Informatie uit de omgeving bouwt onze hersenen
Albert Gramsbergen Oktober 2014
onderwerpen 1. Uitgangspunten 2. Evolutie van informatieverwerking 3. Zintuigsystemen hoe wordt de omgeving waargenomen, ontwikkeling van hersenen, zintuigen en bewegen 4. Informatie bouwt onze hersenen het voorstelbare, het onvoorstelbare
1. considerata
Informatie over de omgeving (en vanuit het lichaam) is essentieel voor het overleven Zintuigen transformeren fysische omstandigheden in de ‘taal van het zenuwstelsel’ In het CZS wordt deze ‘informatie’ van de zintuigen geïntegreerd. De betekenis van informatie is een product van het bewustzijn
2. evolutie van informatietransport
(géén zenuwvezels) pantoffeldier
(diffuus netwerk) zeeanemoon
het begin van een integrerend zenuwstelsel
kreeft
neurale reacties op de rek-toestand van een spier van de kreeft
(de ‘taal van het zenuwstelsel’):
3. zintuigsystemen relevante fysische omstandigheden van de buitenwereld (‘prikkels’) worden door zintuigen opgevangen ‘adequate stimuli’ (C. Sherrington) voor de mens:
(licht: 5.1014 – 1015 c/s; geluid: 16 – 20.000 c/s; temperatuur: 4 - 35°; specifieke geurstoffen, smaakstoffen)
zintuigsystemen (informatie uit de omgeving, ‘exterocepsis’): a. kinesthesie (en bewegen), b. tastzin, pijnzin, c. evenwicht (en houding), d. zien, e. …
a. kinesthesie, en bewegen zintuigen in spieren (en pezen, gewrichtskapsels) informatie over spierspanning en beweging
b. tastzin, pijnzin, temperatuurzin
activiteit in een zenuwvezel
representatie op hersenschors
c. evenwicht en houding
vestibulum in de schedel, + + informatie van de nekspieren (+ informatie uit alle andere spieren, + drukreceptoren in de voetzool)
d. zien
- drie soorten kegeltjes (‘rood’, ‘geel’, ‘blauw’) - fotonen → rotatie van 11-cis-retinal naar trans-retinal - deze ‘isomerisatie’ → een verandering van membraandoorlaatbaarheid
netvlies, oog dorsal stream (waar zie ik het, waar moet ik grijpen) ventral stream (wat is het dat ik zie),
de ontwikkeling van het waarnemen *informatie ‘bouwt’ onze hersenen * babies komen ter wereld met een wereldbeeld, tenminste zo complex als het onze * babies observeren, experimenteren, trekken conclusies; * babies hebben een immens leervermogen Jean Piaget (1896 – 1980)
ontwikkeling: zintuigen in spieren, reflexen en bewegen
schema ruggenmerg
rat; beweegt spontaan (E 17)
eerst bewegen, dan feed back (reflexen)
reflexen opwekbaar (E 19)
ontwikkeling van het evenwicht
(de functie van het vestibulum blijft geblokkeerd tot direct ná de geboorte) Moro reactie
Doll’s eye test
ontwikkeling van staan en lopen: een adequate houdingsregulatie is de limiting factor voor de ontwikkeling van het lopen
52 weken 40 weken
60 weken
24 maanden
van handgrijpreflex tot de pincetgreep 5 maanden: palmar grasp 8 maanden: intermediate 12 maanden: pincer grasp
ontwikkeling van scherp zien (acuity) chronologische leeftijd
gestatie leeftijd (g.a.)
testen van acuity
acuity ontwikkelt zich in één jaar (gecorrigeerde leeftijd)
hersenontwikkeling: opbouw en afbraak tijdens de vroege ontwikkeling wordt ± 50% van de neuronen weer afgebroken tenzij ze onderdeel zijn van functionele circuits
de wereld ‘maakt’de hersenen niet-functionele circuits worden afgebroken
jonge katten Blakemore & Cooper, 1970
apen; ‘A’ = mot. cortex; ‘D’ = visual cortex; aantal synapsen / µm²; Pasko Rakic, 1990
het zenuwstelsel ‘maakt’ de wereld ♂, 52 jr, levenslang blind 1 week na operatie
na 48 dagen
na 6 maanden
de ontwikkeling samengevat: - eerst bewegen, daarna reflexen; - evenwicht en houdingscontrole: voorwaarden voor lopen; - scherp zien (acuity) ontwikkelt zich in het eerste jaar; -
hersenontwikkeling: eerst globale aanleg, daarna ‘snoeien’
representaties van de omgeving : afmetingen en gewicht
: intervallen en afstanden in de muziek
interval (gehoord), interval (gezien): → positie van vingers en handen, stembanden (solfège)
: afstand en navigatie
♀: landmarks ♂: globale richting en afstand
: snelheid en versnelling
: impuls en moment
het momentum: door het stoten met de keu, of het slaan van de bal
representaties : samengevat onze werkelijkheid: *gebaseerd op de geïntegreerde informatie van verschillende zintuigsystemen, en, *geïnterpreteerd door het bewustzijn
- lengte, afmetingen, afstanden, - snelheid (en dus: tijd), versnelling, - impuls (massa en snelheid), het ‘alledaagse’ gereedschap voor excursies naar het onvoorstelbare
verschillen de ‘werkelijkheden’ van dieren en mensen ?
de mens kan beschrijven en analyseren, experimenteren en modellen maken
x
Isaac Newton 1643 - 1727
y Sx(t) = ν . cosα . t Sy(t) = ν . sinα . t - ½g . t2 S = afstand, ν = startsnelheid m/s); g = valversnelling (m/s2); t = tijd (s)
de wiskunde (‘ordening van gedachten’) heeft het de mens mogelijk gemaakt de grenzen van het visueel voorstelbare te overschrijden
van Newton naar Einstein van Newton naar Planck, Bohr en Heisenberg
het heelal Newton (1643 – 1727): - het universum is te beschrijven in een vast coordinatenstelsel - de tijd is het referentiekader 1887 Michelson & Morley: - lichtsnelheid identiek in alle richtingen (in strijd met Newton’s aannames) Dopplereffect; orbitale snelheid aarde. ≈ 30km/s] 1905 Einstein: de speciale relativiteitstheorie
- lichtsnelheid (± 300.000 km/s) is hetzelfde voor de man ‘in stilstand’ of de man ‘in hoge snelheid’; - de tijd is relatief*
*de tijd is relatief
de tijd bij (hele) hoge snelheden verloopt verloopt langzamer; hoe zit het met celdelings-processen als kanker hoe zit het met bewustwordingsprocessen
het heelal, het uitdijende heelal de speciale relativiteitstheorie: *heeft betrekking op snelheden (geen versnellingen); * fysische interacties kunnen niet sneller zijn dan de lichtsnelheid (maar hoe zit het dan met ‘g’ ?)
1915 de algemene relativiteitstheorie versnelling en gravitatie R μ ν - ½ -g μ ν R = 8 π T μ ν de ‘zwaarte-kracht’ is een eigenschap van de kromming van de ruimte-tijd
1929 Hubble: het heelal dijt uit ‘roodverschuiving’ van het spectrum (Doppler-effect) het universum dijt uit, door ‘funny energy’
licht, fotonen, de kleinste bouwstenen van de materie Newton: “licht bestaat uit pakketjes”; Christiaan Huygens: “licht is een golfverschijnsel”; Planck (1900): emissie en absorptie van licht gebeurt in de vorm van quanta energie van quanta evenredig met frequentie E = h.ν (h = constante van Planck; ν = frequentie van [licht]-golven)
Einstein (1905) licht is te beschouwen zowel als golfverschijnsel als als ‘deeltjes’-verschijnsel, een quantum verschijnsel
V
Bohr: “licht als deeltjes en als golfverschijnsel zijn onverenigbaar maar samen geven ze een volledige beschrijving”: komplementaritäts Prinzip Werner Heisenberg en Niels Bohr
Heisenberg: “denk aan de observatie van een elementair deeltje een ‘nevelvat’ ”: * het zichtbaar maken (met een ‘microscoop’) vereist minimaal 1 quantum. * het oplossend vermogen is minimaal één golflengte (1/ν)
in
onzekerheids relatie * naarmate de golflengte groter wordt (E ↓; [ν ↑]),
wordt
wordt de positiebepaling minder nauwkeurig maar de snelheid wordt minder verstoord; * naarmate de golflengte kleiner wordt (E ↑; [ν ↓]), wordt de positiebepaling nauwkeuriger maar neemt de onzekerheid omtrent de snelheid toe
Heisenberg, 1926
DUS: óf de positie, óf de snelheid ∆p∆q ≥ h/2π (p = momentum, q = positie h = constante van Planck)
Leipzig, 1927 Grete Hermann, Carl Friedrich von Weizsäcker. Werner Heisenberg
Grete Hermann: “Ons ‘weten’ en ons ‘kennen’ is op waarnemen (‘Erfahrung’) gebaseerd; waarneming betekent ‘die Dinge an sich’ (Kant) te leren kennen zoals ze zich openbaren. In de quantum-mechanica wordt de ‘Unbestimmtheit’ of ‘uncertainty’ als fysische realiteit opgevoerd. De quantum mechanica rekt de causaliteit tussen ervaring en ‘das Ding an sich’ uit en wil zich desondanks natuurwetenschap blijven noemen ? Carl Friedrich von Weizsäcker: “Men moet beseffen dat in de quantum mechanica het gaat om een volstrekt nieuwe manier van waarnemen. Elke waarneming heeft daar betrekking op een specifieke observatie-situatie (met een specifiek instrumentarium) en de daaruit voorvloeiende kennis is derhalve afhankelijk van die specifieke observatie” Werner Heisenberg: “Inderdaad, als we bij atomaire verschijnselen wetmatigheden willen onderzoeken dan blijkt dat ruimte en tijd niet meer volgens gangbare fysische wetmatigheden verbonden zijn maar afhankelijk van ‘waarnemings-situaties’. De mathematische symbolen waarmee we zulke waarnemingssituaties beschrijven geven eerder het mogelijke als het feitelijke weer. Elementaire deeltjes zijn niet meer te beschouwen als ‘Dinge an sich’”. GH: “Maar, wat zijn ze dan ?” WH: “Daarvoor hebben we geen taal of woorden voorradig”
‘take home-messages’ 1
bewustzijn zintuig → informatie zintuig → informatie zintuig → informatie zintuig → informatie
representaties, voorstellingen, ideeën,
* ontwikkeling van de hersenen; *geheugen, bewustzijn
2
voorstellingen: concepten:
geliëeerd aan ‘adequate stimuli’, in wetmatigheden beschreven door Newton beschreven kunnen het voorstellingsvermogen overschrijden en zijn (dus) niet met alledaagse taal zijn te omschrijven, Einstein, Heisenberg
epiloog ‘God’s equation’ (11 nov 1915):
R μ ν - ½ -g μ ν R = 8 π T μ ν
begrijpen wij de hersenen van een genie die onvoorstelbare zaken kan bedenken ? vinden er processen plaats in onze hersenen die onbegrepen en onbegrijpbaar zijn, die ons bewustzijn, ons begrip te boven gaan ?
