Wat is de neurale basis van cognitie? - Chapter 2

Wat is het Capgras syndroom?

Het Capgras syndroom is een zeldzaam syndroom dat kan ontstaan na schade aan de hersenen. Iemand die leidt aan dit Capgras syndroom is in staat om anderen in zijn of haar leven te herkennen (zoals zijn of haar ouders, vrienden, partner), maar denkt dat deze personen niet de échte personen zijn. Zij denken bijvoorbeeld dat hun partner is ontvoerd, en in plaats daarvan iemand anders pretendeert deze bekende te zijn.

Volgens sommige onderzoekers wordt dit syndroom veroorzaakt door een verstoring in de gezichtsverwerkingssystemen in de hersenen. Deze verwerkingssystemen bestaan namelijk uit twee aparte systemen: een cognitief en een emotioneel systeem. Het cognitieve systeem gaat over het herkennen van mensen ("dit is hoe mijn vader er uit ziet) en het emotionele systeem is belangrijk bij de emoties die men ervaart bij het zien van gezichten ("ik voel mij vertrouwd als ik naar mijn moeder kijk"). Bij mensen met het Capgras syndroom is er waarschijnlijk een verstoring in het emotionele verwerkingssysteem. Dit leidt er toe dat mensen anderen wel herkennen, dus zij zien dat iemand er uitziet als hun vader, moeder, partner, etc., maar hier geen emotionele reactie bij krijgen. 

De neurale basis van het Capgras syndroom

Met behulp van neuroimaging technieken, is vastgesteld dat het Capgras syndroom kan ontstaan door schade aan verschillende hersengebieden. Ten eerste kan het syndroom ontstaan door schade in de temporale kwab. Schade aan de temporale kwab verstoort ook de werking van de amygdala. De amygdala is een amandelvormige structuur in de hersenen die bij mensen zonder schade (mensen met 'normale hersenen') er voor zorgt dat mensen in staat zijn om gevaar te herkennen. Ook is de amygdala belangrijk voor het herkennen van positieve stimuli. Schade aan de amygdala zorgt er dus voor dat mensen de positieve emotionele reactie die men hoort te krijgen bij het zien van belangrijke anderen niet ervaren.

Ook hebben patiënten met het Capgras syndroom schade aan hun frontale kwab, die zich in de prefrontale cortex bevindt. De prefrontale cortex is normaal gesproken actief wanneer mensen dingen lezen of wanneer men situaties analyseert. Wanneer iemand aan het dromen is, is de prefrontale cortex bijvoorbeeld niet zo actief, wat er voor zorgt dat dromen soms bizar kunnen zijn, omdat de inhoud niet door de prefrontale cortex wordt geanalyseerd. Voor mensen met het Capgras syndroom kan schade aan deze prefrontale cortex betekenen dat zij minder goed in staat zijn om onderscheid te maken tussen realiteit (echt) en fictie (nep). Dit kan leiden tot bizarre ideeën, zoals dat iemand doet alsof hij of zij een bekende van de patiënt is. Ook is er verminderde activiteit van de prefrontale cortex waar te nemen wanneer patiënten met schizofrenie aan het hallucineren zijn.

Het Capgras syndroom leert ons ook dingen over het brein, zoals dat er verschillende hersengebieden nodig zijn om simpele dingen, zoals het herkennen van bekenden, te kunnen doen (zoals het herkennen van je vader). Normaal gesproken werken deze verschillende hersengebieden samen. Als de hersengebieden niet efficiënt samen werken of communiceren, dan gaan er dingen fout. Dit geldt voor heel veel dingen, en het Capgras syndroom is een goed voorbeeld hier van.

Hoe verloopt de studie naar het brein?

Het menselijke brein weegt ongeveer 1,4 kilogram en heeft de grootte van een kleine meloen. De hersenen van mannen zijn ongeveer tien procent zwaarder dan die van vrouwen. Er zijn ongeveer 86 biljoen zenuwcellen in de hersenen en elke zenuwcel is verbonden aan 10.000 andere cellen, wat inhoudt dat er ongeveer 860 triljoen verbindingen zijn in de hersenen. Daarnaast bevatten de hersenen heel veel gliacellen.

De consequenties van hersenschade, zijn erg afhankelijk van het gebied waar de schade is. Een heel bekend voorbeeld hier van is Phineas Gage, die in 1848 tijdens de aanleg van een spoorweg, schade kreeg in het frontale gebied van zijn hersenen door een ijzeren staaf. Dit leidde tot grote waarneembare veranderingen in zijn persoonlijkheid en emoties, wat aantoont dat de prefrontale cortex belangrijk is voor deze concepten. Paul Broca ontdekte in 1861 dat schade aan de linker hemisfeer van het brein leidde tot verstoringen in taal. Édouard Claparède ontdekte dat patiënten met schade in andere gebieden in de hersenen, vooral geheugenproblemen hebben. Al deze ontdekkingen tonen aan dat verschillende hersengebieden verschillende functies hebben. Om de hersenen te bestuderen, is het daarom van belang om de anatomie van de hersenen te kennen en kennis te hebben over de specifieke hersengebieden.

De voorhersenen, ruithersenen en de middenhersenen

Het menselijke brein wordt over het algemeen opgedeeld in drie delen: de voorhersenen (forebrain), de ruithersenen (hindbrain) en de middenhersenen (midbrain). De ruithersenen bevinden zich direct boven het ruggenmerg en bevatten verschillende structuren die essentieel zijn voor het controleren van belangrijke levensfuncties. Dit gebied is onder andere betrokken bij de hartslag, de ademhaling, balans, houding en alertheid. Het grootste deel van de ruithersenen, het cerebellum, wordt al jarenlang gezien als de kern voor de coördinatie van lichaamsbeweging en balans. Recent onderzoek toont echter aan dat dit gebied ook andere functies heeft. De middenhersenen hebben verschillende functies, zoals het coördineren van beweging, het verwerken van auditieve informatie en het reguleren van pijnervaringen. Voor cognitief psychologen is het meest interessante deel het voorbrein en in het bijzonder de cerebrale cortex. De buitenste laag van de hersenen bevatten rimpels (convolutions). De groeven (fissures) tussen deze rimpels verdelen de hersenen in verschillende delen. De longitudinale spleet is een diepe groef die de linker- hemisfeer van de rechterhemisfeer scheidt. Andere groeven verdelen de cortex in vier kwabben: de frontaalkwab, de pariëtaal kwab, de temporaalkwab en occipitalekwab.

Subcorticale structuren

Onder de cortex liggen de zogeheten subcorticale gebieden. Een van deze structuren, de thalamus, speelt een belangrijke rol bij het doorsturen van vrijwel alle sensorische informatie naar verschillende gebieden in de hersenen. Onder de thalamus ligt de hypothalamus, een structuur die belangrijk is voor het reguleren van motivatie en gedragingen zoals eten, drinken en seksuele activiteit. Rond de thalamus en hypothalamus liggen verschillende structuren die deel uitmaken van het limbisch systeem, zoals de amygdala en de hippocampus, die beiden betokken zijn bij leerervaringen en het geheugen. Daarnaast speelt de amygdala een belangrijke rol bij emotionele verwerking.

Lateralisatie

De hersenen zijn dus te scheiden in een linker- en rechterhemisfeer. Vrijwel alle hersendelen komen in paren voor waarvan allebei de delen een soortgelijk(e) vorm en patroon van connecties hebben in de twee hemisferen, maar (kleine) verschillen in functies. Over het algemeen worden deze functies geïntegreerd dankzij banen (commissures), dikke bundels van vezels die informatie tussen de twee hemisferen verzenden. De bekendste baan of commissure is het corpus callosum, de baan die de linker- en rechter hemisfeer verbindt.

Soms is het nodig om het corpus callosum te verbreken. Dit werd heel lang gedaan bij patiënten met epilepsie, omdat het de enige behandeling was die hielp. Patiënten waarbij het corpus callosum is verbroken worden "gespleten-brein" patiënten genoemd. Onderzoek met deze patiënten heeft veel kennis opgeleverd over de twee hemisferen. Een voorbeeld hier van is dat bepaalde aspecten van taal in de linker hemisfeer worden verwerkt en andere aspecten in de rechter hemisfeer. Er zijn dus in beide gedeelten taalverwerkingssystemen, maar ze verschillen in functie.

Hoe kunnen we leren over hersengebieden?

Data van de neuropsychologie

We kunnen op verschillende manieren meer te weten komen over verschillende hersengebieden. Zo kunnen we gebruik maken van klinische neuropsychologie, waarbij men meer te weten probeert te komen over het functioneren van intacte hersenen door het bestuderen van beschadigde hersenen. Hierbij is het belangrijk om te weten dat de consequenties (symptomen) van hersenschade erg afhankelijk zijn van in welk hersengebied de schade zich bevindt. Zo leidt een laesie (schade aan de hersenen) in de hippocampus tot geheugenproblemen, maar niet tot problemen met taal. Een laesie in de occipitale cortex daarentegen leidt tot problemen in visualiteit, maar niet tot problemen in andere sensoren (zintuigen). 

Data door middel van neuroimaging

In de tweede plaats kunnen er verschillende neuroimaging methoden gebruikt worden, zoals computertomografie (CT) scans, PET (positron emissie tomografie) scans, MRI (magnetic resonance imaging of kernspintomografie) en fMRI (functional magnetic resonance imaging). Er is verschil tussen structurele imaging (CT scans) en functionele imaging (PET scans). Structurele imaging toont de structuur (vorm, grootte en positie) van de hersengebieden. Met behulp van functionele imaging wordt gekeken naar de hersenactiviteit (functie van de hersenen).

MRI scans leveren een gedetailleerd beeld van de hersenen. Gewone MRI scans hebben een structurele functie, maar de fMRI heeft een functionele functie (daarom de 'f'). Met behulp van fMRI scans wordt de zuurstof die naar de hersenen gaat, gemeten. Deze zuurstof geeft de mate van hersenactiviteit aan. 

De resultaten die men verkrijgt met structurele imaging zijn erg stabiel (en dus betrouwbaar) en veranderen alleen wanneer de structuur van de hersenen verandert (door hersenschade of een tumor, bijvoorbeeld). De resultaten die men verkrijgt door middel van het gebruik van PET of fMRI scans daarentegen zijn erg variabel, omdat de hersenactiviteit afhankelijk is van wat een individu op dat moment aan het doen is. PET en fMRI scans meten dus activiteiten in het nu. Wanneer iemand bijvoorbeeld bezig is met het oplossen van een puzzel, dan kan een fMRI scan worden gebruikt om te zien welke hersengebieden er op dat moment actief zijn, waar er dus hersenactiviteit plaatsvindt.

Data vanuit de elektrische activiteit van de hersenen

Neuronen communiceren voor een groot deel door middel van chemische signalen, die neurotransmitters worden genoemd. Hiervoor zijn in principe twee processen nodig: communicatie binnen en tussen neuronen. Neuronen zenden een signaal van het einde van de cel naar een andere neuron door middel van elektrische signalen. Dit vormt de basis het gebruik van electroencephalography (EEG). Hierbij worden veranderingen in voltage (elektriciteit) gemeten door middel van elektroden op de hoofdhuid. De veranderingen die hier te zien zijn vóór, tijdens en na het aanbieden van een stimulus worden gebeurtenisgerelateerdpotentielen (event-related potential) genoemd. 

Het combineren van technieken

Alle bovengenoemde technieken hebben zowel sterke als zwakke kanten. Zo vertellen CT en MRI scans iets over de vorm en grootte van hersenstructuren, maar zeggen ze niks over de activiteit in deze hersengebieden. PET scans en fMRI scans vertellen veel over hersenactiviteit, zoals waar er activiteit is, maar zijn minder precies wanneer het gaat om wanneer deze activiteit heeft plaatsgevonden (de activiteit wordt samengevat binnen een aantal seconden, maar het is niet duidelijk wanneer de activiteit precies heeft plaatsgevonden). EEG data daarentegen is preciezer in de timing, maar minder precies in wáár de activiteit heeft plaatsgevonden.

Door deze verschillen per techniek (scan), die elkaar goed aanvullen, gebruiken onderzoekers vaak een combinatie van technieken.

Een beperking van het gebruik van hersenscans is dat de resultaten van de scans niks zeggen over causaliteit (oorzakelijkheid). 

Transcraniële magnetische stimulatie (TMS)

Een andere techniek die gebruikt kan worden om hersenfuncties in kaart te brengen is transcraniële magnetische simulatie. Dit is een techniek waarmee de activiteit in een hersengebied tijdelijk verstoord wordt. Door te kijken naar welke functies (gedragingen) er dan veranderen, kan er veel worden ontdekt over het hersengebied. 

Het bepalen van functies van de hersengebieden wordt ook wel lokalisatie van functie genoemd. 

Wat is de cerebrale cortex?

De cerebrale cortex is het grootste gedeelte van de hersenen. Dit is de dunne laag over het cerebrum. De cerebrale cortex is erg belangrijk voor onderzoekers, omdat er veel informatieverwerking plaatsvindt. De cerebrale cortex bevat meerdere gebieden met elk een eigen functie: motorische gebieden, sensorische gebieden en associatie gebieden.

Motorische gebieden

Er zijn specifieke gebieden in de cerebrale cortex die ook wel ‘vertrekpunten’ worden genoemd, waarvan signalen de cortex verlaten en de spieren controleren (primaire motorische projectiegebieden). Andere gebieden worden gezien als ‘aankomstpunten’ voor informatie van de zintuigen (primaire sensorische projectiegebieden). Dit is een voorbeeld van een contralaterale connectie. 

Sensorische gebieden

Informatie vanuit de zintuigen wordt doorgestuurd naar een gebied dat het somatosensorische gebied wordt genoemd en zich bevindt in de pariëtaal kwab. De primaire auditieve cortex bevindt zich in de temporaalkwab. De primaire visuele cortex ligt in de occipitale kwab. Hoewel sensorische gebieden op diverse punten verschillen, zijn er ook een aantal belangrijke overeenkomsten. In de eerste plaats bieden al deze gebieden een ‘kaart’ van een sensorische omgeving. In de tweede plaats wordt de locatie niet bepaald door de anatomische kenmerken van de gebieden, maar door de functies. Ten derde zijn er ook in deze gebieden contralaterale gebieden met betrekking tot lichaamsdelen of fysieke ruimte.

Associatiegebieden

De overgebleven 75 procent van de cerebrale cortex wordt de associatiecortex genoemd. Tegenwoordig wordt deze term minder gebruikt, omdat dit deel verder opgedeeld kan worden op basis van functies en anatomie. Dat er zulke subdelen bestaan, kan geïllustreerd worden door de verschillende stoornissen die ontstaan door schade aan diverse specifieke locaties, zoals apraxie, agnosie, afasie en neglect. Schade aan de prefrontale gebieden leidt tot een variatie aan problemen.

Welke soorten hersencellen zijn er?

Neuronen en gliacellen

Het menselijke brein bevat ongeveer een triljoen neuronen en nog meer gliacellen. Gliacellen hebben verschillende functies: ze ondersteunen de ontwikkeling van het zenuwstelsel, helpen bij het repareren van het zenuwstelsel wanneer er schade is en leveren neuronen voeding of energie. Daarnaast zijn er bepaalde, gespecialiseerde gliacellen die een isolatie vormen rond delen van neuronen, zodat de neuronen sneller informatie kunnen verspreiden. Dit zijn myeline lagen genoemd.

Het cellichaam van een neuron bevat de nucleus en alle elementen die noodzakelijk zijn voor de normale metabolische activiteiten van de cel. De dendrieten ontvangen input van neurons vanaf axonen, die impulsen (neurotransmitters) van het ene neuron naar het andere neuron verstuurt. Neurotransmitters zijn chemische signalen. Als een neuron genoeg gestimuleerd wordt, geeft het neurotransmitters af. Het deel van het neuron dat de neurotransmitters vrij laat, wordt het presynaptisch membraan genoemd en de ontvangende neuron het postsynaptisch membraan. Als een inkomend signaal de grens (threshold) van de postsynaptische cel bereikt, gaat de cel vuren: de cel produceert een actiepotentiaal, dat via een axon wordt verstuurd en zorgt voor het vrijkomen van neurotransmitters in de synaps.

Er zijn een aantal andere belangrijke factoren van invloed op de overdracht van informatie tussen neuronen. In de eerste plaats zijn er twee verschillende informatiestromen, chemische en elektrisch. Daarnaast kunnen de initiële responsen van het postsynaptische neuron verschillen in grootte. Belangrijk hierbij is dat overdracht van een signaal niet verschilt in sterkte: er is sprake van een alles-of-niets wet. Als een signaal (een actiepotentiaal) wordt verstuurd, wordt het verstuurd. Dit proces kan niet worden teruggedraaid. Een analogie hiervoor is een toeter in auto's: harder drukken op de toeter zorgt niet voor een harder geluid. Zo werkt het ook met actiepotentialen: een sterkere stimulus produceert geen sterker actiepotentiaal. Een neuron vuurt, of hij vuurt niet. Ook zijn er veel verschillende neurotransmitters, waarbij onderscheid wordt gemaakt tussen inhiberende (remmende) en exciterende (versterkende) neurotransmitters. Ook is de synaptische spleet van invloed. Deze spleet is eigenlijk erg klein, wat er voor zorgt dat neuronale signalen langzaam worden overgedragen. Toch heeft dit ook voordelen. Een voorbeeld is dat neuronen hierdoor informatie vanuit veel verschillende bronnen en signalen tussen verschillende bronnen kunnen vergelijken. Daarnaast kan de sterkte van de synaptische verbinding veranderen door ervaringen, wat de biologische basis van leren is.

Coderen

Het is een bijzonder idee dat neuronen een specifiek idee of specifieke gebeurtenis voorstellen. Als iemand bijvoorbeeld naar zijn of haar favoriete lied luistert, hoe representeren of coderen neuronen deze informatie dan? Er zijn meerdere antwoorden mogelijk op deze vraag. Het eerste is dat een specifieke groep neuronen je "favoriete lied" weergeven. Dit zou betekenen dat als jij je favoriete lied luistert, deze specifieke neuronen actief worden. Een andere antwoord op de vraag is dat er een algemeen patroon van neurale activiteit wordt geactiveerd tijdens het luisteren naar je favoriete lied. Dat zou er dan ongeveer zo uit zien: Neuron X vuurt, wanneer neuron Y zwak is en neuron Z helemaal niet vuurt. Beide antwoorden kloppen.