in verhouding met omvang, één en twee zijn makkelijker te onderscheiden dan zeven en acht, (2) succesvolle representaties worden alleen gevormd als alle objecten in een keer zichtbaar zijn of in een directe opeenvolging zijn, en (3) deze representaties kunnen overgedragen worden wat betreft modaliteiten (auditief en visueel) en formaten (ruimtelijk en temporeel).
2. Een systeem betrokken bij het bepalen van kleine aantallen objecten (object-files). Uitgangspunten bij deze exacte aantalrepresentaties zijn dat deze representaties (1) beperkt zijn tot setgroottes van drie of vier, (2) gevormd en behouden kunnen worden zelfs als verschillende delen verdwijnen, en (3) niet zo abstract zijn als grote aantalrepresentaties.

Deze systemen ontwikkelen zich vroeg in de ontwikkeling. Al bij zes maanden kunnen baby’s bepaalde aantallen van elkaar onderscheiden. Er lijken verschillende systemen te bestaan voor schattingen van grote hoeveelheden en voor kleine exacte hoeveelheden.

De ANS en object-file systemen worden geassocieerd met bilaterale activiteit in de inferieure pariëtaalkwabben. Dit is consistent met de sensitiviteit van het dorsale pad voor ruimtelijk-temporele aspecten van objectverwerking.

De intrapariëtale sulcus (IPS) wordt sterker geactiveerd bij volwassenen als er verschillen worden waargenomen in aantallen. Hetzelfde is te zien bij kinderen. Het lijkt zo te zijn dat het corticale weefsel dat sensitief is voor numerieke representaties al bestaat in de vroege kindertijd en een neurale basis vormt voor het verwerven van symbolische aantalrepresentaties tijdens educatie.

Als kinderen rekenkunde gaan leren, moeten ze met een ander systeem van aantalrepresentatie werken: een systeem dat geen limiet heeft, niet beperkt is door de wet van Weber en perceptie, en dat gerelateerd kan worden aan taal. Dit systeem wordt een ‘integer-list’ representatie genoemd. Een idee over de manier waarop dit systeem gevormd wordt is dat kinderen een nieuw concept ontwikkelen van aantallen en rekenkundige vaardigheden verwerven door hun twee oorspronkelijke systemen van aantalrepresentatie samen te brengen, waarbij taal een centrale rol speelt. Natuurlijke aantalconcepten komen van de coördinatie (door te tellen) van het geschatte aantal en object-file systemen.

12.2 Hoe ontwikkelt alfabetisme?

Lezen is het linken van een visueel geschreven woord aan een geluidsstructuur van taal en de mening hiervan interpreteren. Lezen wordt verworven door expliciet onderwijs en veel oefenen.

Als kinderen beginnen met leren lezen, is er sprake van veranderingen in de activiteit in de ‘visual word form area’ (VWFA). De VWFA is bij beginnende lezers bilateraal, maar naarmate de leeftijd en leesvaardigheden toenemen, is er vooral sprake van activiteit in de linker hemisfeer. Dit blijkt ook uit het feit dat de ERP component N170 voor visuele woorden links gelateraliseerd is bij volwassenen. Onderzoeksbevindingen zijn consistent wat betreft het idee dat er een proces betrokken is bij de perceptuele expertise voor het herkennen van visuele woorden, waarbij hersenactiviteit in het occipito-temporale gebied meer specifiek voor woorden wordt en meer wordt gelokaliseerd in de linker hemisfeer.

12.3 Hoe zijn executieve functies gerelateerd aan reken- en leesvaardigheid?

Er is een algemene overeenkomst dat werkgeheugen, inhibitie en switchen basale executieve vaardigheden zijn die bijdragen aan het ontstaan van meer complexe vaardigheden, zoals probleemoplossen, planning en redeneren. Inhibitie is de vaardigheid om een ongepaste reactie of gedachte te stoppen. Verschillende studies hebben relaties gevonden tussen inhibitie en rekenvaardigheden. Het lijkt zo te zijn dat inhibitie een specifieke link heeft met rekenvaardigheid in de eerste jaren, maar dat bij oudere kinderen er een meer algemeen effect op leren is. Waarbij inhibitie vaardigheid het leren ondersteunt.

Werkgeheugen is de mentale werkruimte en betrokken bij veel cognitieve taken. Zo voorspelt het visueel-ruimtelijke werkgeheugen bij kinderen van 8 jaar de rekenprestaties en bij kinderen van 10 jaar alleen de moeilijkere rekenvragen. Dit suggereert dat de link tussen werkgeheugen en rekenvaardigheid verandert bij het ouder worden, wellicht doordat oudere kinderen andere strategieën gebruiken. Verbaal werkgeheugen vaardigheden voorspellen tekstbegrip, schrijven en spellingsvaardigheden.

De IPS is een gebied dat betrokken is bij zowel rekenvaardigheden als visueel-ruimtelijk werkgeheugen, wat suggereert dat de ontwikkeling van dit gebied ten grondslag kan liggen aan de relaties tussen deze vaardigheden. Daarnaast blijkt uit onderzoek dat het hersennetwerk dat gerelateerd is aan lezen relatief stabiel is over de tijd en vergelijkbaar is met dat van volwassenen, maar dat het netwerk gerelateerd aan rekenvaardigheden meer prefrontale en minder pariëtale betrokkenheid laat zien dan bij volwassenen.

12.4 Wat zijn dyscalculie en dyslexie?

Problemen met het begrijpen van getallen komen in verschillende vormen. Sommige kinderen laten specifieke problemen zien met rekenkunde, terwijl ze een normale intelligentie hebben, dit wordt dyscalculie genoemd. Sommigen suggereren dat dyscalculie een specifiek ontwikkelingssyndroom is. Neuroimaging studies laten zien dat pariëtale gebieden die geassocieerd zijn met getallenverwerking te weinig actief zijn bij kinderen met dyscalculie.

De belangrijkste symptomen van dyslexie zijn moeite met het leren van lezen en spellen, moeite met letter- en cijferombuigingen en ongewone fouten. Voor Hinshelwood’s idee dat dyslexie gerelateerd is aan ontwikkelingsafwijkingen in de linker hemisfeer is zowel structureel als fysiologisch bewijs. Het structurele bewijs is afkomstig uit autopsies van het brein van dyslectische mensen. Hieruit blijkt dat er tussen de linker en rechter hemisfeer sprake is van symmetrie van een deel van Wernicke’s gebied, die betrokken is bij fonologische verwerking. Ook is er sprake van misvormingen in de clusters neuronen in dit gebied. Deze resultaten zijn consistent met de bevindingen uit onder andere PET onderzoeken, waaruit blijkt dat mensen met dyslexie een atypische verwerking vertonen in de linker temporale kwab. Bovendien heeft onderzoek aangetoond dat er bij mensen met dyslexie bij bepaalde taken minder hersengebieden worden geactiveerd dan bij mensen zonder dyslexie. Broca’s gebied en Wernicke’s gebied worden nooit tegelijkertijd geactiveerd bij mensen met dyslexie, mogelijk omdat er een disfunctie bestaat in de insula, die normaal de connectie tussen deze twee gebieden verzorgt. Sommige onderzoeken hebben aangetoond dat kinderen met een vertraagde taalontwikkeling vaak leesproblemen ontwikkelen, die symptomen lijken te zijn van bepaalde soorten dyslexie.

Uit onderzoek blijkt dat de VWFA bij dyslectische adolescenten en volwassenen minder wordt geactiveerd. Onderzoeksresultaten tonen aan dat er bij kinderen met dyslexie sprake is van een disfunctie en gebrek aan specialisatie van de VWFA. Het is echter niet duidelijk in welke mate deze disfunctie een oorzaak of gevolg van de leesproblemen is. Het is van belang om te benadrukken dat er geen consensus bestaat over de precieze aard van de cognitieve tekorten bij dyslexie en over de precieze afwijkingen in het brein. Daarnaast hoeft de betrokkenheid van de linker temporale kwab bij dyslexie niet noodzakelijk geïnterpreteerd te worden in termen van een causaal epigenetisch pad, waarbij een tekort of afwijking in de linker temporale kwab leidt tot dyslexie. Het bewijs voor de corticale ontwikkeling, neurale plasticiteit en succes van trainingstudies, suggereert echter een meer probabilistisch epigenetisch pad. Vanuit dit perspectief is de linker temporale kwab door de basale structuur de beste, maar niet de enige mogelijke basis voor spraakverwerking. Als dit gebied beschadigd is, kan spraakverwerking worden ondersteund door andere gebieden van de cortex. Door middel van interactie met een bepaald type input wordt de linker temporale kwab in toenemende mate gespecialiseerd voor spraakverwerking. Een kleine aanvankelijke bias kan dus worden versterkt tijdens de ontwikkeling door grotere anatomische en functionele specialisatie.

12.5 Hoe kunnen we dit alles samenvatten?

Onderzoeken laten zien dat het verwerven van vaardigheden zoals rekenvaardigheid en leesvaardigheid zowel domeinspecifieke als domeinalgemene vaardigheden vraagt. Jonge baby’s hebben al basale vaardigheden die relevant zijn bij dit proces, zoals sensitiviteit voor getallen en fonemen die met ervaring ontwikkelen in meer gespecialiseerde en domeinspecifieke vaardigheden. In de kindertijd worden posterieure hersengebieden steeds meer betrokken en frontale gebieden steeds minder betrokken. De vergrotende betrokkenheid van de pariëtale gebieden bij getallenverwerking is bewijs voor een specialisatie van pariëtaal functioneren. De verminderende betrokkenheid van frontale gebieden reflecteert een ontkoppeling van domeinalgemene processen die gerelateerd zijn aan executieve controle en werkgeheugen. Studies naar dyslexie en dyscalculie hebben atypische patronen in hersengebieden onderzocht die geassocieerd zijn met lezen en getallenverwerking, respectievelijk.

TentamenTicket

• Bij dyslexie is er sprake van onder andere moeite met lezen, dit is te onthouden aan dat het woord 'lezen' lijkt op ‘lexie’. Bij dyscalculie is er sprake van onder andere moeite met rekenen, dit is te onthouden aan dat calculeren ook wel een ander woord voor rekenen is.

Wat houdt het perspectief van interactieve specialisatie in? - Chapter 13

13.1 Welke drie perspectieven zijn er op de functionele ontwikkeling van het brein?

De meeste gebieden van de cortex ontstaan door een combinatie van intrinsieke factoren en extrinsieke input. Het lijkt zo te zijn dat het perspectief van interactieve specialisatie meer consistent is met het beschikbare bewijs dan het rijpingsperspectief of het vaardigheidsperspectief. Het rijpingsperspectief gaat uit van deterministische epigenese: de uitdrukking van genen heeft effecten op de verbindingen tussen gebieden, waardoor nieuwe functies kunnen ontstaan. Volgens dit perspectief bestaat er een één-op-één correspondentie tussen hersengebieden en bepaalde cognitieve functies, waarbij bepaalde functies ‘online’ komen na de rijping van een gebied. Aangenomen wordt dat verschillende hersengebieden een verschillende ontwikkeling volgen, waardoor nieuwe cognitieve functies op verschillende leeftijden ontstaan.

Het perspectief van interactieve specialisatie gaat daarentegen uit van probabilistische epigenese, waarbij cognitieve functies het resultaat zijn van interacties tussen verschillende hersengebieden. Dit perspectief benadrukt veranderingen in verbindingen tussen gebieden (‘inter-regional connectivity’), in tegenstelling tot de rijping van specifieke gebieden (‘intra-regional maturation’). Vanuit dit perspectief is het brein veel flexibeler en beter in staat om voor letsel te compenseren, dan vanuit het rijpingsperspectief. Volgens het rijpingsperspectief verandert het verband tussen hersenstructuur en cognitieve functie tijdens de ontwikkeling niet: als nieuwe structuren beschikbaar worden, blijven de al rijpe gebieden dezelfde functies dienen als eerder in de ontwikkeling. Vanuit deze statische aanname is het acceptabel om de bevindingen uit onderzoek onder volwassenen te generaliseren naar de kindertijd. Het perspectief van interactieve specialisatie suggereert daarentegen dat als een nieuwe functie of vaardigheid verworven is, er sprake is van een reorganisatie van interacties tussen verschillende hersenstructuren en hersengebieden. Deze reorganisatie kan gevolgen hebben voor hoe eerder verworven cognitieve functies in het brein worden gerepresenteerd. Dit betekent dat hetzelfde gedrag op verschillende leeftijden een verschillende neurale basis kan hebben. Volgens het vaardigheidsperspectief is er sprake van continuïteit van het gebied dat ten grondslag ligt aan de verwerving van vaardigheden. Dit gebied omvat een netwerk van structuren, die tijdens de ontwikkeling dezelfde basale functie behoudt. Echter, de functies van andere hersengebieden kunnen in reactie op training veranderen.

De drie perspectieven op de functionele hersenontwikkeling hebben elk een andere visie op de plasticiteit van het brein:

• Rijpingsperspectief: plasticiteit is een gespecialiseerd mechanisme, dat in reactie op hersenletsel wordt geactiveerd.
• Perspectief van interactieve specialisatie: plasticiteit is de toestand, waarin de functie van een gebied nog niet volledig gespecialiseerd is.
• Vaardigheidsperspectief: plasticiteit is het resultaat van specifieke gebieden en verandert tijdens de ontwikkeling niet.

13.2 Wat is interactieve specialisatie?

Interactieve specialisatie richt zich op lokalisatie en specialisatie. Lokalisatie verwijst naar de mate waarin een bepaalde functie geassocieerd kan worden met een bepaald hersengebied. De mate waarin dit gebied tijdens een bepaalde taak wordt geactiveerd, kan tijdens de ontwikkeling veranderen. Specialisatie verwijst naar de mate waarin een bepaald hersengebied gespecialiseerd is voor een bepaalde functie. Volgens het perspectief van interactieve specialisatie zijn lokalisatie en specialisatie het gevolg van dezelfde onderliggende mechanismen. Het perspectief van interactieve specialisatie stelt dat veel hersengebieden vlak na de geboorte zwak gedefinieerde functies hebben. Deze gebieden kunnen daardoor geactiveerd worden door vele soorten input en taken. Door middel van activiteitsafhankelijke interacties tussen gebieden worden gebieden meer aangepast op een bepaalde set omstandigheden en zijn ze beter te onderscheiden van andere gebieden. Dit wordt ook wel lokalisatie van functies genoemd. Volgens het interactieve specialisatieperspectief worden kleinschalige hersengebieden dus aangepast op bepaalde functies. Dit gebeurt door een combinatie van factoren, waaronder de geschiktheid van de functie binnen het grootschalige gebied (onder andere afhankelijk van neurotransmitters en synaptische dichtheid), de informatie in de sensorische input en competitieve interacties met aangrenzende hersengebieden.

13.3 Wat is selectieve pruning?

Na de geboorte is er sprake van een selectief verlies van synaptische verbindingen in het brein (pruning). Er zijn verschillende verklaringen voor dit proces. Volgens de selectionist Changeux zijn synaptische verbindingen aanvankelijk labiel. Als ze niet stabiel worden, verdwijnen ze. Of verbindingen stabiliseren, is afhankelijk van de totale activiteit van de verbinding, wat afhankelijk is van de hoeveelheid input die ontvangen wordt. Dit wordt ook wel selectieve stabilisering genoemd. Changeux stelde het volgende: “to learn, is to eliminate”. Om te leren, moeten er dus synaptische verbindingen worden verloren. Changeux en Dehaene hebben vervolgens een darwinistische versie van het selectionisme geïntroduceerd. Volgens hen bestaat een darwinistische verandering uit twee fasen:

1. Een constructief proces, waarbij mogelijke opties worden gegenereerd. Op het neurale niveau ontstaan tijdens deze fase veel synaptische verbindingen. Op het cognitieve niveau ontstaan ‘prerepresentaties’: vergankelijke, dynamische, bevoordeelde spontane activiteit in neurale gebieden.
2. De selectie van opties. Op het neurale niveau worden tijdens deze fase bepaalde synaptische verbindingen geselecteerd, als gevolg van spontane activiteit en/of als gevolg van input. Op het cognitieve niveau worden bepaalde prerepresentaties geselecteerd.

Selectionistische mechanismen van de functionele hersenontwikkeling kunnen volgens een aantal dimensies variëren:

• Schaal van eenheid: bijvoorbeeld neuronale groepen of synapsen; en
• De mate waarin het selectieve verlies het gevolg is van sensorische input of bepaald wordt door intrinsieke factoren.

Wat betreft de tweede dimensie, is er een verschil tussen het model van Changeux en het model van Ebbesson. Volgens Changeux worden het patroon en de timing van de synaptische pruning bepaald door sensorische input en spontane activiteit. Ebbesson stelt daarentegen dat pruning niet gevoelig is voor ervaring, zoals in het geval van prenatale pruning. Dit verschil heeft implicaties voor hoe de plasticiteit in een ontwikkelend neuraal systeem wordt beëindigd. In het geval van Changeux is dit proces ‘zelfbeëindigend’, en blijven actieve verbindingen bestaan. Volgens Ebbesson wordt het einde van plasticiteit meer abrupt bepaald: op een bepaald moment in de ontwikkeling moet een bepaalde hoeveelheid verbindingen verloren zijn, ongeacht de hoeveelheid opgedane ervaring. Een ‘hybride’ selectionistische verklaring van de postnatale neurale ontwikkeling combineert aspecten van de verklaringen van Changeux en Ebbesson. In deze verklaring wordt het onderscheid tussen de timing en het patroon van pruning benadrukt. Hoewel de timing van pruning het resultaat kan zijn van intrinsieke interacties, wordt het patroon deels bepaald door interacties met de extrinsieke omgeving. Er is onderzoek gedaan naar de functionele gevolgen van het verlies van synaptische verbindingen. Het is echter van belang dat selectieve pruning slechts een van de aspecten van de postnatale neurale ontwikkeling is. Een selectionistische verklaring kan dus geen volledige verklaring bieden voor de neurocognitieve ontwikkeling. Bovendien is voorgesteld dat de specificiteit van neurale verbindingen het gevolg is van gestuurde dendritische groei. Hiervoor is echter nog weinig bewijs.

13.4 Wat zijn verkaveling en modulariteit?

Verkaveling (‘parcellation’) verwijst naar het proces, waarbij de verwerking in elk hersengebied in toenemende mate gescheiden wordt van de verwerking in aangrenzende gebieden. Volgens Ebbesson is deze verkaveling het gevolg van het selectieve verlies van synapsen en dendrieten en leidt verkaveling tot verwerkingsstromen en –structuren. Er is geen consensus over de vraag of verkaveling gevoelig is voor ervaring. Volgens Johnson en Vecera zijn bepaalde gedragsmatige en cognitieve veranderingen direct gerelateerd aan de toenemende segregatie van informatiestromen (verkaveling) op het neurale niveau. Zij stellen dat verkaveling de volgende gevolgen heeft:

• In afnemende mate informatie-uitwisseling tussen bepaalde hersensystemen;
• Minder interferentie tussen bepaalde hersensystemen; en
• Toenemende specificiteit in sensorische detectie.

Een voorbeeld van verkaveling is het ontstaan van oculaire dominantiekolommen. Dit illustreert dat, terwijl verkaveling kan leiden tot een verlies van een bepaald niveau van integratie tussen systemen, het kan leiden tot de verwerving van een nieuw niveau van integratie (binoculair zicht). Bij dit voorbeeld is sprake van toenemende differentiatie binnen een sensorische modaliteit. Dit proces kan echter ook plaatsvinden tussen sensorische modaliteiten. Verkaveling leidt tot het verlies van verbindingen tussen sensorische cortexen. Johnson en Vecera voorspellen dat dit twee gevolgen heeft:

• Na de verkaveling leidt sensorische input tot een breder patroon van hersenactiviteit; en
• Vóór de verkaveling is er is sprake van meer contact (‘cross-talk’) tussen sensorische modaliteiten.

Met betrekking tot de eerste voorspelling blijkt dat auditieve input bij baby’s van 3 tot 4 dagen oud invloed heeft op reacties in de somatosensorische cortex. Bij volwassenen is dit echter niet het geval. Dit zou het gevolg kunnen zijn van verkaveling tussen de auditieve en somatosensorische modaliteiten. Er is dus minder sprake van inter-sensorische integratie in de volwassenheid. Wat betreft de tweede voorspelling, moet worden opgemerkt dat er tussen sensorische modaliteiten waarschijnlijk meerdere niveaus van informatie-uitwisseling zijn. Dit betekent dat een kind tijdens de ontwikkeling waarschijnlijk steeds specifiekere informatievormen integreert. Als dit in aanmerking wordt genomen, kan worden voorspeld dat kinderen een verlies van inter-sensorische integratie vertonen. Dit kan worden gevolgd door de herintegratie tussen meer specifieke modaliteiten, wat in sommige gevallen leidt tot een U-vormige ontwikkelingscurve.

Er is sterk bewijs voor niet-specifieke cross-modale invloeden vroeg in het leven. Zo wordt de voorkeur van pasgeboren baby’s voor fel of gedimd licht beïnvloed door eerdere blootstelling aan auditieve stimuli. Baby’s die in stilte werden getest, keken langer naar fel licht, terwijl baby’s een voorkeur hadden voor dimlicht als ze waren blootgesteld aan een geluid. Hiervoor zijn twee mogelijke verklaringen:

• Baby’s koppelen input in de ene sensorische modaliteit aan input in de andere sensorische modaliteit. Baby’s hebben verschillende representaties voor visuele en auditieve input en kunnen de overeenkomst tussen beide identificeren.
• Baby’s zijn niet in staat om onderscheid te maken tussen de sensorische modaliteit van input en reageren enkel op niet-specifieke aspecten van de stimulus, zoals intensiteit of kwantiteit. De representaties van de twee sensorische modaliteiten zijn in de cortex gemengd, waardoor geen onderscheid tussen beide kan worden gemaakt.

Volgens het idee van verkaveling zijn verbindingen tussen sensorische representaties aanvankelijk niet-specifiek. Vervolgens worden deze verbindingen verloren, wat leidt tot een afnemende cross-modale invloed. Hierdoor ontstaat een meer specifieke cross-modale ‘matching’. Volgens deze verklaring zouden vroege cross-modale invloeden tijdens de ontwikkeling af moeten nemen. Er is een experiment uitgevoerd, waarbij baby’s een object visueel of tactiel aangeboden kregen, tot ze aan dit object gehabitueerd waren. Vervolgens werd hetzelfde object in de andere modaliteit aangeboden (visueel of tactiel). Als de baby’s in staat waren tot cross-modale habituatie, zouden ze gehabitueerd moeten blijven aan de vorm van het object en zouden ze er weinig interesse in tonen. Er werd geen cross-modale informatieoverdracht van aanraking naar zicht (of andersom) gevonden bij baby's van 5 maanden, maar wel bij baby's van 2-3 maanden. Dit is consistent met de toenemende verkaveling van sensorische input.

Er is gespeculeerd dat ongepaste cross-modale integratie zou kunnen ontstaan vanwege atypische ontwikkelingskenmerken zoals afwijkende patronen van verkaveling. In een experiment konden 11-jarige participanten een bepaald type linguïstisch herstel (discourse cohesion) beter detecteren dan volwassenen. De onderzoekers suggereren dat discourse cohesion regels toegankelijk zijn op een bepaald moment in de ontwikkeling en in de volwassenheid niet meer. Het discourse cohesion systeem wordt meer modulair en cognitief ondoordringbaar en gaat meer automatisch functioneren.

Het onderzoek naar neurale verkaveling wordt gekenmerkt door een aantal beperkingen en complicerende factoren:

• De verfijning van neurale verbindingen vindt ook plaats op subcorticaal niveau. Hoewel ook deze verkaveling gevolgen kan hebben voor gedrag, vindt veel van de verkaveling in deze structuren prenataal plaats;
• Sommige aspecten van de gedragsontwikkeling kunnen niet alleen worden toegeschreven aan verkaveling op het corticale niveau, maar ook aan een verschuiving van subcorticale naar corticale verwerking;
• Veel bewijs voor cognitieve specialisatie is afkomstig van prestaties die tijdens de ontwikkeling afnemen. Deze processen zouden echter niet plaatsvinden als ze niet uiteindelijk zouden leiden tot een voordeel; en
• Bij de toenemende verkaveling van neurale systemen is mogelijk ook sprake van de versterking van verbindingen, bijvoorbeeld door middel van dendritische groei.

De mechanismen die aan corticale specialisatie ten grondslag liggen, kunnen ook worden onderzocht door middel van kunstmatige neurale netwerken. Zo worden verbindingen in ‘corticale matrix’ modellen geëlimineerd op basis van variaties van de regel van Hebb: verbindingen tussen nodes die vaak samen actief zijn, worden versterkt, terwijl verbindingen tussen nodes die niet vaak samen actief zijn zwakker worden en geëlimineerd worden. In deze modellen speelt selectieve pruning een rol bij het ontstaan van clusters nodes (lokalisatie), die specifieke responseigenschappen delen (specialisatie).

13.5 Hoe ontstaan netwerken?

Hoewel er relatief veel inzicht is in de functionele hersenontwikkeling op het niveau van individuele hersengebieden, is er nog weinig inzicht in de manier waarop netwerken van gebieden ontstaan. ‘Kleine wereld’ netwerken zijn het meest efficiënt. In tegenstelling tot het roosterpatroon, wordt een kleine wereld netwerk gekenmerkt door een balans tussen lokale verbindingen en lange afstandsverbindingen. Bij de ontwikkeling van netwerken is er sprake van zowel segregatie (afnemende korte afstandsverbindingen) als integratie (toenemende lange afstandsverbindingen) van hersengebieden. De afname in korte afstandsverbindingen kan worden verklaard in termen van het perspectief van interactieve specialisatie. Terwijl aangrenzende gebieden steeds meer gespecialiseerd worden voor verschillende functies, worden ze minder vaak samen geactiveerd. Hierbij is mogelijk ook synaptische pruning betrokken. Het is echter moeilijker om vanuit dit perspectief de toename in lange afstandsverbindingen te verklaren.

Vanuit het rijpingsperspectief is deze toename het gevolg van het ontstaan of de versterking van relevante vezelbundels. De toename in functionele verbondenheid vindt echter plaats nadat de relevante lange afstand zenuwbundels al aanwezig zijn. Hoewel toenemende myelinisatie mogelijk een rol speelt, kan myelinisatie zelf een product zijn van de activiteit van een verbinding. Bovendien is een algemene toename in myeline geen verklaring voor de specificiteit van interregionale activiteit in functionele netwerken. De lange afstandsverbindingen zijn dus waarschijnlijk een activiteitsafhankelijk aspect van de hersenontwikkeling. Waarom en hoe beginnen bepaalde, ver weg gelegen hersengebieden in een functioneel netwerk samen te werken? De verbindingen tussen hersengebieden worden vaak versterkt of behouden, als de gebieden samen geactiveerd worden bij het uitvoeren van een bepaalde taak. Hoewel elk gebied gespecialiseerd wordt voor ene bepaalde functie, wordt deze specialisatie beïnvloed door het netwerk waartoe het gebied behoort. Ook spontane activiteit in rusttoestand heeft invloed op het versterken en elimineren van lange afstandsverbindingen.

Een derde reden waardoor verbindingen tussen hersengebieden worden versterkt, is gerelateerd aan het feit dat de meeste lange afstandsverbindingen verbonden zijn aan delen van de PFC. De PFC speelt een belangrijke rol bij de ontwikkeling in de kindertijd en bij de verwerving van vaardigheden in de volwassenheid. Het ‘knowledge-based cascade correlation’ model kan de kennis van andere netwerken oproepen, als dit nodig is voor het uitvoeren van een taak. Dit model kan voor het volgende een verklaring bieden:

• Waarom de PFC nodig is voor de verwerving van nieuwe vaardigheden;
• Waarom de PFC al vroeg in de ontwikkeling actief is, maar lang nodig heeft om volledig te ontwikkelen; en
• Waarom vroeg letsel aan de PFC effect kan hebben op vele domeinen.

Terwijl er tussen kinderen en volwassenen verschillen bestaan in de balans tussen korte en lange afstandsverbindingen, is de netwerkorganisatie in het brein van kinderen even efficiënt als in het brein van volwassenen. Of dit ook geldt voor baby’s en hele jonge kinderen, is niet duidelijk. Naast de verschuiving van lokale naar lange afstandsverbindingen, wordt de netwerkstructuur tijdens de ontwikkeling steeds meer hiërarchisch. Hoewel hiërarchische netwerken een aantal voordelen hebben, zijn ze minder plastisch en meer kwetsbaar voor letsel in de nodes aan de top van de hiërarchie. De netwerken van kinderen zijn mogelijk meer flexibel en plastisch in reactie op ongebruikelijke of atypische sensorische input of omgevingscontexten. Eén van de kenmerken van een hiërarchisch netwerk is het vermogen van een gebied om hoog verwerkte input terug te voeren naar de eerdere stadia van verwerking. Interacties tussen gebieden die aan elkaar verbonden zijn door feedback en ‘feed-forward’ verbindingen, kan bijdragen aan de specialisatie van hersengebieden. ‘Top-down’ effecten spelen een belangrijke rol bij de sensorische informatieverwerking. Er moet onderzoek worden gedaan naar twee implicaties van feedback:

• De manier waarop de specialisatie van vroege sensorische gebieden gevormd wordt door top-down feedback, en vice versa; en
• De gevolgen van relatief slechte of diffuse corticale feedback in de onvolwassen cortex.

Top-down feedback van de PFC speelt mogelijk een directe rol bij de vorming van functionele responseigenschappen van posterieure corticale gebieden. Onderzoeksbevindingen suggereren dat top-down feedback leiden tot een toename in de mate van specialisatie en lokalisatie. Sommige veranderingen in functionele specialisatie en lokalisatie kunnen dus een reflectie zijn van de toenemende invloed van coördinatie met andere gebieden, waaronder de PFC. Tot slot neemt de verbondenheid tussen de corticale en subcorticale structuren tijdens de ontwikkeling af. Dit impliceert dat de specialisatie van sommige corticale gebieden aanvankelijk meer gedomineerd wordt door structuren als de amygdala en hippocampus. Naarmate de leeftijd toeneemt, ontwikkelen netwerken een complexe hiërarchische structuur, die meer door de PFC wordt gedomineerd.

13.6 Hoe kunnen we dit alles samenvatten?

Interactieve specialisatie biedt grond voor ontwikkelingen in twee van de grootste issues in de cognitieve neurowetenschappen, namelijk lokalisatie (de mate van activatie in de cortex in een bepaalde situatie) en specialisatie (hoe gefinetuned de functionaliteit van een bepaald corticaal gebied is). Verkaveling is de vergrotende inkapseling van neurale circuits. Dit proces heeft een aantal consequenties, zoals een vermindering in interferentie en een vermindering in informatieoverdracht tussen neurale systemen. Met de ontwikkeling van de midden kindertijd veranderen corticale netwerken van lokaal naar meer langere afstand connectiviteit en worden deze netwerken minder verbonden met subcorticale gebieden. Ook ontwikkelen deze netwerken een meer hiërarchische structuur. Toch zijn hersennetwerken bij kinderen in de schoolleeftijd net zo efficiënt in het overbrengen en verwerken van informatie als de netwerken van volwassenen.

TentamenTicket

• De gevolgen van verkaveling zijn te onthouden aan drie kernwoorden die te onthouden zijn met ISI: informatie-uitwisseling, specificiteit, interferentie: (1) in afnemende mate informatie-uitwisseling tussen bepaalde hersensystemen; (2) toenemende specificiteit in sensorische detectie; en (3) minder interferentie tussen bepaalde hersensystemen. Dat de eerste afnemend, de tweede toenemend en de derde weer afnemend is, is visueel voor te stellen als dat de i minder ver in het alfabet zit dan de s (afnemend-toenemend-afnemend).

Wat is de toekomst van de cognitieve ontwikkelingsneurowetenschappen? - Chapter 14

Het eerste punt dat behandeld wordt in dit hoofdstuk is de moleculaire genetische analyse van cognitieve ontwikkeling. De rol van genen in functionele ontwikkeling kan alleen adequaat geïnterpreteerd worden vanuit een cognitieve neurowetenschappelijke ontwikkelingsbenadering. Daarna wordt de waarde van het modellen van neurale netwerken besproken waarbij contact gemaakt wordt met zowel neurale als cognitieve data. Deze benadering kan uitbreiden naar ontwikkelingsstoornissen en naar het bekijken van effecten van veranderingen in niveau's van neuromodulators. Het is belangrijk om meerdere methoden toe te passen op cognitieve veranderingen in de ontwikkeling.

14.1 Hoe zijn genen en cognitieve ontwikkeling aan elkaar gerelateerd?

Cognitieve functies zijn nooit het resultaat van één enkel gen, maar altijd van complexe interacties tussen genen, hun producten en meerdere omgevingsniveaus. De meeste genen hebben effecten op meerdere hersengebieden en andere organen. Cognitieve veranderingen kunnen dus niet geheel worden verklaard door genen.

14.2 Wat zijn de relaties tussen hersenstructuur en -functies in de ontwikkeling?

Er bestaat een discrepantie tussen de structurele en functionele hersenontwikkeling. Zo is er met betrekking tot de prefrontale cortex bewijs voor neuroanatomische veranderingen tot de adolescentie, terwijl baby’s al vanaf 6 maanden na de geboorte activiteit in dit hersengebied vertonen. Deze bevindingen zijn enkel een probleem voor het rijpingsperspectief, dat uitgaat van causale epigenese: het idee dat cognitieve veranderingen het gevolg zijn van de hersenontwikkeling. De onderzoeksresultaten kunnen worden verklaard vanuit een perspectief van probabilistische epigenese, waarbij er sprake is van wederkerige interacties tussen het brein en de cognitieve ontwikkeling. Er zijn drie mogelijke verklaringen:

• Representaties ontwikkelen zich geleidelijk en input helpt bij het afstemmen van de structuur van een netwerk;
• Dynamische veranderingen in de verbindingen tussen corticale gebieden leiden tot een reorganisatie van representaties; en
• Volgens het perspectief van interactieve specialisatie zijn gedetailleerde structurele veranderingen tijdens de postnatale ontwikkeling een gevolg van toenemende functionele specialisatie.

Connectionistische neurale netwerkmodellen kunnen inzicht geven in de interacties tussen intrinsieke en extrinsieke informatie tijdens de ontwikkeling. Om de mogelijke functionele gevolgen van ontwikkelingen in het brein te bestuderen, moeten modellen worden ontwikkeld die zowel neurale als cognitieve onderzoeksgegevens bevatten.

14.3 Wat is neuroconstructivisme?

Het perspectief van interactieve specialisatie is een specifiek voorbeeld van een meer algemene benadering van de neurale en cognitieve ontwikkeling: het neuroconstructivisme. Bij deze benadering wordt rekening gehouden met de interactie van het organisme met de externe omgeving. Deze meer ethologische kijk op de cognitieve ontwikkeling verandert op twee manieren het type representaties waar aandacht aan wordt besteed:

• Het gehele neurocognitieve pad (van input tot output) wordt onderzocht, omdat de structuur van de sensorische informatie en de aard van de representaties die nodig zijn voor het plannen van motoracties de mogelijke intermediaire representaties ernstig beperken. Het is dus nodig dat er modellen ontwikkeld worden die trachten het functioneren van verschillende hersensystemen in een bepaald domein in kaart te brengen; en
• Er wordt rekening gehouden met de omgeving waarin het organisme zich ontwikkelt, waardoor de informatie in mentale representaties relatief beperkt, maar alsnog adaptief kan zijn. De benodigde representatie is dus in een mate gedetailleerd, die voldoende is voor adaptief gedrag in een bepaalde context.

Het neuroconstructivisme heeft ook implicaties voor ontwikkelingsstoornissen. Een aantal factoren bemoeilijken het onderzoek naar het verband tussen cognitieve en neurologische tekorten:

• Als een relatief vroeg ontwikkelend hersengebied afwijkend is, heeft dit waarschijnlijk gevolgen voor later ontwikkelende gebieden. Waarschijnlijk zijn cognitieve tekorten het gevolg van een combinatie van primaire en secundaire neurale afwijkingen;
• De meest ernstige vormen van hersenletsel hebben waarschijnlijk invloed op het gehele hersensysteem, in plaats van op een specifiek hersengebied. Bij baby’s resulteert plaatselijk (focaal) hersenletsel vaak in compensatie op neuraal en cognitief niveau; en
• Ontwikkelingsstoornissen kunnen komen door wijdverspreide milde atypische patronen in synaptisch functioneren die ontstaan zijn tijdens de prenatale en vroege postnatale ontwikkeling. Zulke verstoringen kunnen lastig aan te passen zijn. Mogelijk kunnen verschillende soorten verstoringen resulteren in hetzelfde cognitieve profiel.

Binnen het constructivistische perspectief kunnen ontwikkelingsstoornissen worden bekeken in termen van Waddingtons epigenetische landschap. In dit landschap kan een verstoring vroeg in de ontwikkeling leiden tot een ander ontwikkelingspad. Echter, verschillende verstoringen kunnen leiden tot hetzelfde alternatieve ontwikkelingspad, wat resulteert in hetzelfde gedragsfenotype. Dit correspondeert met het feit dat bijvoorbeeld verschillende verstoringen kunnen resulteren in autistische symptomen. Verstoringen die later in de ontwikkeling plaatsvinden, worden volgens Waddington gecompenseerd door zelfregulerende processen, die uiteindelijk resulteren in hetzelfde gedragsfenotype. Dit correspondeert met de effecten van perinataal en vroeg postnataal hersenletsel. Natuurlijk is de kans op een afwijkend fenotype groter, naarmate de verstoring groter is. Voorbeelden hiervan zijn langdurige visuele of sociale deprivatie.

14.4 Welke kritiekpunten zijn er op de cognitieve ontwikkelingsneurowetenschappen?

Eén van de kritiekpunten op de cognitieve ontwikkelingsneurowetenschappen is dat er vooral gebruik wordt gemaakt van de nieuwe methoden voor het in kaart brengen van de structuur en het functioneren van het brein. Er is een gebrek aan een theoriegedreven benadering. Theorieën zijn echter nodig om de onderzoeksresultaten te kunnen interpreteren. Dit gebrek aan theoriegedrevenheid kan verklaard worden door de plotselinge toename in de hoeveelheid en de diversiteit van de onderzoeksgegevens, als gevolg van nieuw beschikbare methoden. Veel theorieën die gedrag succesvol verklaren, falen als geprobeerd wordt een verklaring te bieden voor de gerelateerde neurowetenschappelijke onderzoeksgegevens. Naarmate de hoeveelheid onderzoeksgegevens toeneemt, neemt de kans toe dat er tegenstrijdige onderzoeksgegevens worden gevonden. Dit vergroot ook de kans dat eerder succesvolle theorieën niet langer kloppen. Daarnaast is afstemming nodig op nieuwe types onderzoeksgegevens. In verband met de complexiteit van processen die betrokken zijn bij het functioneren van het brein, zijn veel theorieën van de cognitieve ontwikkeling te simplistisch. Een tweede kritiekpunt op de theorie in de ontwikkelingswetenschappen, is dat het verkeerde type theorieën wordt gebruikt voor het verklaren van de ontwikkeling van gedrag. Gesteld wordt dat bepaalde hypothesen reductionistisch of in ieder geval beperkt zijn. Ze zouden geen volledige cognitieve verklaring bieden voor cognitieve verandering. In verband met de interafhankelijkheid tussen de hersenontwikkeling en de cognitieve ontwikkeling, moeten theorieën ontwikkeld zijn die consistent zijn met verschillende niveaus van verklaring. Theorieën die consistent zijn wat betreft bewijs voor zowel de cognitieve ontwikkeling als de hersenontwikkeling, bieden een betere verklaring dan theorieën die beperkt zijn tot één niveau van observatie. Een goede theorie in de cognitieve ontwikkelingsneurowetenschappen moet aan de volgende voorwaarden voldoen:

• De theorie moet verband leggen tussen neurale observaties en gedragsobservaties en moet getest (en verworpen) kunnen worden door middel van zowel neurale observaties als gedragsobservaties;
• Theorieën moeten verklaringsmechanismen omvatten. Veel theorieën verklaren de toestand vóór en na een ontwikkelingsovergang, maar geven geen specificatie van de mechanismen die een rol spelen bij deze verandering; en
• Aangezien theorieën in de cognitieve ontwikkelingsneurowetenschappen veel en complexe informatie bevatten, moet een manier gevonden worden om deze theorieën begrijpelijk en verduidelijkend te presenteren.

Tot slot is het op de lange termijn goed om een heterogene mix te hebben van verschillende theorieën en om de data en tijd te laten selecteren welke theorie het beste past bij de realiteit.

14.5 Welke toepassingen zijn er van de cognitieve ontwikkelingsneurowetenschappen?

Inzicht in de functionele hersenontwikkeling heeft implicaties voor sociaal, onderwijsgerelateerd en klinisch beleid. Zo stelt het perspectief van interactieve specialisatie dat herstelstrategieën effectief kunnen zijn bij het verminderen van symptomen van een afwijkende ontwikkeling, mits deze vroeg worden ingezet, voordat de symptomen zich ontwikkelen tot een meer complex syndroom.

Een afwijkende vroege omgeving kan een negatief effect hebben op de ontwikkeling van het kind. Een voorbeeld hiervan is het opgroeien in armoede. Regeringen erkennen hoe cruciaal het niveau van de cognitieve ontwikkeling tijdens de eerste levensjaren is voor latere uitkomsten. Daarom zijn een aantal interventieprogramma’s ontwikkeld. Deze programma’s zijn echter niet ontwikkeld op basis van kennis over de cognitieve ontwikkeling en de hersenontwikkeling. In de toekomst moeten er vroege interventies voor kinderen die in armoede opgroeien worden ontwikkeld, die theoretisch onderbouwd zijn en op empirisch bewijs gebaseerd zijn.

Een ander potentieel gebied voor de toepassing van de cognitieve ontwikkelingsneurowetenschappen, is onderwijs. Tot nu toe is er weinig tot geen sprake geweest van samenwerking tussen de onderwijsdiscipline en de cognitieve ontwikkelingsneurowetenschappen. Vooruitgangen die in beide disciplines worden geboekt, creëren echter de mogelijkheid van een nieuwe discipline: de onderwijskundige neurowetenschappen.

TentamenTicket

• Een goede theorie in de cognitieve ontwikkelingsneurowetenschappen moet aan drie voorwaarden voldoen. Deze voorwaarden zijn te onthouden aan drie kernwoorden die ook alle drie met de ‘v’ beginnen: verband – verklaringsmechanismen – verduidelijkend: (1) de theorie moet verband leggen tussen neurale observaties en gedragsobservaties en moet getest kunnen worden met observaties; (2) theorieën moeten verklaringsmechanismen omvatten; en (3) aangezien theorieën veel en complexe informatie bevatten, moet een manier gevonden worden om deze theorieën verduidelijkend en begrijpelijk te presenteren.

Developmental cognitive neuroscience - BulletPoints

Wat zijn de perspectieven op de ontwikkeling van hersenen? - Chapter 1

• De cognitieve ontwikkelingsneurowetenschappen is ontstaan op het grensvlak van twee belangrijke vragen: (1) Wat is het verband tussen lichaam en geest, en dan vooral tussen het brein en mentale processen (cognitieve neurowetenschappen)? (2) Wat is de oorsprong van georganiseerde biologische structuren, zoals de structuur van het volwassen brein (ontwikkeling)?
• De uiterste perspectieven in het nature-nurture debat delen de aanname dat de benodigde informatie voor het volwassen brein voorafgaand aan het ontwikkelingsproces al aanwezig is. Het constructivisme stelt daarentegen dat biologische structuren het resultaat zijn van complexe interacties tussen genen en omgeving. Een bekende constructivist is Piaget. Aanvankelijk was er bij het constructivisme sprake van hetzelfde probleem als het vitalisme: de veranderingsmechanismen waren niet duidelijk gespecificeerd. Een ander probleem was, dat het onduidelijk was hoe de ontwikkeling geanalyseerd kan worden zonder de traditionele dichotomie tussen aangeboren en omgevingsfactoren. Tegenwoordig zijn er nieuwe manieren om de cognitieve en hersenontwikkeling te analyseren.
• Greenough, Black en Wallace maken een onderscheid tussen twee soorten informatieopslag. Veranderingen die het gevolg zijn van aspecten van de omgeving die gemeenschappelijk zijn voor alle leden van een soort, worden ‘ervaringsverwachte’ informatieopslag (soort-typisch) genoemd. Het tweede type informatieopslag wordt ‘ervaringsafhankelijke’ informatieopslag (individu-specifiek) genoemd. Dit type verwijst naar interacties met de omgeving die specifiek zijn voor een individu en gerelateerd zijn aan de vorming van nieuwe synaptische verbindingen. In de cognitieve neurowetenschappen kan onderzocht worden in welke mate welke aspecten van een bepaald neuraal circuit aangeboren zijn (het product van interacties binnen een organisme, niet gevoelig voor ervaring). Verschillende aspecten van hersenstructuur en –functies zijn waarschijnlijk in verschillende mate gevoelig voor de effecten van ervaringen na de geboorte.
• Bestaande epigenese: er is een unidirectioneel causaal pad van de genen naar structurele veranderingen in het brein naar hersenfuncties en ervaring (genen, hersenstructuur, hersenfuncties, ervaring). Specifieke cognitieve mechanismen zijn op een bepaalde leeftijd aanwezig ofwel afwezig. Probabilistische epigenese: de interacties tussen genen, structurele hersenveranderingen en functies zijn bidirectioneel (genen, hersenstructuur, hersenfuncties, ervaring). Het brein heeft vroeg in de ontwikkeling verschillende mogelijke ontwikkelingspaden en eindproducten. Het eindproduct is afhankelijk van de interacties tussen genen en omgeving.
• Specifieke neurocognitieve tekorten kunnen het gevolg zijn van diffuus letsel aan meerdere hersengebieden. Hersenletsel in de prenatale ontwikkeling kan leiden tot een ander ontwikkelingspad. Het is echter mogelijk dat verschillende soorten hersenletsel leiden tot hetzelfde eindproduct (fenotype). Dit correspondeert met de valleien in Waddington’s epigenetische landschap. Hersenletsel later in het leven wordt daarentegen vaak gecompenseerd door andere delen van het brein. Dit correspondeert met Waddington’s zelforganiserende adaptatie, waarbij een organisme binnen een bepaalde vallei wordt gehouden. Dit resulteert in hetzelfde algemene fenotype.

Welke onderzoeksstrategieën zijn er? - Chapter 2

• De meeste methoden die worden gebruikt in onderzoek naar het functioneren van het jonge menselijk brein, zijn methoden die ook al gebruikt worden bij onderzoek naar de hersenen van volwassenen. ‘High-density event-related potentials’ (HD-ERP) is een methode waarbij de elektrische activiteit van het brein wordt opgenomen door middel van elektroden op het oppervlak van de hoofdhuid. Deze sensoren detecteren kleine veranderingen in elektrische spanning als gevolg van groepen neuronen die samen vuren. Er kunnen verschillende soorten elektrische activiteit worden gemeten: (1) natuurlijke elektrische ritmes van het brein: elektro-encefalografie (EEG); (2) elektrische hersenactiviteit in reactie op een gebeurtenis: ‘event-related-potentials’ (ERPs); en (3) hoge-frequentie EEG die gerelateerd lijkt te zijn aan stadia van informatieverwerking: event-related oscillations (EROs).
• Er zijn ontwikkelingsstoornissen met een complexe genetische basis, waarbij meerdere genen een klein effect hebben. Een voorbeeld hiervan is autisme. Uit onderzoek kan geconcludeerd worden dat bij autisme vele genen betrokken zijn, die ieder een klein effect hebben. Waarschijnlijk zijn er meerdere combinaties van genetische factoren die kunnen leiden tot autisme. Er is ook bewijs voor een interactie van genen met omgevingsfactoren. De belangrijkste symptomen van autisme zijn beperkingen in sociale interactie, zoals het vermijden van oogcontact en beperkingen in cognitieve vaardigheden en taalvaardigheden. WS is een relatief zeldzame stoornis met een genetische oorsprong. Dit syndroom is ook wel bekend als ‘infantile hypercalcemia’. Het brein van kinderen met WS is ongeveer 80-85% van het volume van een normaal brein, maar er lijkt geen sprake te zijn van grote abnormaliteiten of letsel. Er is wel enig bewijs voor een relatieve toename in volume van bepaalde delen van het cerebellum. Het patroon van beperkingen in vermogens bij WS lijkt tegenovergesteld te zijn aan de tekorten in vermogens bij autisme. Zo is er bij autisme sprake van gebrekkige sociale vaardigheden, terwijl dit niet het geval is bij WS. Hierdoor ontstond de hypothese dat het sociale hersensysteem bij WS intact is, terwijl dit beschadigd is bij autisme. Hoewel uit onderzoek blijkt dat dit te gesimplificeerd is, illustreert dit wel het nut van het vergelijken van verschillende ontwikkelingsstoornissen.
• Het brein kan op vier niveaus worden beschreven: (1) grove anatomie van het brein; (2) hersengebieden met een tekort; (3) functionele neurale systemen en paden; en (4) neurochemie en microcircuit: stoffen, dendrieten en synapsen.

Hoe ziet het pad van gen naar hersenen eruit? - Chapter 3

• De structuur van DNA, de spiraalvormige dubbele helix, is op twee manieren gerelateerd aan haar functie van het behouden en overdragen van informatie: (1) DNA bevat twee nucleotide strengen die uit elkaar gehaald kunnen worden, als de genetische informatie tijdens de celdeling gekopieerd moet worden, en (2) dlke streng bevat een code, die bestaat uit verschillende volgordes van vier nucleotide bases (adenine, guanine, thymine en cytosine). Deze nucleotiden gedragen zich als twee zijden van een rits, waarbij adenine en thymine complementair zijn en guanine en cytosine complementair zijn.
• Uit onderzoek onder dieren blijkt dat de manier waarop genen tot uitdrukking komen, beïnvloed wordt door de vroege omgeving. Zo blijkt uit onderzoek onder ratten, dat wanneer een pasgeboren rat vaak door de moeder wordt gelikt, het later minder angstig is en minder last heeft van stressreacties dan ratten die minder vaak gelikt worden. Deze verzorging door de moeder zet biochemische reacties in gang die de activiteit van de mechanismen reguleren die geassocieerd zijn met de expressie van genen (het epigenoom). Vroege sensorische ervaringen kunnen levenslange effecten hebben door middel van permanente veranderingen in de timing en hoeveelheid verschillende eiwitten die door de genen tot uitdrukking komen.
• Mogelijk kan het best onderzoek worden gedaan naar de genen die een rol spelen bij hersenplasticiteit en informatieoverdracht via synapsen. Er kan onderzoek worden gedaan naar veranderingen in de expressie van genen. Een voorbeeld is het immediate early gen. Dit type genen is betrokken bij snelle veranderingen in het brein, die plaatsvinden tijdens de ontwikkeling en tijdens leren. In de toekomst kan de bijdrage van de expressie van genen mogelijk worden onderzocht door de effecten van genexpressie te simuleren en te vergelijken met echte neurobiologische systemen.
• FOXP2 is een transcriptie factor. De functie van dit gen is het omzetten van andere delen van het DNA in RNA, dat eiwitten maakt. Hierdoor is het gen in staat om invloed uit te oefenen op de handelingen van een aantal andere genen. Waarschijnlijk hebben vele verschillende genen invloed op taal, waarbij elk gen een klein effect heeft op het uiteindelijke resultaat. Ook FOXP2 heeft meerdere rollen in verschillende organen, die kunnen verschillen tussen soorten en tussen ontwikkelingsmomenten in dezelfde soort.

Hoe geschiedt de ontwikkeling van de hersenen? - Chapter 4

• De meeste sensorische informatie gaat via de thalamus naar de cortex. Daarom denken sommigen dat de thalamus ook een belangrijke rol speelt bij de corticale ontwikkeling. De informatieoverdracht tussen thalamus en cortex is echter niet unidirectioneel. Sommige output van de cortex gaat naar gebieden die betrokken zijn bij motorische controle, zoals de basale ganglia. De informatieoverdracht naar en van de cortex is dus grotendeels bidirectioneel. Daarom is het van belang om de termen ‘input’ en ‘output’ niet te verwarren met ‘sensorisch’ en ‘motorisch’.
• Na de bevruchting begint de celdeling, wat resulteert in een klompje cellen (blastocyste). Binnen een paar dagen ontwikkelt de blastocyste zich tot een structuur, bestaande uit drie lagen (de embryonale disk). Elk van deze lagen ontwikkelt zich tot een orgaan: (1) endoderm (binnenste laag): interne organen, zoals het spijsverteringskanaal en het ademhalingsstelsel; (2) mesoderm (middelste laag): het skelet en de spieren; en (3) ectoderm (buitenste laag): de huid en het zenuwstelsel (inclusief de perceptuele organen).
• Neuronen en gliacellen ontstaan door de deling van cellen in de proliferatieve zones. Neuroblasten produceren neuronen en glioblasten produceren gliacellen. Een recente hypothese stelt dat de natuur geprofiteerd heeft van bepaalde vormen van mutaties tijdens de evolutie, zodat meerdere types neuronen geproduceerd zouden worden. Als jonge neuronen gevormd zijn, moeten ze van de proliferatieve zone migreren. Er zijn twee soorten migratie: (1) passieve celverplaatsing: gevormde cellen worden door nieuwgevormde cellen verder van de proliferatieve zone geduwd. Dit leidt tot een ‘outside-in’ patroon, waarbij de oude cellen naar het oppervlak van het brein worden geduwd, terwijl de nieuwere cellen dichterbij de plaats van vorming blijven. Passieve migratie leidt tot onder andere het ontstaan van de thalamus, en (2) actieve celverplaatsing: de nieuwe cellen gaan langs de ouder gevormde cellen. Dit leidt tot een ‘inside-out’ patroon en wordt gevonden in de cerebrale cortex en sommige subcorticale gebieden met een gelaagde structuur.
• Vanaf de geboorte tot de adolescentie neemt de grootte van het brein aanzienlijk toe. Dit kan niet worden toegeschreven aan een toename in het aantal neuronen, omdat de meeste neuronen tijdens de prenatale ontwikkeling worden gevormd. Tijdens de postnatale ontwikkeling vindt echter wel een enorme toename plaats in synapsen, dendrieten en axonen. De grootte en complexiteit van de dendrieten van de meeste neuronen neemt toe, waardoor cellen meer gespecialiseerd worden. Ook de dichtheid van synapsen neemt toe. De toename in synapsen (synaptogenese) begint al rond de geboorte, maar de ‘groeispurt’ en het bereiken van de piek gebeurt in verschillende gebieden op verschillende leeftijden. Een ander proces dat bijdraagt aan de toenemende grootte van het brein, is myelinisatie. Hierbij wordt een vettig laagje om de axonen gevormd. Myelinisatie gebeurt in verschillende hersengebieden op verschillende momenten in de ontwikkeling. Door dit proces kunnen impulsen sneller worden overgedragen. Hierbij moet echter opgemerkt worden, dat ook zonder myelinisatie signalen overgedragen kunnen worden.
• De meeste neuronen worden buiten de cortex gevormd en moeten dus migreren naar locaties in de cortex. Rakics ‘radial unit model’ van neocorticale differentiatie verklaart hoe zowel de regionale (‘areal’) als de gelaagde structuur van de cerebrale cortex ontstaat. Dit model stelt dat de gelaagde structuur bepaald wordt door het feit dat elke proliferatieve eenheid ongeveer honderd neuronen vormt. De neuronen van elke proliferatieve eenheid migreren naar dezelfde radial glial fiber: een baan die zich uitstrekt van de bovenkant tot de onderkant van de cortex. Radial glial fibers zijn een soort touw, om ervoor te zorgen dat alle neuronen naar de juiste plek migreren. Het laatst gevormde neuron verplaatst zich hierbij langs eerder gevormde neuronen. Het is echter gebleken dat niet alle migratie dit model volgt. Pyramidecellen worden afgewisseld met verschillende interneuronen die helpen met het in balans houden van excitatie en inhibitie in de cortex.
• Onderzoek heeft tot dusver aangetoond dat de gelaagde structuur van de cortex waarschijnlijk ontstaat uit lokale cellulaire en moleculaire interacties, in plaats van dat deze structuur gevormd wordt door thalamische en sensorische input. Dit betekent dat de identiteit en locatie van neuronen al bepaald zijn, voordat de neuronen gevormd zijn. Inkomende axonen weten als het ware in welke laag ze moeten stoppen met groeien en synaptische contacten moeten leggen. Er zijn twee mogelijke verklaringen voor de verdeling van de hersenen in gebieden: (1) de areal differentiatie van de cortex is het gevolg van een protomap. Deze differentiatie vindt vroeg in de vorming van de cortex plaats en is het resultaat van intrinsieke factoren (van de cortex of de proliferatieve zones). Er is geen activiteit van neuronen bij nodig of (2) de areal differentiatie van de cortex is het gevolg van een ongedifferentieerde protocortex. Differentiatie vindt later in de ontwikkeling van de cortex plaats en is afhankelijk van extrinsieke factoren, zoals input uit andere hersengebieden of sensorische systemen. Hiervoor is activiteit van neuronen vereist. De areal differentiatie wordt beïnvloed door informatie vanuit de thalamus en vanuit interacties met andere hersengebieden.
• Hoewel intrinsieke factoren een rol spelen bij de differentiatie van de cortex vroeg in de ontwikkeling, is de input die een hersengebied ontvangt van belang bij het behouden en de verdere ontwikkeling van deze differentiatie. Neurale activiteit kan de functie en neuroanatomie van een hersengebied veranderen.
• Behalve ontwikkelingen in de neuronen en ‘wiring’ van het brein, zijn er ook ontwikkelingsveranderingen in de ‘soft soak’ aspecten van neurale functie. Soft soak verwijst naar de stoffen die betrokken zijn bij de overdracht en modulatie van neurale signalen. Er zijn twee soorten neurotransmitters: intrinsieke (ontstaan binnen de cortex) en extrinsieke (ontstaan buiten de cortex). De intrinsieke neurotransmitters kunnen verder worden verdeeld volgens het effect dat ze hebben: stimulerend of remmend. De intrinsieke, stimulerende neurotransmitter glutamaat speelt een rol bij de axonen van piramidecellen, die informatie overdragen naar andere (sub)corticale gebieden. Na de geboorte neemt het aantal receptoren voor de transmitter toe, en vervolgens af. Dit patroon van toe- en afname lijkt ook te gelden voor de intrinsieke, inhiberende neurotransmitter GABA. Uit onderzoek blijkt dat de niveaus van GABA beïnvloed kunnen worden door de mate van sensorische ervaring. Extrinsieke neurotransmitters ontstaan op verschillende subcorticale locaties.
• Verschillende hoogtepunten in de ontwikkeling zijn hetzelfde bij mensen en dieren, maar de timing van de ontwikkeling van menselijke hersenen is langzamer en uitgerekter, wat leidt tot de ontwikkeling van meer cortex. Het hersenvolume verviervoudigt tussen de geboorte en de volwassenheid, voornamelijk vanwege vermeerderingen van axonen, dendrieten en myelinisatie. Verschillende metingen van structuur en neurofysiologie laten een karakteristiek stijgen-en-dalen zien tijdens de postnatale ontwikkeling. Wat betreft de protomap en protocortex hypothese wordt momenteel voor een middenweg gepleit, waarbij grote gebieden van tevoren vaststaan, terwijl de kleinere, hogere orde gebieden activiteitafhankelijke processen vereisen. De uitgerekte periode van postnatale ontwikkeling van menselijke hersenen laat twee differentiële aspecten zien die niet terug te vinden zijn in andere primaten: een inside-out patroon van de ontwikkeling van lagen en verschillen in de timing van de ontwikkeling van gebieden. Deze aspecten bieden de basis voor associaties tussen de ontwikkeling van hersenen en de ontwikkeling van cognitie.

Hoe geschiedt de ontwikkeling van zicht, visuele oriëntatie en visuele aandacht? - Chapter 5

• Het centrale visuele veld van de meeste primaten is binoculair, waarbij de informatie van de twee ogen geïntegreerd moet worden. Deze integratie vindt plaats in de primaire visuele cortex, in de oculaire dominantiekolommen. Deze kolommen bevinden zich in laag 4 van de primaire visuele cortex en ontstaan door de scheiding van input vanuit beide ogen. Neuronen in één oculaire dominantiekolom worden gedomineerd door input vanuit één oog. Er bestaat een kritieke periode voor de ontwikkeling van deze kolommen en ze zijn gevoelig voor de verschillende mate van input vanuit de twee ogen.
• Bij visuele oriëntatie is er sprake van een integratie tussen sensorische input en motorische output: in reactie op of in verwachting van een nieuwe sensorische stimulus worden de ogen en het hoofd bewogen. In het eerste levensjaar wordt informatie met name door middel van visuele oriëntatie verzameld. Bronson stelde dat de ontwikkeling van zicht en visuele oriëntatie toegeschreven kan worden aan een verschuiving van subcorticale visuele verwerking naar verwerking in corticale visuele gebieden. Het functioneren van de hersenen ontwikkelt zich geleidelijk, daarnaast zijn er meerdere neurale systemen betrokken bij de controle van oogbewegingen en aandachtsverschuivingen.
• De drie perspectieven op de ontwikkeling van hersenfuncties, hebben ieder een andere kijk op het leggen van een verband tussen deze verschillende paden en de ontwikkeling van visuomotorische competentie: (1) rijpingsperspectief: de ontwikkeling van de verschillende paden moet gerelateerd worden aan het ontstaan van nieuwe functies, zoals gemeten door marker tasks, (2) vaardigheidsperspectief: het brein moet de vaardigheid verwerven om nauwkeurige en informatieve saccades te genereren, en dus zijn hersengebieden van belang die betrokken zijn bij de verwerving van vaardigheden, en (3) perspectief van interactieve specialisatie: sommige paden hebben aanvankelijk slecht gedefinieerde grenzen en functies, en worden alleen door ervaring van elkaar onderscheidbaar.
• Johnson stelde de volgende volgorde voor van de ontwikkeling van corticale paden, die ten grondslag liggen aan de controle van oogbewegingen: (1) het subcorticale pad van het oog naar de superior colliculus, (2) de corticale projectie, die het pad van de superior colliculus inhibeert, (3) het pad door het middelste temporele gebied en (4) het pad met de frontale oogvelden en gerelateerde structuren.
• Vector sum reactie: er wordt één oogbeweging gemaakt, die gericht is tussen de twee stimuli. Retinocentrische reactie: er worden twee oogbewegingen gemaakt, waarvan de eerste naar één van de stimuli. De tweede oogbeweging is daarentegen gericht op de locatie op het netvlies waar de andere stimulus oorspronkelijk was verschenen. Voor een correcte tweede oogbeweging moeten baby’s rekening houden met het feit dat de positie van de ogen is veranderd, en moeten ze vervolgens een oogbeweging ‘berekenen’ naar de juiste locatie van de stimulus. Egocentrische reactie: er worden twee oogbewegingen gemaakt, waarvan de eerste gericht is op de ene stimulus en de tweede op de andere stimulus. Hierbij wordt gebruik gemaakt van niet-retinale informatie om de tweede oogbeweging te plannen.
• Tot nu toe lag de focus op 'overt’ aandachtsverschuivingen door middel van oog- en hoofdbewegingen. Volwassenen zijn echter ook in staat tot ‘covert’ aandachtsverschuivingen, waarbij de ogen niet worden bewogen. Hierdoor worden bepaalde locaties of objecten in het gezichtsveld beter verwerkt dan andere. Een kort getoonde cue trekt covert aandacht naar de locatie van deze cue. Dit faciliteert de detectie van stimuli die kort daarna op diezelfde plek worden getoond. Oogbewegingen naar deze locatie worden echter geïnhibeerd als er een langere periode is tussen de cue en het verschijnen van de stimulus. Dit fenomeen wordt ook wel ‘inhibition of return’ genoemd. Mogelijk is dit een evolutionair mechanisme, dat voorkomt dat aandacht opnieuw wordt gericht op een recentelijk verwerkte locatie. Het posterieure aandachtsnetwerk is een hersensysteem dat de posterieure pariëtale kwab, de pulvinar colliculus en de superieure colliculus omvat. Gesuggereerd wordt dat letsel aan dit hersensysteem het vermogen beperkt om covert aandacht te richten op een locatie waar een cue verschijnt. De pariëtale kwab ontwikkelt zich tussen 3 en 6 maanden na de geboorte, het is dus de vraag of baby’s in deze periode in staat worden tot covert aandachtsverschuivingen.
• Retinale ontwikkeling en hersenveranderingen verklaren beide delen van verbeteringen in basale visuele functies. De toenemende scheiding van input van de twee ogen in laag 4 in V1 kan gezien worden als resultaat van een zelf-organiserend neuraal netwerk dat beperkt wordt door bepaalde intrinsieke en extrinsieke factoren. Uit een recent onderzoek bleek dat duur van fixatie geassocieerd is met aandacht en uit een ander onderzoek bleek dat aspecten van visuele oriëntatie getraind kunnen worden met eyetracking. Verschillende veranderingen in flexibiliteit en snelheid van aandachtsverschuivingen vinden hun oorsprong in de babytijd, maar blijven doorgaan in de kindertijd. Sommige zijn gerelateerd aan genetische variaties en kunnen aangetast zijn in bepaalde stoornissen.

Hoe geschiedt het proces met betrekking tot objecten en aantallen? - Chapter 6

• r is bewijs dat de verwerking van visuele informatie over objecten plaatsvindt in twee relatief aparte hersensystemen: (1) dorsale route: het ‘waar-pad’ of het ‘actiepad’ wat loopt van de primaire visuele cortex naar de pariëtale cortex; en (2) ventrale route: het ‘wat-pad’ of het ‘perceptiepad’ wat loopt van de primaire visuele cortex naar de temporale kwab.
• De drie perspectieven op de functionele hersenontwikkeling hebben verschillende hypothesen over de ontwikkeling van de dorsale en ventrale route: (1) rijpingsperspectief: onderzocht moet worden welk pad zich het eerst ontwikkelt, en of de ontwikkeling van dit pad een verklaring is voor de ontwikkeling van objectverwerking. Er is echter geen consistent bewijs voor de vraag of het dorsale of ventrale pad zich als eerst ontwikkelt, (2) vaardigheidsperspectief: er moet onderzoek worden gedaan naar de verwerving van perceptuele herkenningsvaardigheden in het ventrale pad, en naar de verwerving van sensomotorische integratievaardigheden in het dorsale pad. Ook kan worden onderzocht of er tijdens de ontwikkeling interacties ontstaan tussen de verwerking in de twee paden, en (3) perspectief van interactieve specialisatie: de twee paden zijn aanvankelijk moeilijk van elkaar te onderscheiden. Tijdens de ontwikkeling worden de twee paden meer gespecialiseerd, gaan ze minder interacteren en worden ze minder vaak tegelijkertijd geactiveerd.
• In dit hoofdstuk zal de focus liggen op de hypothese dat de discrepantie tussen kijk- en reiktaken het gevolg is van een gebrek aan integratie tussen het dorsale en ventrale visuele pad. Deze hypothese stelt dat er voor handelingen gericht op een verborgen object, interactie tussen de twee paden noodzakelijk is. Dit idee is door middel van een connectionistisch model onderzocht. Dit 'dual route' verwerkingsmodel bevat twee routes en een integrerend component: (1) objectherkenning (gelijk aan het ventrale pad): ontwikkelt een ruimtelijk onveranderlijke representatie van een object; (2) trajectvoorspelling (gelijk aan het dorsale pad): voorspelt de volgende positie van het object op het netvlies; en (3) responsintegratie: coördineert en gebruikt informatie over de positie en identiteit van het object, integreert de interne representaties van de paden van objectherkenning en trajectvoorspelling.
• Bij volwassenen voeren het dorsale en ventrale pad verschillende berekeningen uit op objecten, waarbij het ventrale pad betrokken is bij de identificatie en herkenning en het dorsale pad bij handelingen met objecten. Functionele imaging studies bij kinderen laten zien dat het patroon van activiteit in het ventrale en dorsale pad lijkt op dat van volwassenen op schoolleeftijd. Er is meer onderzoek nodig naar de ontwikkeling van specialisatie vóór deze leeftijd en het is nodig dit vroege traject te vergelijken met de uitgerektere ontwikkeling van gezichtsverwerking.

Hoe geschiedt waarnemen en handelen met betrekking tot de sociale wereld? - Chapter 7

• Volwassenen hebben hersengebieden voor de verwerking en integratie van sensorische informatie over de verschijning, het gedrag en de intenties van anderen. Het sociale brein omvat de superieure temporale sulcus (STS), de fusiforme face area (FFA) en de orbitofrontale cortex. Er bestaat geen consensus over de oorsprong van het sociale brein en over de mate waarin het sociale brein door ervaring ontstaat. De ‘theory of mind’ is het vermogen om andermans gedrag te begrijpen. Dit vermogen wordt geassocieerd met verschillende hersenstructuren, waarbij de neurale activiteit in de verschillende hersengebieden mogelijk een reflectie is van verschillende aspecten van theory of mind. Zo is de amygdala betrokken bij het begrijpen van emoties.
• De drie perspectieven op de functionele hersenontwikkeling hebben ieder een eigen hypothese over de oorsprong van het sociale brein: (1) rijpingsperspectief: door middel van evolutie zijn bepaalde delen van het brein toegewezen aan de verwerking van sociale informatie. Sommige structuren functioneren al bij de geboorte, terwijl andere gebieden door postnatale rijping functioneel worden. De gehele rijping kan door ervaring versneld of vertraagd worden, maar de volgorde van rijping van hersengebieden blijft hetzelfde, (2) vaardigheidsperspectief: sommige delen van het sociale brein zijn bij sociale stimuli betrokken, omdat deze visuele input ontvangen, waar we de meeste ervaring mee hebben. We ontwikkelen dus een hoger niveau van perceptuele expertise voor sociaal relevante visuele input. Pasgeboren baby’s hebben nog geen specifieke reacties op sociale stimuli, en (3)erspectief van interactieve specialisatie: het sociale brein ontstaat als netwerk, dat in toenemende mate aangepast wordt op relevante stimuli en gebeurtenissen (activiteitsafhankelijk). Interacties tussen meer primitieve hersensystemen en de omgeving produceren het sociale brein.
• Drie hypothesen over de basis van het voorkeurgedrag van pasgeboren baby’s: (1) sensorische hypothese: de visuele voorkeuren van pasgeboren baby’s worden bepaald door psychofysiologische eigenschappen van de stimuli. Deze hypothese is consistent met het vaardigheidsperspectief, omdat niet aangenomen wordt dat er vroeg in het leven al een domein-specifieke bias bestaat. Recent onderzoek stelt dat voorkeur voor gezichten niet alleen beïnvloed wordt door sensorische informatie, maar ook door hoe dit gerelateerd is aan de sensorische receptoren van de baby zelf, dus de ruimtelijke resonantie tussen de ogen in het lichaam van de baby zelf en de ogen in de stimulus is een belangrijke factor, (2) de hypothese dat pasgeboren baby’s al complexe gezichtsrepresentaties hebben. Deze hypothese is consistent met het rijpingsperspectief, omdat er domeinspecifieke circuits nodig zijn die al vóór het opdoen van ervaringen bestaan, en (3) de hypothese dat het brein van pasgeboren baby’s een ‘face biasing system’ (“Conspec systeem”) bevat. Dit systeem zorgt voor de neiging om zich op gezichten te oriënteren. Deze hypothese is consistent met het perspectief van interactieve specialisatie. De invloed van sensorische factoren wordt niet uitgesloten, maar een simpele versie van het vaardigheidsperspectief wordt beschouwd als onwaarschijnlijke verklaring voor de ontwikkeling van gezichtsverwerking.
• Er is bewijs dat de voorkeur voor gezichten van pasgeboren baby’s zijn oorsprong vindt in subcorticale sensomotorische paden. Naar aanleiding hiervan hebben Morton en Johnson een twee-proces theorie van gezichtsvoorkeuren van baby’s voorgesteld, die overeenkomt met de theorie van inprenting bij kuikens. De twee processen zijn: (1) een systeem dat bereikt wordt via het subcorticale visuomotorische pad en verantwoordelijk is voor de voorkeur voor het volgen van gezichten. De invloed van dit systeem op gedrag neemt tijdens de tweede levensmaand af, mogelijk door inhibitie door ontwikkelende corticale circuits, en (2) een systeem dat afhankelijk is van een bepaalde mate van corticale rijping en van blootstelling aan gezichten in de eerste twee levensmaanden. Dit systeem begint voorkeuren van baby’s rond de tweede of derde levensmaand te controleren.
• Terwijl Johnson en Morton suggereerden dat de superior colliculus betrokken is bij de voorkeur voor gezichten, is het ook mogelijk dat de pulvinar hierbij betrokken is. Delen van de pulvinar ontvangen input van de superior colliculus. Daarnaast heeft de pulvinar wederkerige verbindingen met frontale, temporale en pariëtale gebieden en met de anterior cingulate en de amygdala. Elk van de drie perspectieven op de functionele hersenontwikkeling heeft een andere hypothese over de manier waarop gezichtsverwerking ontstaat: (1) rijpingsperspectief: er ontstaan geleidelijk nieuwe breinmodules, die gerelateerd zijn aan aspecten van het vermogen tot gezichtsverwerking, (2) vaardigheidsperspectief: de FFA wordt actief, terwijl de perceptuele vaardigheid van gezichtsverwerking wordt verworven, en (3) perspectief van interactieve specialisatie: tijdens de ontwikkeling specialiseren hersengebieden zich voor het verwerken van gezichten.
• Een meer complex kenmerk van het volwassen sociale brein is de verwerking van informatie over de ogen van andere mensen. Hierbij is sprake van twee belangrijke aspecten: (1) het vermogen om de richting van andermans blik te detecteren, zodat je je eigen aandacht op hetzelfde object of dezelfde locatie kan richten. Deze ‘joint attention’ wordt van belang geacht voor een aantal aspecten van de cognitieve en sociale ontwikkeling, waaronder het leren van woorden, en (2) het vermogen om een directe blik te detecteren, wat oogcontact mogelijk maakt. Oogcontact wordt van belang geacht voor de sociale ontwikkeling.
• Bewijs vanuit de neurologische ontwikkeling van gezichtsverwerking is inconsistent met het rijpingsperspectief. De lange termijn effecten van vroege deprivatie en biases bij baby's zijn ook niet passend bij het vaardigheidsperspectief. Complexe representaties in de hersenen voor verwerking van informatie over mensen, hun gedachten en hun mogelijke acties zijn het resultaat van een combinatie van factoren: biases om aandacht te richten op sociaal relevante stimuli, de aanwezigheid van andere mensen die interactie met het kind zoeken en de basale architectuur van het brein met zijn biases en connectiepatronen. Een uitdaging voor dit perspectief van interactieve specialisatie is het bedenken van hypotheses over de consequenties van dat het sociale netwerk in het begin gemixt is met andere corticale netwerken.

Wat is bekend omtrent het geheugen? - Chapter 8

• Expliciete (declaratieve, cognitieve) herinneringen: herinneringen die bewust kunnen worden opgeroepen. Impliciete (non-declaratieve, procedurele, niet-cognitieve) herinneringen: herinneringen die zich uiten in perceptuele of motorische vaardigheden.
• Uit onderzoek blijkt dat er verder onderscheid gemaakt kan worden binnen het expliciete en impliciete geheugen. Het expliciete geheugen omvat semantische herinneringen voor feiten, die niet worden geassocieerd met een bepaalde context en episodische herinneringen voor gebeurtenissen die worden geassocieerd met de ruimtelijk-temporele context waarin ze ervaren zijn. Bij HM was alleen het expliciete geheugen beschadigd. Dit type geheugen is afhankelijk van de mediale temporale kwabben. Binnen dit systeem is de hippocampus waarschijnlijk vooral betrokken bij het episodische geheugen.
  Het impliciete geheugen omvat vele verschillende vaardigheden, die gemedieerd worden door verschillende hersengebieden.
• Volgens Schacter en Moscovitch zijn de hersenmechanismen die nodig zijn voor de lange termijn opslag van informatie en zich waarschijnlijk in de mediale temporale kwab bevinden, de eerste twee levensjaren waarschijnlijk nog niet functioneel. Bachevalier en Mishkin wezen op de overeenkomsten tussen het geheugen van volwassenen met letsel aan het mediale temporale systeem (waarbij sprake is van tekorten in het expliciete geheugen) en het geheugen van baby’s. Naar aanleiding hiervan wordt de hypothese opgesteld, dat baby’s aanvankelijk steunen op het impliciete geheugen en dat het expliciete geheugen later tevoorschijn komt. Uit onderzoek blijkt dat apen op jongere leeftijd beter taken volbrengen die een beroep doen op het impliciete geheugen dan taken die een beroep doen op het expliciete geheugen. Volgens Bachevalier en Mishkin wordt dit verklaard door de langere postnatale ontwikkeling van de mediale temporale kwabben. Deze verklaring kan mogelijk ook op menselijke baby’s worden toegepast, omdat ook zij op jongere leeftijd de taken volbrengen die een beroep doen op het impliciete geheugen.
• Er is enige mate van expliciet geheugen bij baby's, maar dit ontwikkelt zich in het eerste levensjaar. Types van impliciet geheugen, afhankelijk van subcorticale structuren zoals het cerebellum en de basale ganglia, zijn al bij de geboorte aanwezig of kort daarna. Rijping van de mediale temporale kwabben en hun connecties met de frontaalkwab zijn belangrijk bij de ontwikkeling van het geheugen. Bij de meeste geheugentaken zijn waarschijnlijk meerdere geheugensystemen betrokken. Een gebrek aan rijpheid in het ene systeem kan worden gemaskeerd door compenserende activiteit in een ander systeem. Mogelijk verandert tijdens de postnatale ontwikkeling vooral de mate van integratie tussen verschillende geheugensystemen. Naar deze mogelijkheid moet meer onderzoek worden gedaan.

Welk gedeelte van het brein speelt een rol bij taal? - Chapter 9

• Volgens de meesten bieden de vroege spraakperceptie vaardigheden de basis voor de latere vaardigheden voor taalverwerking. Een vraag die nog onbeantwoord is, betreft de mate waarin taal ‘biologisch speciaal’ is. Dit verwijst naar de mate waarin het menselijke kind aanleg heeft om taal te leren. Heeft een bepaald hersengebied aangeboren representaties voor taal? Er zijn twee benaderingen van deze vraag. De eerste benadering onderzoekt of bepaalde hersengebieden van belang zijn voor de verwerking of verwerving van taal. Als dit het geval is, nemen sommigen aan dat deze gebieden aangeboren taalspecifieke representaties bevatten. Als er daarentegen meerdere hersengebieden betrokken zijn bij de verwerving van taal, suggereert dit dat de representaties ontstaan door een combinatie van taalinput en de basale corticale architectuur. De tweede benadering probeert de neurale basis van taalverwerking te identificeren.
• De tweede benadering voor het onderzoeken van de mate waarin taal ‘biologisch speciaal’ is, is het identificeren van de neurale basis van taalverwerking. Onderzoek heeft aangetoond dat jonge menselijke baby’s onderscheid kunnen maken tussen vele fonetische constructen, inclusief de fonetische constructen die niet gevonden worden in de moedertaal. Dit vermogen wordt rond 10 maanden na de geboorte beperkt tot de fonetische constructen van de moedertaal. Uit onderzoek dat gebruik maakt van high-density ERPs (HD-ERP) blijkt dat een posterieur gebied in de temporale kwab gevoelig is voor fonetische informatie.
• Al met al kan geconcludeerd worden dat taalinput van gesproken woorden een belangrijke invloed op de neurale basis van taalfuncties heeft. De onderzoeksbevindingen zijn consistent met het perspectief van interactieve specialisatie, dat stelt dat de hersenactiviteit die ten grondslag ligt aan taalfuncties door ervaring meer lokaal wordt en taalvaardigheden worden meer efficiënt en geautomatiseerd.
• Vanaf de geboorte of zelfs daarvoor zijn gebieden van de linker temporale kwab betrokken bij de verwerking van auditieve input. Ondanks dat deze gebieden het ideale 'huis' voor spraakverwerking zouden zijn, kunnen ze, als ze beschadigd zijn, vervangen worden door andere delen van de cortex die de functie kunnen ondersteunen, hetzij minder efficiënt. In lijn met het perspectief van interactieve specialisatie, is het waarschijnlijk dat spraakverwerking in dit gebied vanaf vroeg in het leven de synaptische en dendritische microstructuur beïnvloedt, waardoor het sterk gespecialiseerd is en verschillend van andere gebieden. Er blijft wel enige plasticiteit bestaan tijdens de ontwikkeling. Het dorsale pad dat projecteert van het gebied van Broca naar de superieure temporale gebieden, blijkt belangrijk te zijn voor hogere taalfuncties.

Wat is de rol van de prefrontale cortex? - Chapter 10

• Aanvankelijk dacht men dat de capaciteit van het werkgeheugen in de volwassenheid onveranderlijk is. Uit onderzoek blijkt echter dat de capaciteit van het werkgeheugen flexibel is en beïnvloed kan worden door ervaring. Door middel van training kan de werkgeheugencapaciteit en de activiteit in het fronto-pariëtale netwerk echter toenemen. Vanuit het rijpingsperspectief worden de verbeteringen in het werkgeheugen mogelijk gemaakt door de ontwikkeling van het fronto-pariëtale netwerk. Een alternatieve visie is echter dat er tijdens de ontwikkeling sprake is van ervaringen, waarbij betrokkenheid van het werkgeheugen vereist is. Dit zou leiden tot veranderingen in het hersennetwerk die aan dit vermogen ten grondslag ligt. Deze visie is meer consistent met het perspectief van interactieve specialisatie en het vaardigheidsperspectief. Ander onderzoek suggereert dat er bij het werkgeheugen van baby’s meer hersengebieden betrokken zijn, dan alleen de frontale gebieden. Mogelijk is het neurale netwerk dat aan het werkgeheugen ten grondslag ligt, bij baby’s anders en meer diffuus en wordt dit netwerk tijdens de ontwikkeling meer gelokaliseerd naar het fronto-pariëtale netwerk. Dit patroon is consistent met het perspectief van interactieve specialisatie.
• Het perspectief dat de ontwikkeling van de PFC de ontwikkeling van cognitieve vaardigheden mogelijk maakt, kan ook worden geïllustreerd door de rol van de PFC bij de grotere kwetsbaarheid voor risicogedrag en mentale stoornissen in de adolescentie. De adolescentie wordt gekenmerkt door cognitieve verbeteringen, maar ook door intense emoties en impulsief gedrag. Sommigen stellen dat dit gedrag verklaard kan worden door het tempo waarin de PFC zich in vergelijking met andere hersengebieden ontwikkelt. Het SIPN model stelt dat sociaal gedrag drie interacterende nodes omvat: (1) een node voor de detectie van sociale informatie, waarbij voornamelijk de occipito-temporale cortex betrokken is; (2) een affectieve node, die de emotionele betekenis van een sociale stimulus verwerkt en invloed heeft op de gedragsmatige en emotionele reacties op deze stimulus. Hierbij zijn de subcorticale structuren en de orbitofrontale cortex betrokken; en (3) een cognitieve regulerend node, die belangrijk is voor doelgericht gedrag, impulscontrole en theory of mind. Hierbij is de PFC betrokken.
• Volgens het SIPN model ontwikkelen de drie nodes zich in een verschillend tempo, waarbij de eerste node al vroeg in het leven rijp is en de tweede node in de vroege adolescentie ontwikkeld is. De derde node ontwikkelt zich daarentegen veel trager. Deze mismatch in rijping zorgt voor een kwetsbaarheid in de adolescentie, als sterke emotionele reacties op sociale stimuli nog niet worden gemodereerd door het nog onrijpe cognitief regulerende nodes. Deze kwetsbaarheid verklaart de toename in het maken van risicovolle beslissingen.
• Uit onderzoek met fMRI blijkt dat er 3 maanden na de geboorte al sprake is van activiteit in de PFC. Het is echter mogelijk dat deze activiteit geen rol speelt bij het sturen van het gedrag van de baby. Onderzoek met ERPs suggereert daarentegen dat activiteit in de PFC al wel gevolgen heeft voor het gedrag. Hoewel kinderen vaak herstellen van letsel aan bepaalde gebieden doordat andere hersengebieden deze functies overnemen, heeft letsel aan de PFC vaak gevolgen op de lange termijn. Deze gevolgen worden tijdens de ontwikkeling in toenemende mate zichtbaar. Dit suggereert dat de PFC al vanaf de vroege kindertijd een belangrijke structurerende rol speelt.
• Twee perspectieven zijn in dit hoofdstuk behandeld. Het eerste perspectief dat rijping van gebieden van de PFC verschillende cognitieve functies activeert, is kwetsbaar voor gedeeltelijk functioneren van het gebied op vroege leeftijd. Het tweede perspectief waarin de frontale kwabben een belangrijk deel zijn van de cyclische zelforganisatie van de cortex, is nog relatief ongespecificeerd. De twee vragen van het begin van het hoofdstuk blijven onbeantwoord. De eerste vraag was of de gespecialiseerde functies van de frontale cortex het gevolg zijn van een unieke neuroanatomie en/of neurochemie, of van andere factoren. Mogelijk leidt een combinatie van kleine intrinsieke biases en een relatief vertraagde ontwikkeling tot de unieke informatieverwerking eigenschappen van de PFC. Of dit gebied een rol speelt bij de specialisering van andere gebieden van de cortex, moet verder onderzocht worden. De tweede vraag was hoe de voortdurende ontwikkeling van de frontale cortex tot de adolescentie correspondeert met het functioneren van dit gebied in de eerste levensmaanden. Een mogelijk antwoord is dat representaties in dit gebied van de cortex aanvankelijk zwak zijn en alleen voldoende ontwikkeld zijn voor het controleren van bepaalde soorten output. Een ander mogelijk antwoord is dat verschillende gebieden van de frontale cortex in verschillende mate vertraagd zijn in hun ontwikkelen en dat prefrontale gebieden een voortdurende rol spelen bij de cyclische reorganisatie van de rest van de cortex.

Wat houdt cerebrale lateralisatie in? - Chapter 11

• De twee cerebrale hemisferen lijken aanvankelijk symmetrisch te zijn. Een aantal domeinen van cognitie wordt in de volwassenheid echter anders verwerkt in de twee hemisferen, zoals gezichtsherkenning, taal en ruimtelijke cognitie. Er bestaat geen consensus over de vraag in welke mate deze hemisferische specialisatie vooraf al is bepaald of alleen een bijverschijnsel is van de verschillende timing van de ontwikkeling. Het is moeilijk deze vraag te beantwoorden, omdat op sommige momenten de linker hemisfeer meer ontwikkeld lijkt te zijn, terwijl dit op andere momenten voor de rechter hemisfeer geldt. Er bestaat nu consensus over het idee dat er kort na de geboorte sprake is van enige mate van hemisferische lateralisatie. Men is het er echter nog niet over eens hoe deze lateralisatie ontstaat en wat het verband ervan is met hemisferische specialisatie. Hiervoor zijn een aantal modellen ontwikkeld, waaronder het “biased gene” model, het “biased brain” model en het “biased head/uterus” model.
• Het is lastig om de drie theorieën van lateralisatie direct aan te laten sluiten bij de drie perspectieven uit eerdere hoofdstukken. Er is een verrassende mate van lateralisatie van functies in de eerste maanden na de geboorte, van deze functies is bekend dat ze geleerd worden in de baarmoeder. Wat betreft visuele verwerking is er minder consistentie omtrent lateralisatie, met veel variatie tussen individuen, wat consistent is met een patroon van vergrotende specialisatie. Een dynamisch probabilistisch perspectief van hemisferische specialisatie van functies kan mogelijk herstel na unilaterale schade verklaren. Onderzoeken laten zien dat hemisferische organisatie van gezichts- en woordherkenning niet onafhankelijk ontwikkelt en dat woordlateralisatie gezichtslateralisatie aandrijft.

Wat houden de educatieve neurowetenschappen in? - Chapter 12

• Leren lezen, schrijven en rekenen kan gezien worden als een proces waarbij simpele vaardigheden die relevant zijn voor een kennisdomein (domeinrelevante vaardigheden) door educatie complexer worden en specifiek voor dat domein (domeinspecifieke vaardigheden). Er zijn ook domeinalgemene vaardigheden die minder afhankelijk zijn van ervaring en voorkennis. Deze vaardigheden worden vaak beschreven als de basale executieve functies die een beroep doen op de PFC.
• De intrapariëtale sulcus (IPS) wordt sterker geactiveerd bij volwassenen als er verschillen worden waargenomen in aantallen. Hetzelfde is te zien bij kinderen. Het lijkt zo te zijn dat het corticale weefsel dat sensitief is voor numerieke representaties al bestaat in de vroege kindertijd en een neurale basis vormt voor het verwerven van symbolische aantalrepresentaties tijdens educatie.
• Als kinderen beginnen met leren lezen, is er sprake van veranderingen in de activiteit in de ‘visual word form area’ (VWFA). De VWFA is bij beginnende lezers bilateraal, maar naarmate de leeftijd en leesvaardigheden toenemen, is er vooral sprake van activiteit in de linker hemisfeer. Dit blijkt ook uit het feit dat de ERP component N170 voor visuele woorden links gelateraliseerd is bij volwassenen. Onderzoeksbevindingen zijn consistent wat betreft het idee dat er een proces betrokken is bij de perceptuele expertise voor het herkennen van visuele woorden, waarbij hersenactiviteit in het occipito-temporale gebied meer specifiek voor woorden wordt en meer wordt gelokaliseerd in de linker hemisfeer.
• De IPS is een gebied dat betrokken is bij zowel rekenvaardigheden als visueel-ruimtelijk werkgeheugen, wat suggereert dat de ontwikkeling van dit gebied ten grondslag kan liggen aan de relaties tussen deze vaardigheden. Daarnaast blijkt uit onderzoek dat het hersennetwerk dat gerelateerd is aan lezen relatief stabiel is over de tijd en vergelijkbaar is met dat van volwassenen, maar dat het netwerk gerelateerd aan rekenvaardigheden meer prefrontale en minder pariëtale betrokkenheid laat zien dan bij volwassenen.
• Onderzoeken laten zien dat het verwerven van vaardigheden zoals rekenvaardigheid en leesvaardigheid zowel domeinspecifieke als domeinalgemene vaardigheden vraagt. Jonge baby’s hebben al basale vaardigheden die relevant zijn bij dit proces, zoals sensitiviteit voor getallen en fonemen die met ervaring ontwikkelen in meer gespecialiseerde en domeinspecifieke vaardigheden. In de kindertijd worden posterieure hersengebieden steeds meer betrokken en frontale gebieden steeds minder betrokken. De vergrotende betrokkenheid van de pariëtale gebieden bij getallenverwerking is bewijs voor een specialisatie van pariëtaal functioneren. De verminderende betrokkenheid van frontale gebieden reflecteert een ontkoppeling van domeinalgemene processen die gerelateerd zijn aan executieve controle en werkgeheugen. Studies naar dyslexie en dyscalculie hebben atypische patronen in hersengebieden onderzocht die geassocieerd zijn met lezen en getallenverwerking, respectievelijk.

Wat houdt het perspectief van interactieve specialisatie in? - Chapter 13

• De drie perspectieven op de functionele hersenontwikkeling hebben elk een andere visie op de plasticiteit van het brein: (1) rijpingsperspectief: plasticiteit is een gespecialiseerd mechanisme, dat in reactie op hersenletsel wordt geactiveerd, (2) perspectief van interactieve specialisatie: plasticiteit is de toestand, waarin de functie van een gebied nog niet volledig gespecialiseerd is, en (3) vaardigheidsperspectief: plasticiteit is het resultaat van specifieke gebieden en verandert tijdens de ontwikkeling niet.
• Na de geboorte is er sprake van een selectief verlies van synaptische verbindingen in het brein (pruning). Er zijn verschillende verklaringen voor dit proces. Volgens de selectionist Changeux zijn synaptische verbindingen aanvankelijk labiel. Als ze niet stabiel worden, verdwijnen ze. Of verbindingen stabiliseren, is afhankelijk van de totale activiteit van de verbinding, wat afhankelijk is van de hoeveelheid input die ontvangen wordt. Dit wordt ook wel selectieve stabilisering genoemd. Changeux stelde het volgende: “to learn, is to eliminate”. Om te leren, moeten er dus synaptische verbindingen worden verloren. Changeux en Dehaene hebben vervolgens een darwinistische versie van het selectionisme geïntroduceerd. Volgens hen bestaat een darwinistische verandering uit twee fasen: (1) een constructief proces, waarbij mogelijke opties worden gegenereerd. Op het neurale niveau ontstaan tijdens deze fase veel synaptische verbindingen. Op het cognitieve niveau ontstaan ‘prerepresentaties’: vergankelijke, dynamische, bevoordeelde spontane activiteit in neurale gebieden, en (2) de selectie van opties: op het neurale niveau worden tijdens deze fase bepaalde synaptische verbindingen geselecteerd, als gevolg van spontane activiteit en/of als gevolg van input. Op het cognitieve niveau worden bepaalde prerepresentaties geselecteerd.
• Verkaveling (‘parcellation’) verwijst naar het proces, waarbij de verwerking in elk hersengebied in toenemende mate gescheiden wordt van de verwerking in aangrenzende gebieden. Volgens Ebbesson is deze verkaveling het gevolg van het selectieve verlies van synapsen en dendrieten en leidt verkaveling tot verwerkingsstromen en –structuren. Er is geen consensus over de vraag of verkaveling gevoelig is voor ervaring. Volgens Johnson en Vecera zijn bepaalde gedragsmatige en cognitieve veranderingen direct gerelateerd aan de toenemende segregatie van informatiestromen (verkaveling) op het neurale niveau. Zij stellen dat verkaveling de volgende gevolgen heeft: (1) in afnemende mate informatie-uitwisseling tussen bepaalde hersensystemen; (2) minder interferentie tussen bepaalde hersensystemen; en (3) toenemende specificiteit in sensorische detectie.
• Hoewel er relatief veel inzicht is in de functionele hersenontwikkeling op het niveau van individuele hersengebieden, is er nog weinig inzicht in de manier waarop netwerken van gebieden ontstaan. ‘Kleine wereld’ netwerken zijn het meest efficiënt. In tegenstelling tot het roosterpatroon, wordt een kleine wereld netwerk gekenmerkt door een balans tussen lokale verbindingen en lange afstandsverbindingen. Bij de ontwikkeling van netwerken is er sprake van zowel segregatie (afnemende korte afstandsverbindingen) als integratie (toenemende lange afstandsverbindingen) van hersengebieden. De afname in korte afstandsverbindingen kan worden verklaard in termen van het perspectief van interactieve specialisatie. Terwijl aangrenzende gebieden steeds meer gespecialiseerd worden voor verschillende functies, worden ze minder vaak samen geactiveerd. Hierbij is mogelijk ook synaptische pruning betrokken. Het is echter moeilijker om vanuit dit perspectief de toename in lange afstandsverbindingen te verklaren.
• Interactieve specialisatie biedt grond voor ontwikkelingen in twee van de grootste issues in de cognitieve neurowetenschappen, namelijk lokalisatie (de mate van activatie in de cortex in een bepaalde situatie) en specialisatie (hoe gefinetuned de functionaliteit van een bepaald corticaal gebied is). Verkaveling is de vergrotende inkapseling van neurale circuits. Dit proces heeft een aantal consequenties, zoals een vermindering in interferentie en een vermindering in informatieoverdracht tussen neurale systemen. Met de ontwikkeling van de midden kindertijd veranderen corticale netwerken van lokaal naar meer langere afstand connectiviteit en worden deze netwerken minder verbonden met subcorticale gebieden. Ook ontwikkelen deze netwerken een meer hiërarchische structuur. Toch zijn hersennetwerken bij kinderen in de schoolleeftijd net zo efficiënt in het overbrengen en verwerken van informatie als de netwerken van volwassenen.

Wat is de toekomst van de cognitieve ontwikkelingsneurowetenschappen? - Chapter 14

• Het eerste punt dat behandeld wordt in dit hoofdstuk is de moleculaire genetische analyse van cognitieve ontwikkeling. De rol van genen in functionele ontwikkeling kan alleen adequaat geïnterpreteerd worden vanuit een cognitieve neurowetenschappelijke ontwikkelingsbenadering. Daarna wordt de waarde van het modellen van neurale netwerken besproken waarbij contact gemaakt wordt met zowel neurale als cognitieve data. Deze benadering kan uitbreiden naar ontwikkelingsstoornissen en naar het bekijken van effecten van veranderingen in niveau's van neuromodulators. Het is belangrijk om meerdere methoden toe te passen op cognitieve veranderingen in de ontwikkeling.
• Cognitieve functies zijn nooit het resultaat van één enkel gen, maar altijd van complexe interacties tussen genen, hun producten en meerdere omgevingsniveaus. De meeste genen hebben effecten op meerdere hersengebieden en andere organen. Cognitieve veranderingen kunnen dus niet geheel worden verklaard door genen.
• Er bestaat een discrepantie tussen de structurele en functionele hersenontwikkeling. Zo is er met betrekking tot de prefrontale cortex bewijs voor neuroanatomische veranderingen tot de adolescentie, terwijl baby’s al vanaf 6 maanden na de geboorte activiteit in dit hersengebied vertonen. Deze bevindingen zijn enkel een probleem voor het rijpingsperspectief, dat uitgaat van causale epigenese: het idee dat cognitieve veranderingen het gevolg zijn van de hersenontwikkeling. De onderzoeksresultaten kunnen worden verklaard vanuit een perspectief van probabilistische epigenese, waarbij er sprake is van wederkerige interacties tussen het brein en de cognitieve ontwikkeling.
• Het perspectief van interactieve specialisatie is een specifiek voorbeeld van een meer algemene benadering van de neurale en cognitieve ontwikkeling: het neuroconstructivisme. Bij deze benadering wordt rekening gehouden met de interactie van het organisme met de externe omgeving. Deze meer ethologische kijk op de cognitieve ontwikkeling verandert op twee manieren het type representaties waar aandacht aan wordt besteed: (1) het gehele neurocognitieve pad (van input tot output) wordt onderzocht, omdat de structuur van de sensorische informatie en de aard van de representaties die nodig zijn voor het plannen van motoracties de mogelijke intermediaire representaties ernstig beperken. Het is dus nodig dat er modellen ontwikkeld worden die trachten het functioneren van verschillende hersensystemen in een bepaald domein in kaart te brengen; en (2) er wordt rekening gehouden met de omgeving waarin het organisme zich ontwikkelt, waardoor de informatie in mentale representaties relatief beperkt, maar alsnog adaptief kan zijn. De benodigde representatie is dus in een mate gedetailleerd, die voldoende is voor adaptief gedrag in een bepaalde context.
• Inzicht in de functionele hersenontwikkeling heeft implicaties voor sociaal, onderwijsgerelateerd en klinisch beleid. Zo stelt het perspectief van interactieve specialisatie dat herstelstrategieën effectief kunnen zijn bij het verminderen van symptomen van een afwijkende ontwikkeling, mits deze vroeg worden ingezet, voordat de symptomen zich ontwikkelen tot een meer complex syndroom.