Hersenen en Gedrag 2012

Hersenen en Gedrag 2012

Niek Groot

College 1 t.m.t. 4 Dr. Groothuis en Dr. van der Zee Proximate en ultimate factoren In de ethologie wordt scherp onderscheid gemaakt tussen proximate en ultimate vraagstellingen. Proximaat zijn die factoren die werkzaam zijn rond het moment van uitvoering van de gedragingen; ultimate factoren verwijzen naar mogelijke biologische functies van gedragingen en naar de rol van natuurlijke selectieprocessen. Beide soorten vragen (die per definitie geen tegenstrijdige antwoorden kunnen opleveren) zijn van belang bij de bestudering van gedrag. Sommige soorten vraagstellingen leggen meer het accent op motivationele en causale aspecten, andere op effecten van gedragingen op korte of langere termijn. Aan elk van deze factoren kun je verschillende termen koppelen, ook wel de vier vragen van de ethologie genoemd. Zo horen causatie (mechanisme) en ontogenie (ontwikkeling) bij de proximate factoren en functie (fitness) en evolutie juist bij de ultimate factoren. Een handig ezelsbruggetje is dat je bij proximate factoren altijd de vraag “waardoor?” kunt stellen en bij de ultimate factoren juist “waartoe?”.

Black box approach Een zwarte doos of black box is een toestel waarvan het gedrag bekend is, maar niet de inwendige constructie. Een computer is voor veel gebruikers een zwarte doos. De gebruiker kan met de computer werken maar weet niets over het inwendige ervan. In de biologie gebruikt men dit model om verklaringen te zoeken voor een bepaalde “output”. Ethogram Een ethogram is een lijst van alle gedragingen die een dier kan vertonen. Het wordt gebruikt in de ethologie. De gedragingen in een ethogram worden gewoonlijk zodanig gedefinieerd dat ze niet overlappen en objectief zijn, waarbij men namen vermijdt die subjectief zijn of een functie impliceren.

1


Niek Groot

Veranderingen input-output Wanneer er een verandering optreedt in een (verwachte) output, kan dat door verschillen dingen komen. Ten eerste kan het komen door vermoeidheid, deze spreekt redelijk voor zich. Ten tweede speelt habituatie een belangrijke rol. Ten derde is er ook nog iets wat perifere en centrale filtering genoemd wordt. Tenslotte kan het ook nog komen door motivationele veranderingen. Ik zal deze zaken één voor één bespreken. Habituatie Habituatie kan omschreven worden als het geleidelijk (passief) wennen aan herhaaldelijke terugkerende prikkels. Eenvoudige reflexen van het ruggenmerg zijn ook onderhevig aan habituatie. In de zeeslak zal bijvoorbeeld aanraking van de sifon (het wateruitstuwingsorgaan) leiden to het terugtrekken van de sifon en kieuw. Bij herhaling van deze prikkel zal de reflex geleidelijk afnemen. Bij pasgeborenen wordt soms gebruikgemaakt van habituatie om na te gaan of ze bepaalde prikkels kunnen onderscheiden. Perifere en centrale filtering Perifere filtering vindt plaats ter hoogte van de zintuigen; gerealiseerd doordat zintuigen niet aangepast zijn om alle prikkels waar te nemen. Centrale filtering vindt plaats ter hoogte van het CZS (denk aan het richten van aandacht op één ding). Motivatie Motivatie is een term uit de ethologie om uit te drukken dat iemand iets (een zeker doel) wil bereiken. In de natuur zijn er heel veel verschillende stimuli, maar organismen vertonen vrijwel geen chaotisch gedrag. De inwendige bereidheid voor een bepaald gedrag fluctueert (jagen?, vluchten?, paren?).

Het brein De hersenen, ook wel het brein genoemd, vormen het deel van het centrale zenuwstelsel dat zich in het hoofd bevindt. De hersenen vormen het waarnemende, aansturende, controlerende en informatie verwerkende orgaan in dieren. De hersenen zijn een complex orgaan; het menselijk brein is opgebouwd uit vele tientallen miljarden neuronen (zenuwcellen) waarvan elk in verbinding staat met een groot aantal andere neuronen, soms vele duizenden. Wij moeten de volgende verschillende onderdelen van het brein kunnen onderscheiden: 2


Niek Groot

-Het ruggenmerg (spinal chord) wordt tot het centrale zenuwstelsel gerekend omdat het naast zenuwbanen ook zenuwcellen bevat die al een deel van de signaalverwerking van de zintuigen en de uitgaande signalen naar de spieren voor hun rekening nemen. Zo lopen bijvoorbeeld de spierrekkingsreflexen zoals de kniepeesreflex over het ruggenmerg zonder tussenkomst vanuit de hersenen. Ook zorgt het ruggenmerg voor de informatievoorziening naar de hersenen. -De hersenstam bestuurt vitale levensfuncties als temperatuur, hartslag, ademhaling en bloeddruk. Ook dit onderdeel zorgt voor de informatievoorziening van de hersenen. -De kleine hersenen (Latijn: cerebellum) zijn een onderdeel van het centraal zenuwstelsel. De eerste functie van het cerebellum is de coördinatie van bewegingen om ze vlot en nauwkeurig te maken. Schade aan het cerebellum leidt tot schokkerige bewegingen en kan ook evenwichtsproblemen geven. -Het diencephalon, of tussenhersenen, is het deel van de hersenen, dat zich middenin bevindt. Het is verantwoordelijk voor de homeostase en de motivatie van een individu -De grote hersenen (cerebrum) zijn onderdeel van het centraal zenuwstelsel en omvatten het grootste deel van de menselijke hersenen. De grote hersenen verwerken impulsen afkomstig van sensorische zenuwcellen en reguleren vrijwillige beweging. Ze zijn tevens de plek waar de cognitieve en emotionele processen (onder andere logisch redeneren, planning, geheugen, emotie) plaatsvinden. In de grote hersenen bevinden zich o.a. de hypothalamus (integratie van hormonale en metabole signalen met autonome processen en hogere hersenfuncties), de hippocampus (leren en geheugen), de amygdala (geconditioneerde responsen) en de hersenschors (hogere hersenfuncties en taal).

Broca Het gebied van Broca of centrum van Broca is een deel van de hersenen en wordt ook wel het motorisch spraakcentrum genoemd. Er is ook een sensorisch spraakcentrum; het gebied van Wernicke. Een stoornis of beschadiging in het gebied van Broca kan leiden tot motorische afasie, ook wel afasie van Broca genoemd. Het gebied van Broca is dus belangrijk voor het spreken. Wernicke Het gebied van Wernicke of het centrum van Wernicke is een deel van de hersenen speelt een belangrijke rol bij het begrijpen van taal. Aandoeningen of beschadigingen in het gebied van Wernicke kunnen leiden tot dyslexie en sensorische afasie. De gesproken taal van wernickepatiënten klinkt doorgaans vloeiend, maar mist betekenis.

3


Niek Groot

Ventrikels Het ventrikelstelsel bestaat uit de beide zijventrikels, de derde ventrikel en de vierde ventrikel. Dit zijn onderling verbonden holtes die zich in de hersenen bevinden. Gyri en sulci Een gyrus is in de neuroanatomie een winding of verhoging in de sterk gevouwen hersenschors. Hij worden afgewisseld met een of meerdere sulci, of groeven. Neurogenese Neurogenese is de benaming voor het ontstaan van nieuwe neuronen (zenuwcellen) bij volwassen zoogdieren en vogels. Vroeger werd gedacht dat neurogenese alleen voorkwam in jonge zoogdieren en vogels. Recent onderzoek heeft uitgewezen dat neurogenese zich ook voordoet bij volwassen individuen, onder meer in de hippocampus bij de mens en andere zoogdieren. CT-scan Computertomografie (meestal afgekort tot CT-scan) is een tomografische onderzoeksmethode van het menselijk lichaam. Een van de eerste vormen hiervan maakte gebruik van röntgenstraling. De doorlaatbaarheid van het onderzochte lichaamsdeel voor de gebruikte straling wordt vanuit een groot aantal hoeken rondom in dunne „plakjes” gemeten, waarna een computer uit de resultaten een driedimensionale weergave van het onderzochte lichaamsdeel opbouwt. Tegenwoordig wordt ook veel gewerkt met magnetische resonantie; men spreekt dan van Magnetic Resonance Imaging of MRI. MRI-scan Magnetic Resonance Imaging (MRI) is een vorm van medische beeldvorming met behulp van kernspinresonantie. Hierbij wordt gebruikgemaakt van een MRI-scanner. In het artikel MRIscanner worden de fysische en technische achtergronden bechreven.

PET-scan Positronemissietomografie (PET) is een beeldvormende techniek waarbij een radioactief isotoop (een radionuclide) wordt toegediend aan een patiënt. Deze radionuclides verzamelen zich op bepaalde plaatsen in het lichaam (bijvoorbeeld een tumor). Bij het verval produceren deze atoomkernen een positron en een neutrino. Positronen zijn de antideeltjes van elektronen en hebben dezelfde massa, maar een positieve lading.

4


Niek Groot

F-MRI Functionele MRI is een speciale MRI-techniek die wordt gebruikt in het moderne hersenonderzoek waarbij de activiteit van de hersenen door middel van een computer zichtbaar wordt gemaakt in een drie-dimensionaal beeld. fMRI is net als de structurele MRItechniek, gebaseerd op het principe van kernspinresonantie. Verhoging van activiteit in een bepaald gebied van de hersenen (bijvoorbeeld in de motorische gebieden bij het bewegen van een arm of been, of in de visuele gebieden bij het kijken naar patronen; zie de illustratie) gaat gepaard met een sterkere doorbloeding van deze gebieden. In de rode bloedcellen in de bloedvaten van de hersenen treedt daarbij een verandering op in het hemoglobine. Hemoglobine heeft als eigenschap dat het zuurstof absorbeert. Verlaging van het zuurstofgehalte van hemoglobine gaat gepaard met een verandering in de magnetische eigenschappen van hemoglobine, die vervolgens door de fMRI-detectoren wordt opgepikt. Deze detectoren meten in feite de verhouding tussen het zuurstofrijke en zuurstofarme hemoglobine. Anatomie en functie hersengebieden Je moet in staat zijn de verschillende hersengebieden te benoemen en hun bijbehorende functie kunnen beschrijven. Hieronder heb ik een afbeelding geplaatst met daarin de informatie die je moet kennen (grote lijnen). Een grappig feit is dat de anatomie van de schedel op de anatomie van de hersenen is aangepast (Os occipitale, Os temporale etc.).

Lobotomie Lobotomie is een chirurgische operatie die rond het midden van de 20e eeuw werd toegepast. Tijdens de ingreep wordt de verbinding van het voorhoofdsgedeelte van de hersenen en de rest van de hersenen en het zenuwstelsel door een insnijding bijna geheel verbroken. De frontale hersenkwabben hebben een functie in "zelfsturendheid" en in het tot uiting komen van de eigen persoonlijkheid. Met lobotomie werd geprobeerd psychische stoornissen te verhelpen, maar de effecten bleken onvoorspelbaar en hadden veel bijwerkingen. 5


Niek Groot

Anatomische termen van positie De meesten dieren hebben meestal één uiteinde waar zich kop en bek bevindt, en één met de anus en vaak een staart. Het uiteinde met de kop of het hoofd is de craniale zijde, het einde met de staart is de caudale zijde. In het Latijn betekent cranium namelijk schedel, en cauda betekent staart. De longen van een hond, bijvoorbeeld, bevinden zich meer craniaal (richting het hoofd) dan bijvoorbeeld de darmen van de hond, die meer caudaal liggen. Wanneer men een locatie in de kop van het dier wil aanduiden, gebruikt men de term rostraal voor weefsels of organen die meer richting de neus liggen, en de term caudaal(wederom) voor weefsels die verder van de neus af, en dus meer richting de staart liggen. Het deel van het lichaam dat normaal naar boven gericht is, het verst van de grond af, is de dorsale zijde (dit komt van het Latijnse woord voor rug, omdat het hier meestal ook om de rug gaat), het tegenovergestelde deel, dat normaal bij een dier naar beneden gericht is, het dichtst bij de grond, is de ventrale zijde (naar het Latijnse woord voor buik). Drie soorten vlakken worden gebruikt in de anatomie.   

Een sagittaal vlak verdeelt het lichaam in een linker- en in een rechterdeel. Een coronaal of frontaal vlak verdeelt het lichaam in dorsale en ventrale gedeelten (bij de mens: in een voor- en achtergedeelte). Een horizontaal vlak verdeelt het lichaam in een craniaal en caudaal gedeelte, of in het geval van de mens in een boven- en ondergedeelte.

6


Niek Groot

Witte en grijze stof De grijze stof (Latijn: substantia grisea) is het deel van het centraal zenuwstelsel dat de cellichamen van de zenuwcellen, de dendrieten en de korte axonen bevat. De witte stof is het deel dat de lange, gemyeleniseerde axonen bevat. De grijze stof bevindt zich in de hersenen vooral (maar niet uitsluitend) aan de buitenkant, waar het de cortex cerebri, de schors van de grote hersenen, en de cortex cerebelli, de schors van de kleine hersenen, vormt. De grijze stof heeft als functie het verwerken van informatie, terwijl de witte stof de communicatie tussen de zenuwcellen verzorgt. De karakteristieke grijsbruine kleur komt door het mengsel van bloedvaten en cellichamen van zenuwcellen. De witte stof (Latijn: substantia alba) is het deel van het centraal zenuwstelsel dat de axonen, de gemyeliniseerde uitlopers (neurieten) van zenuwcellen bevat. Deze axonen verbinden de verschillende hersengebieden met grijze stof met elkaar en geleiden de zenuwimpulsen tussen neuronen. De witte stof in de hersenen en in het ruggenmerg bevat geen dendrieten. Deze zijn alleen in grijze stof aanwezig, samen met zenuwcellichamen en kortere axonen. De witte kleur is het gevolg van de myelinescheden van de zenuwvezels. Hersencellen -Oligodendrocyten zijn een type gliacellen. De belangrijkste functie van oligodendrocyten is het myeliniseren van zenuwceluitlopers (axonen) in het centrale zenuwstelsel van hogere gewervelden (in het perifeer zenuwstelsel is dezelfde functie voorbehouden aan de zgn. Schwanncellen). -Astrocyten hebben vele functies, ze verwijderen sommige neurotransmitters (GABA, ATP en glutamaat), regelen de ionenconcentratie en spelen een rol bij de ontwikkeling van het CZS door vorming van geleidende uitlopers waarlangs neuronen kunnen groeien. -De microglia zijn de macrofagen van het centrale zenuwstelsel. Het zijn vrij kleine cellen met een vrij kleine kern en met in hun cytoplasma talrijke lysosomen en andere insluitsels die ook in andere macrofagen worden aangetroffen. Ze zorgen voor een afweersysteem van de hersenen, dit door middel van het continue scannen op eventuele schade of lichaamsvreemde stoffen. -Satellite glial cells are a type of glial cell that line the exterior surface of neurons in the peripheral nervous system (PNS)They are of a similar embryological origin to Schwann cells of the PNS, as they are both derived from the neural crest of the embryo during development. (CNS)They supply nutrients to the surrounding neurons and also have some structural function. 7


Niek Groot

Nissl-kleuring De Nissl-kleuring is een kleuring die uitgevonden is door Franz Nissl en die cellen in het zenuwstelsel kleurt. De zenuwcellen worden gekleurd door coupes van hersenen onder te dompelen in de kleurstof cresylviolet, die paarsblauw is. Als de coupes een korte tijd in de kleurstof hebben gezeten, worden ze eerst gespoeld in water, daarna worden ze gedifferentieerd in alcohol met een kleine hoeveelheid azijn (waardoor de achtergrond ontkleurt en de zenuwcellen zichtbaar worden) en daarna worden ze ingebed op een objectglas zodat ze bekeken kunnen worden onder de microscoop. Golgikleuring De golgikleuring is een kleuring die gebruikt wordt om neuronen (aspecifiek) te kleuren in het centraal zenuwstelsel. De kleuring berust op de vorming van zilverchromaat, dat neerslaat in de zenuwcel en een zwarte/bruine kleur geeft. Er bestaan twee hoofdvarianten van deze kleuring: de golgikleuring zoals die door Camillo Golgi is ontdekt, en een snellere variant die Golgi-Cox wordt genoemd.De golgikleuring wordt onder andere toegepast bij het onderzoek naar de morfologie van zenuwcellen. Omdat de kleuring slechts een klein percentage van het totaal aantal zenuwcellen zichtbaar maakt, zijn de cellen en de uitlopers duidelijk te zien en te kwantificeren met behulp van een microscoop. De golgikleuring kan ook gecombineerd worden met een nisslkleuring zodat er onderscheid tussen verschillende celtypen gemaakt kan worden. 8


Niek Groot

Antero/retrograde kleuring In neuroscience, anterograde tracing is a research method which is used to trace axonal projections from their source (the cell body or soma) to their point of termination (the synapse). The complementary technique is retrograde tracing, which is used to trace neural connections from their termination to their source (i.e. synapse to cell body). Both the anterograde and retrograde tracing techniques are based on the visualization of the biological process of axonal transport. The anterograde and retrograde tracing techniques allow the detailed descriptions of neuronal projections from a single population of neurons to their various targets throughout the nervous system. These techniques allow the "mapping" of connections between neurons in a particular structure (e.g. the eye) and the target neurons in the brain. Much of what is currently known about connectional neuroanatomy was discovered through the use of the anterograde and retrograde tracing techniques. Kort samengevat gaat het hier op de richting waarop eiwitten zich in een neuron verspreiden. Bij anterograad transport zullen de eiwitten van het soma (cellichaam) naar de synaps lopen. Dit i.t.t. retrograde transport, waarbij de eiwitten van het uiteinde richting het cellichaam lopen (plaatje). Dentritische spine Een dendritische spine of gemmula is een zeer klein uitsteekseltje (kleiner dan één micrometer) wat zich bevindt op het dendriet van een zenuwcel (neuron). Het vormt het postsynaptische deel van een synaps. Spines hebben normaliter een rond kopje (de spine head) dat verbonden is met de dendriet door middel van een dun nekje (de spine neck). Veel dendrieten bevatten een heleboel, duizenden, spines, zoals hippocampale neuronen en purkinjecellen. Spines zijn aan verandering onderhevig: er groeien voortdurend nieuwe spines en oude spines verdwijnen, waardoor er steeds nieuwe neurale verbindingen worden gelegd. Deze veranderingen staan in verband met de processen van het leren en het geheugen. 9


Niek Groot

Knopen van Ranvier Insnoeringen van Ranvier (ook wel knopen van Ranvier genoemd) zijn regelmatige onderbrekingen in het myeline-omhulsel rond een axon. De insnoeringen zijn 1 micrometer lang en stellen de axonale membraan bloot aan het extracellulair vocht. Het myelineomhulsel verhoogt de snelheid van een impuls door de elektrische stroom te isoleren en maakt het de impulsen mogelijk van insnoering naar insnoering te springen, in plaats van over de hele zenuwcel heen. Een actiepotentiaal is de elektrochemische reactie van een gestimuleerd neuron. Een gestimuleerd neuron is een neuron waarvan de membraanpotentiaal is gewijzigd door een naburige cel of bij een experiment. Tijdens een actiepotentiaal vindt er een grote en snelle verandering plaats van de membraanpotentiaal waarbij ionen in of uit de cel stromen. De actiepotentiaal verplaatst zich van de ene plek in de zenuwcel naar de andere, maar ionstromen vinden alleen plaats bij de insnoeringen. Daardoor springt de actiepotentiaal over de axon, van insnoering naar insnoering in plaats van een vloeiender, langzamer verloop zoals voorkomt bij axonen zonder myeline-omhulsel. Dit effect wordt veroorzaakt door de hoge concentraties van Na+- en K+-ionkanalen bij de insnoeringen van Ranvier. Ongemyeliniseerde axonen hebben geen insnoeringen van Ranvier. Ionkanalen zijn bij deze axonen duidelijk minder geordend en zijn verpreid over de hele membraanoppervlakte.

10


Niek Groot

College 5 t.m.t. 6 Dr. van der Zee Eigenschappen klassieke neurotransmitters In de cel zijn neurotransmitters opgeslagen in kleine synaptische blaasjes. Ze worden zodra er een zenuwsignaal komt heel snel uit de cel vrijgemaakt door middel van exocytose, en diffunderen dan over de synaps om aan de receptoren die aan de buitenkant van de ontvangende cel te vinden zijn te binden. Afbraak vindt plaats door enzymen die in de synaps aanwezig zijn. Sommige neurotransmitters worden echter ook hergebruikt; speciale eiwitten in de presynaptische zenuwcel zorgen dan voor heropname van de neurotransmitter. - Snelle afgifte - Snelle werking - Snel afgebroken (heropname) dus snelle beëindiging van de werking

Synaps Een synaps (of synapsspleet) is een ruimte in de verbinding tussen zenuwcellen. In deze ruimte vindt het 'doorgeven van de boodschap' plaats door de overdracht van neurotransmitters. Synapsen zitten ook tussen zenuwcellen en spieren en tussen zenuwcellen en klieren. In wetenschappelijke taal is de synaps de ruimte tussen het presynaptisch membraan (van een axon) en het postsynaptisch membraan. Een signaal wordt door neurotransmissie via deze spleet overgedragen naar de volgende cel. 11


Niek Groot

Acetylcholine Acetylcholine (vaak afgekort tot ACh) is een neurotransmitter, die vooral betrokken is bij de impulsoverdracht van de zenuw naar de skeletspiercellen. De actiepotentiaal maakt in het uiteinde van een zenuwcel acetylcholine vrij. Dit acetylcholine diffundeert door de ruimte tussen deze cel en de volgende cel (deze ruimte heet de synaptische spleet) en activeert de laatste door zich te binden aan de acetylcholine-receptor. Na activatie hiervan wordt, als dit een tweede zenuwcel betreft, weer een elektrisch signaal opgewekt; als het een spiercel is wordt door de receptoractivatie de spiercontractie (samentrekking) geïnduceerd.

12


Niek Groot

Na korte tijd wordt het acetylcholine in de synaptische ruimte door het enzym acetylcholineesterase razendsnel afgebroken tot de metabolieten choline en acetaat dat in de originele zenuwcel weer tot acetylcholine hergebruikt wordt.De ACh-concentratie is hoog in het corpus striatum en de thalamus en laag in het cerebellum. Er zijn twee typen ACh-receptoren: 1. Muscarinerge (AChM G-coupled receptor). Deze zitten veel in de parasympatische eindsynapsen. 2. Nicotinerge (AChN ionkanaal). Deze zitten veel in de sympathische en parasympathische ganglia Acetylcholinesterase Acetylcholine-esterase is een enzym dat de neurotransmitter acetylcholine door hydrolyse afbreekt, nadat de informatie tussen twee zenuwcellen of neuronen is overgedragen. Bij alzheimerpatiënten wordt met medicijnen de afbraak van acetylcholine door acetylcholineesterase geremd en wordt hierdoor onder andere het dementeren tegengegaan.

Cingulate cortex The cingulate cortex is a part of the brain situated in the medial aspect of the cortex. It includes the cortex of the cingulate gyrus, which lies immediately above the corpus callosum, and the continuation of this in the cingulate sulcus. The cingulate cortex is usually considered part of the limbic lobe. It receives inputs from the thalamus and the neocortex, and projects to the entorhinal cortex via the cingulum. It is an integral part of the limbic system, which is involved with emotion formation and processing, learning, and memory, and is also important for executive function and respiratory control. 13


Niek Groot

Ziekte van Alzheimer De ziekte van Alzheimer (soms kortweg alzheimer genoemd) is een degeneratieve aandoening van de hersenen waarbij de patiënt soms in snel tempo dementeert. De aandoening is vernoemd naar Alois Alzheimer, een Duitse psychiater en neuropatholoog. Een exacte diagnose is doorgaans pas mogelijk na overlijden, door de hersenen te onderzoeken. De ziekte wordt meestal vastgesteld bij personen die ouder zijn dan 65 jaar. De ziekte wordt volgens de meest geaccepteerde hypothese veroorzaakt doordat bepaalde eiwitten abnormaal worden afgebroken. Hierdoor ontstaan abnormale afbraakproducten (bèta amyloïd) welke plaques (klonten) vormen buiten de hersencellen. Ook is er een intracellulair kenmerk van de ziekte, namelijk tangels (verstrengelingen) van het eiwit Tau. Verstrengeling van het Tau eiwit, een eiwit dat een rol speelt bij het vervoer van voedingsstoffen door de cel, leidt ertoe dat hersencellen afsterven. Bij post-mortemonderzoek wordt een sterk gekrompen hersenschors (atrofie) gevonden, met buiten de zenuwcel gelegen amyloïdneerslagen (seniele plaques), welke ook rond de bloedvaten in de hersenen voorkomen. Daarnaast zijn er in de cel gelegen verstrengelingen van het eiwit Tau (neurofibrillaire kluwens) te vinden. Deze neerslagen zijn niet gelijkmatig over de hersenschors verdeeld. Met name gedeelten van de hersenschors waar geheugenfuncties gelokaliseerd zijn, zijn in het begin aangedaan. Vooralsnog is de ziekte van Alzheimer een ziekte aan de grijze stof van het cerebrum. Amyloïde plaques (opeenhopingen) Een van de kenmerken van de ziekte van Alzheimer is de opeenhoping van amyloïde plaques tussen de zenuwcellen in de hersenen. Amyloïde is een algemene term voor eiwitfragmenten die het lichaam normaal aanmaakt. Beta-amyloïde is een eiwitfragment van het veel grotere APP-eiwit (Amyloïd Precursor Protein, ofwel Amyloïd Voorloper Eiwit). Dit APP speelt een belangrijke rol bij de groei van zenuwcellen. Daarnaast is het ook betrokken bij het repareren van schade aan deze cellen. Het APP in de neuronen wordt regelmatig vervangen. Daarbij wordt het oude APP door enzymen, die proteases worden genoemd, in kleinere stukjes geknipt. Meestal ontstaan hierbij fragmenten die geen schade kunnen aanrichten. Onder bepaalde omstandigheden ontstaat bij het afbreken van APP een ander eiwit, het betaamyloid. Losse beta-amyloid eiwitten plakken na hun vorming samen tot onoplosbare draden. Deze draden kleven aan elkaar en aan stervende zenuwcellen vast. Hierbij vormen ze steeds groter wordende structuren: de plaques. Het is nog niet duidelijk of plaques een oorzaak zijn van de ziekte van Alzheimer of slechts een gevolg. Veel wetenschappers nemen aan dat betaamyloid schadelijk is voor zenuwcellen. Mogelijk veroorzaken de plaques een ontstekingsreactie in de hersenen waarbij ons afweermechanisme schade aanricht aan onze neuronen 14


Niek Groot

Neurofibrillaire tangles (knopen) Neurofibrillaire knopen bestaan uit onoplosbare samengestrengelde vezels die in de hersencellen te vinden zijn. Zij bestaan voornamelijk uit het tau-eiwit. Onder normale omstandigheden speelt dit eiwit een belangrijke rol bij het in stand houden van de stevigheid van het ‘skelet’ van de zenuwcellen. Dit skelet, dat uit minuscule buizen of ‘micro-tubili’ bestaat, is ook van belang voor het transport van voedingsstoffen door de zenuwcel. Door een nog onbekende oorzaak kan de structuur van het tau-eiwit veranderen. Dit veranderde of gemuteerde tau-eiwit is niet meer in staat bij te dragen aan de stevigheid van de cel. Als gevolg hiervan raakt ook de communicatie tussen zenuwcellen aangetast. Uiteindelijk kan een aangetaste zenuwcel zelfs geheel afsterven. Twee gemuteerde taueiwitten vormen samen een in elkaar gedraaide streng. Deze strengen vormen het belangrijkste bestanddeel van zogenaamde neuro- fibrilaire tangles of knopen. Net als plaques zijn ook deze structuren alleen na het overlijden onder de microscoop waarneembaar.

15


Niek Groot

Kortetermijngeheugen Het kortetermijngeheugen is het geheugen voor informatie die op dit moment en voor korte tijd wordt onthouden. Het heeft een kleine capaciteit. Een goed voorbeeld is het onthouden van een (niet al te groot) boodschappenlijstje. Soms gebruikt men hiervoor ook de term werkgeheugen. Het werkgeheugen is echter dynamischer en omvat onder andere ook het vermogen bepaalde bewerkingen toe te passen op de opgeslagen informatie. Langetermijngeheugen Het langetermijngeheugen is het geheugen voor informatie die permanent in de hersenen is opgeslagen, maar die niet altijd bewust wordt ervaren. Het heeft een zeer grote capaciteit. Ook kennis en vaardigheden worden tot het langetermijngeheugen gerekend. Hierbij worden doorgaans de volgende vier processen onderscheiden. 

Coderen van informatie (encoding)



Opslaan

Als de informatie die in het kortetermijngeheugen aanwezig maar vaak genoeg herhaald (of bewaard) wordt, wordt deze naar het permanente of langetermijngeheugen overgebracht. Dit proces wordt ook wel consolidatie genoemd. 

Vasthouden

Informatie die op deze manier is opgeslagen blijft zeer lang bewaard. Geheugenindrukken kunnen echter wel vervagen, waardoor de informatie moeilijker toegankelijk is. Vergeten is het proces waardoor informatie in het geheugen verloren gaat, of niet meer teruggevonden kan worden. Ook kan oude kennis 'overschreven' worden door nieuwe kennis. Dit noemt men interferentie. Bij beschadiging of aftakeling van de hersenen (zoals bij dementie) treedt echter het omgekeerde op: recente informatie wordt niet opgeslagen/onthouden, terwijl van oudsher geautomatiseerde handelingen en lang geleden geleerde gegevens nog beschikbaar blijven. 

Terugvinden

Kennis die in het geheugen is opgeslagen moet ook weer worden teruggevonden of opgezocht (Engels: retrieval). Bij het terugzoeken in het geheugen kan men bepaalde hulpmiddelen of 'cues' gebruiken. De aanwezige kennis wordt dan weer geactualiseerd. We spreken dan bijvoorbeeld van herkenning of herinnering. Tests voor het geheugen blijken soms verschillende resultaten op te leveren bij geheugenstoornissen. Sommige patiënten kunnen zich bijvoorbeeld wél feiten of gebeurtenissen herinneren via een herkenningstest (herkent u dit gezicht?), maar niet met een test waarbij men kennis moet reproduceren (hoe heet deze persoon?). Ook bestaan er een manier om het impliciet geheugen te meten, die priming heet. Daarbij reageert men sneller op een woord of beeld als dit van tevoren in een bepaalde context is aangeboden. Het geheugen van de mens is niet altijd betrouwbaar. Soms menen mensen zich zaken te herinneren die nooit hebben plaatsgevonden. 16


Niek Groot

Declaratief en niet-declaratief geheugen Het langetermijngeheugen kent twee subvormen, namelijk het declaratief en het nietdeclaratief geheugen. Declaratief geheugen Kennis die is opgeslagen in het declaratief of expliciet geheugen is expliciet aanwezig. Dit wil zeggen dat we deze kennis (beelden, feiten, een gevoel e.d.) kunnen oproepen in ons bewustzijn. Een herinnering is bijvoorbeeld een gedachte of beeld uit het verleden dat in ons geheugen bewust kan worden opgeroepen. Het declaratief geheugen kent ook twee subvormen, namelijk:  

Episodisch geheugen: bevat onder andere persoonlijke gebeurtenissen (autobiografisch geheugen). Semantisch geheugen: bevat 'betekenissen' en 'feiten', bijvoorbeeld de woordenschat, kunnen vertellen hoe men een ei bakt, hoe de koningin heet, kunnen klokkijken, twee getallen bij elkaar optellen, kennis van de wereld, kennis van de taal.

Niet-declaratief geheugen Kennis opgeslagen in het nietdeclaratief of impliciet geheugen is impliciet aanwezig; dat wil zeggen dat we ons niet bewust zijn van de kennis die daarin is opgeslagen. Het heeft de volgende subvormen:   

Procedureel geheugen: geheugen voor vaardigheden zoals kunnen fietsen, of kunnen lezen (vaardigheden) Perceptuele priming: effecten van eerdere aanbieding van bijvoorbeeld een woord of figuur op de latere herkenning hiervan of reactie hierop. Zie ook priming. Klassieke conditionering: leren door associatie van een conditionele en een nietconditionele prikkel.

Gevoelig voor afleiding Structurele veranderingen Eiwitproductie Veranderde genexpressie

KTG Ja Nee Nee Nee

LTG Nee Ja Ja Ja

17


Niek Groot

Prefrontale cortex De prefrontale cortex is betrokken bij cognitieve en emotionele functies als beslissingen nemen, plannen, sociaal gedrag en impulsbeheersing. Het dorsolaterale deel (in tabel: DLPFC) is veel in verband gebracht met het werkgeheugen. Men spreekt in dit verband ook wel van executieve functies. Vanwege de connectie met emoties, wordt de prefrontale cortex tot het limbisch systeem (groep structuren in de hersenen die betrokken zijn bij emotie, motivatie, genot en het emotioneel geheugen) gerekend. Ook functies van de ventromediale prefrontale cortex (VMPFC) worden vaak geassocieerd met controle van emoties. Verschillende circuits die belangrijk zijn voor transport van de neurotransmitter dopamine hebben uitlopers naar de prefrontale cortex. Ook stuurt de prefrontale cortex commando’s naar sensorische cortexom activiteit te handhaven, zodat het ongevoelig wordt voor afleiding. Opslag van informatie De indeling van het langetermijngeheugen is mede gebaseerd op hersenonderzoek bij mensen en dieren. Een belangrijk ontdekking daarbij was dat het declaratieve geheugen wordt gevormd door leerprocessen waarbij vooral de mediale temporale schors (inclusief hippocampus) is betrokken. Beschadiging van de hippocampus of de aangrenzende gebieden in de mediale temporale kwab, leidt vaak tot ernstige stoornissen in het vastleggen van nieuwe kennis van feiten en gebeurtenissen. Onderzoek bij mensen heeft aangetoond dat de hippocampus vooral betrokken is bij het opslaan van nieuwe herinneringen die betrekking hebben op bepaalde feiten of gebeurtenissen. Dit wordt ook wel expliciet of declaratief geheugen genoemd. Daarbij lijkt vooral de context van deze gebeurtenissen van belang te zijn, zoals bij gebeurtenissen die zich in iemands persoonlijk leven hebben voorgedaan. Prikkels die interessant of belangrijk bevonden worden, zullen worden opgeslagen in de cortex (het langetermijngeheugen). Dit proces, ook wel consolidatie genoemd, kan soms wel een aantal weken, of langer in beslag nemen. Het is nog onduidelijk in hoeverre de hippocampus een rol speelt bij het bewaren/ophalen van oude herinneringen. Wél bestaat het vermoeden dat de hippocampus betrokken is bij ophalen van herinneringen die nog relatief vers in het geheugen liggen. Aangrenzende mediale temporale gebieden zoals de eerder genoemde cortex entorhinalis (MOET JE KENNEN!) zijn ook betrokken bij de opslag van nieuwe kennis in de hersenen. Er zijn aanwijzingen uit onderzoek bij mens en dier dat de rol van hippocampus na een relatief korte periode is uitgespeeld, waarna een voortgezet consolidatieproces plaatsvindt in de aangrenzende gebieden en uiteindelijk ook op niveau van intracorticale verbindingen binnen de neocortex zelf. Dit verklaart mogelijk ook waarom bij laesies van de mediale temporale gebieden soms een retrograde amnesie van enkele jaren optreedt: kennelijk is met het volledige proces van informatieopslag in de hersenen een relatief lange periode gemoeid. Een gebeurtenis die bijvoorbeeld een jaar geleden heeft plaatsgevonden, is dan mogelijk nog niet verankerd in het langetermijngeheugen. De definitieve opslag van kennis in het langetermijngeheugen vindt vermoedelijk niet plaats in de hippocampus zelf, maar in 'hogerop' gebieden van de neocortex zoals de pariëtale en temporale cortex (zie figuur hiernaast).

18


Niek Groot

Ruimtelijke oriëntatie Dieronderzoek met ratten heeft duidelijk gemaakt dat de hippocampus een rol speelt bij het ruimtelijke navigeren en oriënteren. Het is echter nog onduidelijk of bij mensen de hippocampus specifiek betrokken is bij ruimtelijke navigatie, of een meer algemene functie heeft bij de opslag van kennis in het geheugen. Een studie die mogelijk wijst op een specifieke rol bij ruimtelijke oriëntatie is een MRI-onderzoek bij Londense taxichauffeurs van Maguire e.a. Bij taxichauffeurs had het achterste deel van de rechter hippocampus een groter volume dan bij een groep controleproefpersonen. Dit verschil nam bovendien toe met het aantal jaren rijervaring als taxichauffeur.

Ophalen van informatie Zie afbeelding hieronder. Bedenk wel dat er tussen de hippocampus en de cortical modules nog de enthorinale cortex zit! Ik zou die even doorlezen in het boek, ik ben het mooie verhaal wat dr. Van der Zee tijdens het college vertelde deels vergeten.

19


Niek Groot

Ophalen van geheugen Voor het ophalen is de context essentieel; deze context is nodig voor de reconstructie, het “weven van een coherent beeld uit losse stukjes”.  

Reactivatie van dezelfde circuits van neuronen die ook aktief waren tijdens de codering (het engram) via de hippocampus (= overgang van LTG naar KTG) Een sterk geconsolideerde herinnering heeft de hippocampus niet meer nodig

20


Niek Groot

Sensitisatie Sensitisatie is een vorm van niet-associatief leren waarbij een versterking van een reflex op prikkels plaatsvindt. Het wordt samen met habituatie gerekend tot een van de subvormen van het impliciet of niet-declaratief geheugen. Sensitisatie kan worden aangetoond door aan een proefdier een schadelijke stimulus (zoals een milde elektrische schok) toe te dienen. Bij de zeeslak (Aplysia californica) zal bijvoorbeeld een schokje toegediend op de staart leiden tot een versterking van de kieuwreflex op een neutrale prikkel (zoals aanraken van de sifon). Deze toestand kan minuten of soms nog langer voortduren. Je kunt dus zeggen dat sensitisatie het tegenovergestelde is van habituatie. Hippocampus De hippocampus is een gebied dat diep in de hersenen ligt met min of meer de vorm van een zeepaardje (=hippocampus). Dit gebied speelt een grote rol bij het leren en bij het langetermijngeheugen. Het is een soort sorteerplaats voor het geheugen waar belangrijke gebeurtenissen geselecteerd worden om bewaard te worden. Ook is de hippocampus betrokken bij het herkennen van nieuwe dingen en bij ruimtelijke verhoudingen. Patient H.M. HM leed aan een ernstige vorm van epilepsie. Die was ontstaan door een ongeluk met zijn fiets, toen hij 9 jaar oud was. Om de symptomen van deze ziekte te bestrijden, waren in 1953 langs chirurgische weg in de bilaterale temporale cortex grote delen van de hippocampus, de gyrus parahippocampalis en de amygdala verwijderd. Na de operatie bleek HM te lijden aan een ernstige vorm van anterograde amnesie: een onvermogen om nieuwe feiten of gebeurtenissen te onthouden. Als hij bekenden tegenkwam, was het steeds alsof hij hen voor het eerst ontmoette. Zelfs schokkende voorvallen waren na enkele minuten geheel uit zijn geheugen verdwenen. Het geheugen voor feiten of gebeurtenissen die zich hadden afgespeeld in de periode ver vóór de operatie, was echter nog nagenoeg intact. Ook bleken zijn motorische vaardigheden nog intact te zijn. Hij kon nieuwe dingen aanleren (zoals het natekenen van een sterfiguur in spiegelbeeld) en blijvend beheersen, zonder dat hij zich herinnerde hoe hij die geleerd had. Dit was een bewijs dat in de hersenen verschillende geheugensystemen bestaan. Vooral de hippocampus bleek een belangrijke rol te vervullen bij het onthouden van nieuwe feitelijke kennis, ook wel declaratief geheugen genoemd.

21


Niek Groot

Daarentegen was zijn geheugen voor het aanleren van vaardigheden, dat tot het nietdeclaratief of procedureel geheugen wordt gerekend, nog intact. Ook deed HM het nog goed bij plaatjes-herkenningstesten, al kon hij nooit bewust gezichten onthouden. Hierbij herinnerde hij zich niet expliciet dat hij bepaalde stimulusplaatjes al eerder had gezien, maar hij kon toch aangeven welke hij herkende.

Amygdala De amygdala legt verbanden tussen informatie die van verschillende zintuigen afkomstig is en koppelt deze aan emoties. Bij iedere nieuwe situatie bepaalt het individu welke emotionele reactie het meest zinvol is. Daarbij reageert de amygdala bijvoorbeeld ook op de gezichtsuitdrukking van soortgenoten. De reactie van de amygdala op prikkels die angst veroorzaken kan snel en volledig automatisch (d.w.z.reflexmatig) plaatsvinden. De amygdala speelt een belangrijke rol bij het vormen en opslaan van herinneringen aan emotionele gebeurtenissen. Daarbij wordt informatie die afkomstig is van verschillende zintuigen geïntegreerd. De amygdala werkt bij de geheugenopslag nauw samen met de hippocampus. Samen vormen zij een soort werkgeheugen met tijdelijke opslag, het kortetermijngeheugen. Na enige tijd wordt de informatie overgebracht naar het langetermijngeheugen in de hersenschors.

22


Niek Groot

Langetermijnpotentiatie Langetermijnpotentiatie (LTP) is een langdurige verhoging van doeltreffendheid van een synaps. LTP impliceert een versterking van de synaptische verbinding tussen twee neuronen door gelijktijdige activatie van presynaptisch en postsynaptisch neuron. Het wordt gezien als een elektrofysiologische manifestatie van het principe van synaptische versterking dat door Donald Hebb voor het eerst is beschreven. In een experimentele opstelling kan men korte, hoogfrequente elektrische prikkels toedienen aan de synaps van een neuron. Deze prikkels, ook wel stimuli genoemd, kunnen de synaps sterker maken, potentiëren. Dit effect duurt van enkele minuten tot urenlang. In cellen vindt spontaan LTP plaats, het effect daarvan kan zelfs jaren aanhouden. Het mechanisme achter LTP berust op specifieke eigenschappen van zogeheten NMDA (Nmethyl-D-aspartaat) receptoren. Deze vinden we in veld CA1 en in de gyrus dentatus van de hippocampus. NMDA receptoren hebben namelijk als bijzondere eigenschap dat zij reageren op een conjunctie (samengaan) van twee factoren, depolarisatie van het postsynaptische membraan en vrijkomen van glutamaat in het presynaptisch membraan. Normaal zijn deze receptoren geblokkeerd door magnesiumionen. De blokkade blijft gehandhaafd als glutamaat uit de boutons terminaux (eindknopjes) van het presynaptisch neuron zich bindt met de receptor. Pas als het postsynaptisch membraan is gedepolariseerd door de krachtige puls (of hoogfrequente pulsentrein), wordt de blokkade door magnesium opgeheven, waardoor calciumionen (die een kritieke rol spelen bij het tot stand komen van synapspotentiatie) vrij kunnen binnenstromen. Het zogenaamde crebeiwit is het eiwit dat er uiteindelijk voor zorgt dat er meer genen worden afgeschreven voor de vorming van nieuwe receptoren (zie afbeelding hieronder).

23


Niek Groot

24


Niek Groot

25


Niek Groot

Adenosine Onderzoek laat zien dat een bepaalde stof, die adenosine wordt genoemd, geleidelijk opbouwt in het bloed wanneer we wakker zijn en waardoor slaperigheid wordt veroorzaakt. Het niveau van adenosine in het bloed neemt vervolgens weer af als we slapen. Caffeine is een bekende adenosine receptor antagonist. Hierdoor zal het lichaam niet meer kunnen ‘meten’ hoeveel adenosine er op dat moment in het bloed zit en dus geen slaapgevoel kunnen opwekken. Glycogeen in gliacellen In tegenstellen tot neuronen is het voor gliacellen mogelijk om glycogeen op te slaan. Neurale activiteit zal langzaam de energiebronnen uitputten die vervolgens weer aangevuld moeten worden. Slaap dient ervoor om deze energievoorraden weer aan te vullen.

26


Niek Groot

Antwoord op de vraag: Reactivatie van sterke synapsen en het uitwissen van zwakke synapsen

27


Niek Groot

Colleges 12 maart 2012 Dr. Groothuis Priming Priming is het sneller herkennen van, of reageren op een bepaalde stimulus als men deze eerder heeft waargenomen. Het wordt beschouwd als een van de manifestaties van het impliciete, of niet-declaratieve geheugen. In een typisch priming-experiment krijgt een proefpersoon eerst in de studeerfase een lijst van woorden of voorwerpen te zien. Om te vermijden dat men de woorden probeert te onthouden, krijgt men daarbij de opdracht de woorden c.q. objecten te beoordelen op aantrekkelijkheid, kleur of grammaticale aspecten. In de daaropvolgende testfase krijgt men weer een lijst met woorden te zien waarvan de helft correspondeert met woorden in de lijst van de studeerfase. Men krijgt daarbij bijvoorbeeld opdracht de woorden zo snel mogelijk na te zeggen. De reacties zijn dan doorgaans sneller voor de herhaalde dan niet herhaalde woorden. Operante conditionering Operante conditionering of instrumenteel leren is het leerproces waarbij een respons in een bepaalde context gevolgd wordt door een bekrachtiger (Engels: reinforcer) of bestraffer (Engels: punishment). Een bekrachtiger is elke gebeurtenis die de kans vergroot dat dezelfde respons in de toekomst weer zal optreden. Een bestraffer is daarentegen elke gebeurtenis die de kans verkleint dat de respons weer zal optreden. In dierexperimenten is de bekrachtiger vaak voedsel of drank, en de bestraffer een elektrisch schokje. Soms spreekt men ook wel van positieve en negatieve bekrachtigers. Klassieke conditionering Klassieke conditionering, stimulussubstitutie of S-leertype komt neer op het leren van voorwaardelijke reflexen. Leergedrag dat tot stand komt via klassieke conditionering wordt gerekend tot een van de ondervormen van het impliciete of niet-declaratieve geheugen. Klassieke conditionering is onderworpen aan een aantal wetten, de conditioneringswetten. Aangenomen wordt dat klassiek conditioneren berust op een adaptief mechanisme waardoor organismen leren toekomstige prikkels met een overlevingswaarde te voorspellen.Klassiek conditioneren gebeurt door een neutrale of conditionele stimulus/voorwaardelijke prikkel (CS: bijvoorbeeld een toontje of lichtflits) te laten volgen door een ongeconditioneerde stimulus/onvoorwaardelijke prikkel (UCS: bijvoorbeeld een milde elektrische schok). De UCS is meestal een stimulus met biologische relevantie, zoals pijn (negatief) of voedsel (positief). Na enige tijd zal de reactie (of reflex) die oorspronkelijk alleen na UCS optrad, ook na de CS optreden (hierbij wordt dus de UCS weggelaten). Dit noemt men dan de conditionele of geconditioneerde reactie: CR. Ander termen daarvoor zijn: voorwaardelijke of geconditioneerde reflex.

28


Niek Groot

Mimicry Bij mimicry, mimicrae of nabootsing lijkt een dier of plant op een ander dier of plant, veel meer dan door toeval, levenswijze en gezamenlijke afstamming verwacht mocht worden. Een van beide soorten bootst de andere soort na. Het is een variant van camouflage waarbij het dier de herkenning niet vermijdt maar als iets anders herkend zal worden. Shaping Shaping is een procedure om nieuw gedrag stapsgewijs aan te leren via positieve bekrachtiging. Technisch gaat het om het ontwikkelen van nieuw gedrag door opeenvolgende selectieve bekrachtiging van gedrag dat het vooropgestelde doelgedrag steeds dichter benadert (door selectieve beloningen gedrag aanpassen). Sociale facilitate Social facilitation is the tendency for people to do better on simple tasks when in the presence of other people. This implies that whenever people are being watched by others, they will do well on things that they are already good at doing. The idea that social evaluation has an impact on performance sparked interest in the psychological reasons behind this phenomenon, leading to further research surrounding the Social Facilitation Theory and its implications. For example, a star soccer player may perform better in his game when more people are watching him perform. However, if a person is asked to fix a car’s engine during a road race but is not a mechanic, he will not perform as well if he is aware of the presence of others than he would in a situation when he feels less evaluated or pressured, like just trying to fix a car in his garage. Imitatie Imitatieleren (observationeel leren) is het kopiëren van gedrag. Bij sommige hogere diersoorten (primaten) hebben de jongere dieren de neiging om alles na te doen (vandaar het woord ‘na-apen’) wat oudere of dominantere groepsleden doen. Ook bij bepaalde vogelsoorten komt dit voor (denk aan het praten bij papegaaien). Zo kan een nieuwe hond in het gezin het blaffen bij de deurbel van andere honden over nemen zonder dat hij hiervoor geconditioneerd is; hij imiteert simpelweg het gedrag van andere groepsleden. Of denk aan de moederhond die haar puppies leert graven. Spiegelneuronen Een spiegelneuron of spiegelcel is een neuron dat niet alleen vuurt als een dier een handeling uitvoert, maar ook als het dier een handeling ziet uitvoeren door een ander dier (vooral van dezelfde diersoort). Het neuron weerspiegelt dus als het ware het gedrag van een ander dier en is op dezelfde manier actief als wanneer het dier de handeling zelf uitvoert. Dergelijke neuronen zijn gevonden bij primaten, waaronder de mens, en bij sommige vogels. Bij mensen bevinden ze zich in de premotorische cortex en in de pariëtale kwabben van de hersenen. Er zijn verschillende theorieën over de werking en functie van spiegelneuronsystemen en het onderzoek is dan ook in volle gang. Naar men aanneemt spelen ze een rol bij het begrijpen en interpreteren van de acties van anderen en het leren van nieuwe vaardigheden door imitatie. 29


Niek Groot

Principe van equipotentiality In behaviorism, the theory of equipotentiality suggests that any two stimuli can be associated in the brain, regardless of their nature. It proposes that all forms of associative learning, both classical (Pavlovian) and operant (Skinnerian) involve the same underlying mechanisms. However, food avoidance experiments have questioned its application. General proces theory Deze theorie stelt dat een diersoort dingen kan leren, mits het aan een aantal voorwaarden voldoet. Ten eerste moet het tijdsinterval tussen de handeling en de beloning niet te lang zijn. Ten tweede moet het dier associaties in tijd kunnen maken. Ten derde moet het dier beloond worden (spreekt redelijk voor zich). Als laatste moet het verassingseffect blijven, hierdoor zal het leerproces nog sneller verlopen. Weerlegging van de theorieën De hier bovengenoemde theorieën blijken niet te kloppen. Een soort zal altijd soortspecifieke predisposities hebben, net als een phyletisch geheugen (structuur hersenen). Ook zal een bepaalde soort misschien zgn. constrains in learning hebben (gebrek aan ledematen o.i.d.), waardoor het een bepaalde handeling minder goed zal kunnen aanleren. Taste aversion learning Conditioned taste aversion occurs when a subject associates the taste of a certain food with symptoms caused by a toxic, spoiled, or poisonous substance. Generally, taste aversion is caused after ingestion of the food causes nausea, sickness, or vomiting. The ability to develop a taste aversion is considered an adaptive trait or survival mechanism that trains the body to avoid poisonous substances (e.g., poisonous berries) before they can cause harm. This association is meant to prevent the consumption of the same substance (or something that tastes similar) in the future, thus avoiding further poisoning. However, conditioned taste aversion sometimes occurs in subjects when sickness was merely coincidental and not related to the food (for example, a subject who gets a cold or the flu shortly after eating bananas might develop an aversion to the taste of bananas). Latent leren Latent is een ander woord voor ongemerkt. In feite betekent latent leren dus ongemerkt leren. Voorbeeld: als een dier zijn territorium verkent, leert hij ondertussen ongemerkt ontzettend veel over zijn omgeving. Dit kan later nog van pas komen, bijvoorbeeld bij het zoeken van een schuilplaats. Alle vormen op een rijtje Inprenting is een leerproces dat plaatsvindt gedurende een gevoelige periode, meestal tijdens de eerste levensfase. Dit is een periode waarin het dier extra gevoelig is om bepaalde processen te leren. Je kunt bijvoorbeeld denken aan jonge vogels, die gedurende de eerste weken na geboorte hun moederfiguur inprenten en daar vervolgens niet meer van af wijken.

30


Niek Groot

Habituatie komt pas na enige tijd voor. Het gaat hier om een prikkel die eerst meerdere malen herhaald moet worden, waarna het dier deze prikkel zal negeren. Denk bijvoorbeeld aan een boer die met geweerschoten de vogels van zijn land jaagt; na een week begrijpen de vogels dat er verder niets gebeurt, en zullen ze op het land blijven. Conditionering valt onder te verdelen in drie subgroepen: trial-and-error, klassiek conditioneren en operant conditioneren. Trial-and-error is een veelvoorkomende en makkelijk te begrijpen leerproces. Hierbij gaat het erom dat een dier proefondervindelijk leert dat hij beter wel of juist niet kan doen. Een goed voorbeeld is een vogel die een zwart-oranje, giftige rups eet en daar ziek van wordt. Deze vogel zal de volgende keer geen zwart-oranje rupsen meer eten. Klassiek conditioneren is wat ingewikkelder. Deze vorm van conditioneren zorgt ervoor dat een dier een actie uitvoert, die oorspronkelijk niet door de gegeven prikkel veroorzaakt wordt. De Rus Ivan Pavlov deed ooit onderzoek naar dit type leerproces, hij gebruikte hiervoor honden. Hij liet dan vijf seconden voordat de honden voedsel kregen een belletje rinkelen, waarop de honden (na verloop van tijd) begonnen te kwijlen bij het horen van de bel. Oorspronkelijk gaat een hond helemaal niet kwijlen van het geluid van de bel, maar omdat hij heeft geleerd dat hij daarna voedsel krijgt, doet hij dit toch. Op het plaatje zie je de hond van Pavlov, in de hoek van zijn bek zit een reageerbuisje om de hoeveelheid afgegeven speeksel te meten.

Operant conditioneren is het laatste type onder het kopje conditioneren. Hierbij heeft het effect van de prikkel invloed op de frequentie waarmee het gedrag (de operant) plaatsvindt. Ooit is er een proef uitgevoerd waarbij een muis een snoepje ontving, elke keer als hij op een hendel drukte. Toen de muis doorhad dat dit het geval was, drukte hij steeds vaker op de hendel. Imitatie is het proces waarbij een dier leert door het gedrag van soortgenoten na te bootsen. Op deze manier leren jonge vogels de soortspeficieke zang, gewoon door goed naar de ouders te luisteren. Latent is een ander woord voor ongemerkt. In feite betekent latent leren dus ongemerkt leren. Voorbeeld: als een dier zijn territorium verkent, leert hij ondertussen ongemerkt ontzettend veel over zijn omgeving. Dit kan later nog van pas komen, bijvoorbeeld bij het zoeken van een schuilplaats. Tenslotte volgt nog het inzicht. Dit is het leerproces waarbij de mens een enorme voorsprong heeft op andere diersoorten. In een onbekende situatie is de mens in staat de oplossing van een probleem te vinden door verschillende vroeger opgedane ervaringen te combineren. Ook soortgelijke diersoorten als de aap zijn hier vrij goed in. Apen kunnen namelijk kisten stapelen, waarop ze dan gaan staan om bij een tros bananen te kunnen. 31


Niek Groot

Filial imprinting The best-known form of imprinting is filial imprinting, in which a young animal acquires several of its behavioral characteristics from its parent. It is most obvious in nidifugous birds, which imprint on their parents and then follow them around. It was first reported in domestic chickens, by the 19th-century amateur biologist Douglas Spalding. Lorenz demonstrated how incubatorhatched geese would imprint on the first suitable moving stimulus they saw within what he called a "critical period" between 13–16 hours shortly after hatching. For example, the goslings would imprint on Lorenz himself (to be more specific, on his wading boots), and he is often depicted being followed by a gaggle of geese who had imprinted on him. Filial imprinting is not restricted to non-human animals that are able to follow their parents, however. In child development, the term is used to refer to the process by which a baby learns who its mother and father are. The process is recognised as beginning in the womb, when the unborn baby starts to recognise its parents' voices. Uit de afbeelding hierboven blijkt dat groep II (ouder dan groep I) een grotere voorkeur voor de fowl (nepkip) hebben, ondanks dat zij alleen nog maar licht hadden gezien. Het blijkt dus dat een dier (kuiken in dit geval) een predispositie heeft voor zijn eigen soort. •

Kanalisatie door predispositie

•

Flexibiliteit waardoor eigen moeder geleerd kan worden (of adoptiemoeder)

•

Gevoelige periode draagt zorg voor stabiliteit

•

Neurobiologie deels bekend

32


Niek Groot

Colleges 13 maart 2012 Dr. Gerkema Chronobiologie De chronobiologie bestudeert de temporele organisatie van gedrag en fysiologie. Hiermee bedoelt men verschillende biologische ritmes en moleculaire, centrale en perifere kloksystemen. Circadiaan ritme Een circadiaan ritme is een biologisch ritme waarvan de cyclus ongeveer één dag duurt (Latijn: circa = ongeveer, dies = dag). Men spreekt ook wel van een 24-uurs ritme of slaapwaakritme. Een organisme is onderhevig aan een groot aantal biologische processen, die doorgaans automatisch verlopen volgens een bepaald ritme. Circadiaan verlopende functies vertonen een patroon dat dagelijks herhaald wordt. Het ritme wordt via de biologische klok endogeen gestuurd (door innerlijke erfelijke factoren in de hersenen vastgelegd) en functioneert onafhankelijk van omgevingsfactoren als licht en temperatuur. De lichaamstemperatuur (rectaal gemeten) is een goed voorbeeld van een functie met een circadiaan ritme. In de late middag (6 uur voor het inslapen) is deze het hoogst, en 2 uur na het inslapen het laagst. Ook andere lichaamfuncties vertonen een circadiaan ritme, zoals afscheiding van bepaalde hormonen, hartritme, slaappatroon, volume van de urineblaas, behoefte aan eten en drinken en gevoeligheid voor farmaca. Wordt het individu afgeschermd van bepaalde omgevingsfactoren, dan blijven de circadiaan verlopende processen volgens hun eigen innerlijke ritme doorlopen. Onder invloed van uiterlijke factoren, zoals zonlicht, getijden, klimaat of sociale omgeving, worden de circadiane invloeden afgezwakt en wordt het gedrag van het individu meer bepaald door die omgevingsfactoren. In omstandigheden waar kunstmatig de omgeving altijd licht of donker wordt gehouden blijft het circadiane ritme gehandhaafd. Hierbij ontbreekt dus tijdaanduiding van de omgeving (ook wel Zeitgeber) genoemd en gaat het endogene (eigen) ritme overheersen. Het ritme is bijvoorbeeld in een altijd donkere omgeving iets korter dan 24 uur, waardoor het over opeenvolgende dagen steeds iets naar voren schuift in de tijd (vrijloop). 33


Niek Groot

Interne synchronisatie Onder normale omstandigheden onderhouden de verschillende ritmen van de lichaamsfuncties een vaste tijdsrelatie tot elkaar, ze zijn onderling in de tijd gekoppeld, de zg. interne synchronisatie. Deze interne koppeling kan worden bepaald door het verloop van elk van de afzonderlijke ritmen te beschrijven door middel van een curve, de tijd te bepalen waarop de hoogste waarde wordt bereikt, de zg. acrofase en deze momenten in een fasekaart weer te geven. Veel ritmen blijken dan een eigen, kenmerkende acrofase te hebben (zie hiernaast). Ultradiaan ritme Alle ritmen die sneller verlopen dan dan de circadiane ritmen noemt men ultradiaan. Er zijn veel voorbeelden van korte ritmen met een periode van één tot enkele uren. Eetgedrag bij (zoog)dieren, maar bijvoorbeeld ook de concentratie van bepaalde hormonen in het bloed, of de afwisseling van bepaalde slaapstadia. Maar bij ultradiane ritmen horen dus ook veel snellere ritmen, zoals ademhaling en bloedsomloop. Al deze ritmen hebben gemeen dat ze betrokken zijn bij de inwendige besturing van een organisme en zijn vaak minder nauwkeurig dan circadiane ritmen. Maar overigens verschillen ultradiane ritmen in functies en waarschijnlijk ook in mechanismen. Samenhangen tussen ultradiane gedrags- en hormoon-ritmen zijn wel verondersteld maar niet bewezen. Van de hartslag weten we dat deze gestuurd wordt door een eigen gangmaker, bij de “uurs”-ritmen tasten we daar nog in het duister. Misschien is daar ook een klokmechanisme, of misschien een soort regelmechanisme als van een verwarmingsthermostaat. Infradiaan ritme Naast het circadiane en utradiane ritme, zijn er ook allerlei processen in de biologie met een ritme dat juist langer duurt dan 24 uur. Bij dit soort processen die langer duren dan 24 uur, kun je denken aan de menstruatiecyclus of bij dieren bijvoorbeeld een winterslaap. Het meeste onderzoek in de chronobiologie richt zich echter op de circadiane ritmiek, daarom is er heel weinig informatie bekend over het infradiane ritme. Homeostatische regulatie vs. klokregulatie De timing van een proces hangt af van de voorgeschiedenis: hoe langer in het nest, hoe later de volgende cyclus begint (stekelbaars). Je kunt dus zeggen dat gedrag wel invloed heeft op de homeostase. Bij klokregulatie is dit niet het geval. Een muis die heel veel honger heeft, zal alsnog op dezelfde intervallen eten gaan zoeken als een niet-hongerige muis. Gedrag heeft dus wel invloed op homeostatische regulatie, maar niet op de klokregulatie. 34


Niek Groot

Suprachiasmatische nucleus De nucleus suprachiasmaticus is een kleine groep neuronen (zenuwcellen) in de hypothalamus. Deze kern wordt als een belangrijke schakelfactor bij het bioritme gezien. Wanneer bij proefdieren de nucleus suprachiasmaticus wordt verwijderd blijken deze dieren een verstoord bioritme te ontwikkelen. De nucleus suprachiasmaticus krijgt via visuele informatie over de omgeving en wordt daardoor telkens bijgesteld. Hierop stimuleert deze kern de epifyse (=pijnappelklier) die op haar beurt weer het hormoon melatonine afgeeft. Dat de ogen een belangrijke factor in de werking van de nucleus suprachiasmaticus zijn blijkt uit de verstoorde slaapritmes van blinden. De nucleus suprachiasmaticus dankt zijn naam aan zijn ligging: deze kleine groep neuronen ligt boven (supra) het chiasma opticum, waar de gezichtsbanen kruisen. Een belangrijk onderdeel van het bioritme is het dagen nachtritme. Verondersteld wordt dat een cyclisch chemisch proces binnen deze kern verantwoordelijk is voor dit ritme. Wanneer het donker wordt, geven speciale lichtreceptoren in de ogen een signaal aan de nucleus suprachiasmaticus, waardoor twee verschillende eiwitten (soms timeless en period genoemd) zich verbinden. Dit proces gaat de hele nacht door. Zodra de ogen weer licht waarnemen, wordt het samengaan van deze eiwitten geblokkeerd. Vanaf dat moment beginnen de verbonden eiwitten langzaam uit elkaar te vallen in hun oorspronkelijke twee vormen. Tegen de avond is dit proces volledig afgerond. Zodra het opnieuw donker wordt, herhaalt deze cyclus zich. Het verbinden en weer loslaten van de beide eiwitten kan het beste gezien worden als een zandloper, die bij het begin van het licht en van het donker worden wordt omgedraaid. Blootstelling aan fel licht laat in de avond of totale verduistering van de slaapkamer in de ochtend, kan dit proces beïnvloeden. Bij een te verwachten jetlag, kan het lichaam zo al voorbereid worden op het nieuwe ritme en eenmaal op de plaats van bestemming is blootstelling aan daglicht een goede remedie om de jetlag op te lossen. Zonnekompas spreeuw Tijdens het college werd er verteld dat de spreeuw altijd in staat is op het westen te vinden. Dit doet hij m.b.v. de zon. In de ochtend weet de spreeuw dat hij van de zon af moet vliegen om zo richting het westen te vliegen. Ook weet hij dat hij s ’middags haaks op de zon moet vliegen (zon in het zuiden), om op deze manier richting het westen te vliegen. Twee processen van slaapregulatie Slaap wordt gereguleerd door twee processen, namelijk het slaap-waak ritme (homeostatische regulatie, S) en het circadiaanse ritme (C). Als je deze twee processen combineert, krijg je een soort intermediair waarin een duidelijk patroon te zien is. Hierin is de periode van slaap weergeven met een blauwe balk onder de grafiek.

35


Niek Groot

NREM en REM-slaap Het meest algemene onderscheid dat gemaakt wordt tussen de verschillende slaapfases is de remslaap en de non-remslaap. In de non-remslaap laat het EEG langzame golfbewegingen zien met frequenties van 4-13 Hertz, zijn de spieren verslapt en maken de ogen langzaam rollende bewegingen (=Rapid Eye Movement). De non-remslaap (trage slaap) is de beginfase van de slaap waarin een geleidelijke vertraging van de hersengolven optreedt. In deze fase zijn de ogen en de spieren rustig en ontspannen.

Transplantatie van de suprachiasmatische nucleus

36


Niek Groot

Colleges 14 maart 2012 Dr. Gerkema SCN Many aspects of mammalian behavior and physiology show circadian rhythmicity, including sleep, physical activity, alertness, hormone levels, body temperature, immune function, and digestive activity. All of these diverse rhythms are controlled by a single tiny brain area, the SCN, and are lost if the SCN is destroyed. In the case of sleep, for example, the total amount is maintained in rats with SCN damage, but the length and timing of sleep episodes become erratic. The importance of entraining organisms, including humans, to exogenous cues such as the light/dark cycle, is reflected by several circadian rhythm sleep disorders, where this process does not function normally. SCN Lesies Wanneer er via een elektroden een lesie wordt gemaakt in de SCN zullen er aritmische gedragseigenschappen in het drinkgedrag en de locomotie van de rat optreden. Ook zullen deze lesies effect hebben op het slaapritme (zie afbeelding onderaan de pagina). Nu we dit weten kunnen we gaan kijken wat lesie experimenten voor invloed hebben op het circadiaan en ultradiaan ritme. Het blijkt dat er nog steeds een ultradiaan ritme is wanneer er een lesie wordt gemaakt in de SCN(-X) (B). Pas wanneer er ook een lesie wordt gemaakt in de retrochiasmatische nucleus RCA(-X) blijkt dat er geen ultradiaan ritme meer overblijft (C). Je moet dus onthouden dat een lesie in de RCA(-X) nodig is om het ultradiaan ritme te stoppen. Het bleek ook mogelijk te zijn om een SCN van de ene naar de andere hamster te transplanteren. Wanneer er in de hersenen van hamster A een lesie was gemaakt, bleek deze hamster weer een normaal (circadiaan) ritme te hebben wanneer deze een SCN transplantatie met de hersenen van een gezonde hamster onderging.

37


Niek Groot

In vitro SCN cellen De zenuwcellen van de nucleus suprachiasmaticus vertonen een intrinsieke ritmische activiteit die blijft bestaan wanneer de cellen in vitro worden geïsoleerd. PER-Gen Period (per) is a gene located on the X chromosome of Drosophila melanogaster. Oscillations in levels of both per transcript and its corresponding protein PER have a period of approximately 24 hours and together play a central role in the molecular mechanism of the Drosophila biological clock driving circadian rhythms in eclosion and locomotor activity. Mutations in the per gene can shorten, lengthen and even abolish the period of the circadian rhythm. CRY-Gen Cryptochromes are a class of blue light-sensitive flavoproteins found in plants and animals. Cryptochromes are involved in the circadian rhythms of plants and animals, and in the sensing of magnetic fields in a number of species. The name Cryptochrome was proposed as a pun combining the cryptic nature of the photoreceptor, and the cryptogamic organisms on which many blue light studies were carried out. The two genes Cry1 and Cry2 code for the two cryptochrome proteins CRY1 and CRY2. In insects and plants, CRY1 regulates the circadian clock in a lightdependent fashion. Studies in animals and plants suggest that cryptochromes play a pivotal role in the generation and maintenance of circadian rhythms. In Drosophila, cryptochrome (dCRY) acts as a blue-light photoreceptor that directly modulates light input into the circadian clock, while in mammals, cryptochromes (CRY1 and CRY2) act as transcription repressors within the circadian clockwork. KaiA, KaiB en KaiC Lang hebben onderzoekers gedacht dat bacteriën te simpel waren om ook dag-en-nacht ritmes te hebben. Het was daarom een grote verrassing toen bijna twintig jaar geleden bleek dat cyanobacteriën – een belangrijke groep bacteriën die hun energie uit zonlicht halen - wel degelijk eenzelfde soort biologische klok hebben als meercellige organismen. De klok in cyanobacteriën wordt gevormd door een biochemisch netwerk van drie op elkaar reagerende klokeiwitten, KaiA, KaiB en KaiC. KaiC wordt met een periode van een dag gefosforyleerd, 38


Niek Groot

een proces waarbij een eiwit gemerkt wordt met een fosfaatgroep. Alleen gedurende de nacht zijn de meeste KaiC-eiwitten gefosforyleerd en kan KaiC bijna alle activiteit in de cel stilleggen. Hoewel de biologische klok van cyanobacteriën waarschijnlijk onafhankelijk van die van andere organismen geëvolueerd is, vermoedde men dat hun klokken wel op dezelfde manier werken: namelijk door de gecontroleerde productie en afbraak van klokeiwitten. Tot ieders verbazing echter bleek uit recente experimenten dat het 24-uurs ritme in fosforylatie van KaiC gereproduceerd kan worden door de drie klokeiwitten in een reageerbuis samen te voegen. Dit was een spectaculair resultaat, niet alleen omdat het Kai-systeem hiermee één van de eerste biochemische netwerken is dat men buiten de cel in een reageerbuis werkend kan krijgen, maar ook omdat het liet zien dat de hoeveelheid klokeiwitten niet verandert en dat een fundamenteel ander mechanisme verantwoordelijk moet zijn voor het werken van de klok. Hóe de interacties tussen de drie klokeiwitten leiden tot een biologische klok was tot nu toe echter nog niet bekend. (Afbeelding: In de cyanobacterie Synechococcus elongatus wordt KaiC met een periode van 24 uur gefosforyleerd en gedefosforyleerd. 's Nachts is KaiC gefosforyleerd. Het kan dan het DNA binden en daarmee de expressie van genen onderdrukken). Perifere klokken De perifere klokken (lever en andere organen) staan onder invloed van de centrale biologische klok en zij zullen na enige tijd meeschuiven als de centrale klok verschuift. De perifere klokken stellen zich niet zelf in op de afwisseling van licht en donker (zoals de centrale klok). Signalen die voor het betreffende orgaan van specifiek belang zijn, spelen een grote rol in het afstemmen van het ritme van de perifere klok. De lever is bijvoorbeeld actief als de spijsvertering op volle toeren draait. Wanneer op vaste tijden wordt gegeten, leert de lever als het ware wanneer het etenstijd is en kan zich zo alvast voorbereiden op zijn taak. 39


Niek Groot

Entrainment Entrainment, within the study of chronobiology, occurs when rhythmic physiological or behavioral events match their period and phase to that of an environmental oscillation. A common example is the entrainment of circadian rhythms to the daily light–dark cycle, which ultimately is determined by the Earth's rotation. The term entrainment is justified because the biological rhythms are endogenous: They persist when the organism is isolated from periodic environmental cues. Of the several possible cues, called zeitgebers, which can contribute to entrainment, bright light is by far the most effective. Masking Masking lijkt op entrainment, alleen maskeert de zeitgeber het gedrag of ritme dan alleen. Na het uitzetten van het licht (zeitgeber) zal het organisme weer verder gaan in zijn normale ritme.

40


Niek Groot

Lichtgevoelige ganglioncellen Lichtgevoelige ganglioncellen of intrinsiek fotosensitieve retinale ganglioncellen (ipRGC) vormen een speciale klasse van zenuwcellen die aanwezig zijn in het netvlies van zoogdieren. Ze werden ontdekt in de jaren 1990. Ze vormen een derde type lichtgevoelige cel, naast de bekende staafjes en kegeltjes. De retinale ganglioncellen dienen vooral voor het verzamelen en doorgeven van de signalen die de staafjes en kegeltjes leveren. Slechts 1 tot 3% van deze cellen is lichtgevoelig. Vergeleken met de staafjes en kegeltjes reageren de lichtgevoelige ganglioncellen veel langzamer op licht. Ze lijken van geen of weinig belang voor het vormen van beelden, maar wel voor het regelen van het circadiaanse ritme (zeer gevoelig voor blauw licht!) Chronotype De term "chronotype" wordt gebruikt voor het karakteriseren slaap van een persoon patronen. Er zijn drie belangrijke chronotypes: 's ochtends,' s avonds, en mid-range. Naast het beïnvloeden van iemands slaap patronen, je chronotype lijkt ook een rol in meer algemene fysiologie van een persoon hebben. Bijvoorbeeld, afhankelijk van of men een ochtend of avond persoon, kan slapen vermindering verschillende effecten hebben. Veel slaap onderzoekers zijn zeer geïnteresseerd in de verschillen tussen mensen met verschillende chronotypes, variërend van creatieve vermogen om de gemiddelde lichaamstemperatuur. Photoperiodism Photoperiodism is the physiological reaction of organisms to the length of day or night. It occurs in plants and animals. Photoperiodism can also be defined as the developmental responses of plants to the relative lengths of the light and dark periods. Here it should be emphasized that photoperiodic effects relate directly to the timing of both the light and dark periods.

41

Hersenen en Gedrag 2012

Recommend Documents