Hoe sturen neuronen het gedrag? - Chapter 4

Onderzoek dat zich op de hersenen richt, wordt neurowetenschap genoemd.

Wat zijn neuronen?

Neuronen zijn zenuwcellen en het menselijk brein heeft er ongeveer 86 miljard van. Neuronen communiceren met elkaar via synapsen, waarvan we ongeveer 100 biljoen hebben. Ze zijn constant actief en houden samen onze interne en externe omgeving in de gaten, creëren onze mentale ervaringen en controleren ons gedrag.

Het centrale zenuwstelsel bestaat uit de hersenen en de ruggengraat en integreert neurale informatie. Uitbreidingen van het centrale zenuwstelsel zijn zenuwen en vormen het perifere zenuwstelsel, dat ervoor zorgt dat informatie wordt uitgewisseld met de hersenen en andere delen van het lichaam. Een neuron is niet hetzelfde als een zenuw. Een neuron is een enkele cel van het zenuwstelsel. Een zenuw is een bundel van vele neuronen. Zenuwen verbinden het centrale zenuwstelsel met sensorische organen, spieren en klieren.

Neuronen kunnen worden gegroepeerd in drie categorieën op basis van hun functies en hun locatie:

1. Sensorische neuronen: dragen informatie van sensorische organen naar het centrale zenuwstelsel.
2. Motorneuronen: voor het aansturen van de spieren en klieren.
3. Inter-neuronen: bestaan ​​volledig in het centrale zenuwstelsel en verzenden berichten van een groep neuronen na een andere groep neuronen. Mensen hebben hier verreweg het meeste van.

Neuronen bestaan ​​uit de volgende onderdelen:

• Cellichaam met de celkern.
• Dendrieten die input ontvangen voor het neuron.
• Axonen sturen berichten naar andere neuronen of naar spiercellen. Axonen hebben een axon-terminal die is ontworpen om chemische transmissiemoleculen af ​​te geven aan andere neuronen. Sommige axonen zijn omgeven door een myelineschede.

Neuronen beïnvloeden andere neuronen via actiepotentialen, dit zijn alles-of-niets-impulsen. Ze gebeuren of ze gebeuren niet, dus alles of niets. Ze hebben allemaal dezelfde kracht. De intensiteit kan worden bepaald door hoe snel het neuron vuurt. Dus hoe sneller het neuron vuurt, hoe hoger de intensiteit van de boodschap.

Het celmembraan is de "huid" van de cel en laat sommige chemicaliën door en blokkeert andere chemicaliën. Het neuron zelf is buisachtig en gevuld met intracellulaire vloeistof. Rondom het neuron zit extracellulaire vloeistof. In beide vloeistoffen zijn chemicaliën opgelost, dit zijn voornamelijk oplosbare eiwitmoleculen (A-) en kaliumionen (K +) in de intracellulaire vloeistof en natriumionen (Na +) en chloride-ionen (Cl-) in de extracellulaire vloeistoffen. Er zijn meer negatief geladen deeltjes in de cel dan erbuiten en deze onbalans resulteert in een elektrische lading over het membraan. Dit wordt rustpotentiaal genoemd en is -70 millivolt.

Actiepotentialen worden aan het einde van een axon geactiveerd door invloeden die de elektrische lading van het celmembraan verminderen. De plotselinge verschuiving van moleculen resulteert in een depolarisatiefase van de actiepotentiaal van de cel. Wanneer er een tijdelijk positieve omgeving in de cel is, wordt K + naar buiten geduwd. De cel gaat terug naar het oorspronkelijke rustpotentieel. Dit wordt de repolarisatie-fase genoemd.

De ontwikkeling van myeline is een proces dat myelinisatie wordt genoemd, dit proces begint voordat het kind wordt geboren en gaat door tot in de volwassenheid. De neuronen van het sensorische systeem worden eerst gemyeliniseerd. Myeline beschermt het axon, versnelt de overdracht van impulsen en vermindert ook de interferentie van andere neuronen.

Een synaps is het knooppunt tussen elke axonterminal en het cellichaam of dendriet van het ontvangende neuron. Wanneer een actiepotentiaal een axon-terminal bereikt, geeft de terminal pakketten vrij van een chemische stof die een neurotransmitter wordt genoemd. Neurotransmitters bewegen zich door de ruimte tussen cellen en veranderen het ontvangende neuron op een manier die de productie van actiepotentialen beïnvloedt, waardoor de kans dat een neuron zal vuren groter of kleiner wordt. Personen die te veel of te weinig van een bepaalde neurotransmitter hebben, kunnen lichamelijke en psychische stoornissen krijgen.

Bij exciterende synapsen opent de zender Na + kanalen in het postsynaptische membraan. Dit veroorzaakt depolarisatie van het ontvangende neuron, waardoor de snelheid van actiepotentialen die in het neuron worden geactiveerd, toeneemt. Een remmende synaps, de zender opent ofwel de Cl- of de K + kanalen.

Neurogenese is het proces waarbij nieuwe neuronen worden aangemaakt. Het vindt plaats gedurende de eerste twintig weken na de conceptie. Het proces gaat door na de geboorte en ook in de volwassenheid, voornamelijk in de hippocampus. Wanneer neuronen ‘geboren’ worden, migreren ze naar hun vaste positie en differentiëren ze. De piek van synapsvorming varieert voor de verschillende delen van de hersenen.

In de vroege ontwikkeling is er een afname van het aantal neuronen en synapsen. Selectieve celdood of apoptose verwijst naar de dood van neuronen. Dit gebeurt met verschillende snelheden voor verschillende delen van de hersenen. Dit is niet erg, want neuronen en synapsen worden overgeproduceerd en later meer aangepast aan de persoon en de omgeving.

Spiegelneuronen worden aangetroffen in de hersenschors van mensen en apen. Deze neuronen zijn actief wanneer iemand iets doet of wanneer ze iemand iets soortgelijks zien doen. Spiegelneuronen worden verondersteld de neurologische basis te vormen voor imitatie en sociaal leren. Het belang van spiegelneuronen in sociale neuronen is discutabel. Spiegelneuronen zijn te vinden in de hersenschors.

Wat zijn methoden om de gedragsfuncties van de hersenen in kaart te brengen?

De methoden die worden gebruikt om functies van specifieke hersengebieden te bepalen, vallen in drie algemene categorieën:

1. Waarnemen van gedragsstoornissen die optreden na hersenletsel of tijdens tijdelijke inactiviteit.
2. Waarnemen van effecten op gedrag wanneer een specifiek deel van de hersenen kunstmatig wordt gestimuleerd.
3. Bepalen van veranderingen in neurale activiteit in bepaalde delen van de hersenen wanneer een persoon of dier bezig is met een bepaalde taak.

Studies die zijn uitgevoerd met mensen die aan hersenschade lijden, kunnen de gedrags- en mentale functies beschrijven die verband houden met dat gebied. De keerzijde hiervan is dat hersenschade niet tot één gebied kan worden beperkt en vaak meerdere gebieden met specifieke schade omvat. Schade in het ene gebied van de hersenen kan leiden tot veranderingen in het andere gebied.

• Een relatief nieuwe manier om gelokaliseerde functies in het menselijk brein te bepalen, is transcraniële magnetische stimulatie (TMS). TMS veroorzaakt tijdelijke laesies in kleine hersengebieden. Het wordt gebruikt voor het in kaart brengen van functies van hersengebieden in de buitenste delen, bijvoorbeeld de hersenschors.
• Elektro-encefalogram (EEG) kan worden gebruikt om hersenactiviteit vast te leggen door middel van elektroden die op de schedel van een persoon worden geplaatst. Patronen die door het EEG worden gegeven, kunnen worden gebruikt als index voor opwinding, ontspanning of slaap.
• Verhoogde bloedstroom betekent verhoogde neurale activiteit. Dit kan worden gemeten met positron emissie tomografie (PET) en met functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI).

Niet-menselijke dieren worden ook gebruikt om de hersenen te onderzoeken. Bij dieren kunnen elektrische of chemische laesies nauwkeurig worden geplaatst en zo is te zien hoe de schade het gedrag beïnvloedt. Elektrische of chemische stimulatie van een bepaald deel van de hersenen kan ook iets zeggen over de functies van dat deel van de hersenen. Ook kunnen elektroden de neurale activiteit in specifieke gebieden registreren terwijl het dier een taak uitvoert.

Wat is de functionele organisatie van het zenuwstelsel?

Het zenuwstelsel is hiërarchisch georganiseerd in twee verschillende, maar op elkaar inwerkende hiërarchieën: de sensorisch-perceptuele hiërarchie, die betrokken is bij gegevensverwerking, en de motorische controlehiërarchie, die betrokken is bij het besturen van bewegingen.

Zenuwen zijn verdeeld in twee klassen die overeenkomen met de delen van het zenuwstelsel waar ze uitsteken: hersenzenuwen (die rechtstreeks uit de hersenen steken) en spinale zenuwen (die uit het ruggenmerg steken).

Sensorische input van gespecialiseerde sensorische organen van het hoofd komt de hersenen binnen via craniale zenuwen. Sensorische input van de rest van het lichaam wordt overgedragen door de spinale zenuwen. Deze gewaarwordingen worden somatosensatie genoemd.

Motorneuronen werken op twee brede structuurklassen: spieren van het skelet en viscerale spieren.

Neuronen die inwerken op de spieren van het skelet zijn het somatische deel van het perifere motorsysteem. Neuronen die inwerken op de viscerale spieren en klieren zijn het autonome deel.

De meeste viscerale spieren en klieren ontvangen twee soorten neuronen, die tegengestelde effecten hebben:

1. Sympathische verdeeldheid: reageert voornamelijk op stressvolle stimulatie en helpt het lichaam voor te bereiden op vluchten of vechten.
2. Parasympathische divisie dient om de groei te stimuleren, herstellend te zijn en heeft energiebesparende functies.

Het ruggenmerg heeft opgaande kanalen, die somatosensorische informatie naar de hersenen brengen, en neergaande kanalen, die opdrachten van de hersenen over neerwaartse bewegingen overbrengen die door de zenuwen van het ruggenmerg op de spieren worden overgedragen.

Sommige reflexieve gedragingen worden gereguleerd door de wervelkolom, zonder tussenkomst van de hersenen. Werveldieren zijn dieren waarbij de hersenen niet meer communiceren met het ruggenmerg.

Het ruggenmerg komt de hersenstam binnen. De delen van de hersenstam zijn (beginnend bij het dichtst bij het ruggenmerg en eindigend bij het dichtst bij de bovenkant van het hoofd): medulla, punch en middenhersenen. De hersenstam organiseert soort specifieke gedragspatronen.

Het cerebellum (kleine hersenen) en basale ganglia helpen bij het coördineren van competente bewegingen. Dit zijn twee hersenstructuren die anatomisch verschillen, maar qua functie nauw verwant zijn. Schade aan een van deze delen van de hersenen kan leiden tot grote verstoringen in de uitvoering van aangeleerde, goed gecoördineerde bewegingen.

Direct boven de hersenstam bevindt zich de thalamus. Dit kun je zien als een soort relaisstation dat verschillende delen van de hersenen met elkaar in contact brengt. Het speelt ook een rol bij de opwinding van de hersenen als geheel.

Het limbisch systeem kan worden gezien als de grens die de evolutionair oudere delen van de hersenen scheidt van het nieuwe bovenste deel, de hersenschors. Enkele van de structuren van het limbisch systeem zijn de amygdala en de hippocampus. De hypothalamus is een kleine maar zeer belangrijke structuur. Het is te vinden onder de thalamus. De belangrijkste taak van deze hersenstructuur is het reguleren van de interne omgeving van het lichaam.

De hersenschors is verdeeld in een linker- en een rechterhersenhelft. Elk halfrond is verdeeld in vier lobben. Van de achterkant naar de voorkant zijn de lobben: achterhoofdskwab, temporale kwab, pariëtale kwab en frontale kwab.

Wetenschappers die de functies van de cortex onderzoeken, verdelen deze in drie categorieën functionele gebieden:

1. Primaire sensorische gebieden. Deze gebieden ontvangen signalen van sensorische zenuwen.
2. Primair motorgebied. Deze gebieden sturen axonen naar motorneuronen in de hersenstam en het ruggenmerg.
3. Verenigingsgebieden. Deze gebieden ontvangen input van de sensorische gebieden en lagere delen van de hersenen.

De primaire sensorische en motorische gebieden zijn zo georganiseerd dat neuronen signalen ontvangen van of signalen verzenden naar aangrenzende delen van het sensorische of spierweefsel waarmee ze zijn verbonden.

In vergelijking met andere dieren is de prefrontale cortex bij mensen het meest uitgebreid. Dit deel is verantwoordelijk voor uitvoerende functies: de processen die betrokken zijn bij het reguleren van aandacht en het bepalen wat er met de zojuist verkregen informatie moet gebeuren. Het speelt een cruciale rol bij het kunnen plannen en flexibel zijn.

Hoe werken hormonen samen met het zenuwstelsel?

Hormonen zijn chemische boodschappers die in het bloed worden uitgescheiden. Ze worden via bloed naar alle delen van het lichaam getransporteerd, waar ze inwerken op specifiek "doelweefsel".

De hypofyse is een klier die hormonen aanmaakt die de aanmaak van andere hormonen in andere klieren stimuleren. De anatomische verschillen tussen mannen en vrouwen zijn vanwege de androgeenspiegels. Testosteron activeert de ontwikkeling van mannelijke kenmerken bij de foetus. Later produceert oestrogeen de secundaire vrouwelijke kenmerken.

De hypofyse maakt hormonen aan die de aanmaak van andere hormonen stimuleren.

Bijnier-androgeenhormonen bevorderen het seksuele reactievermogen tijdens de ovariële cyclus bij vrouwen, maar de seksuele drang lijkt toe te nemen op het moment van vruchtbaarheid, misschien als gevolg van de verhoogde productie van androgene hormonen op dat moment.

Wat zijn de verschillen tussen de hersenhelften?

De linkerhersenhelft is gespecialiseerd in taal en de rechterhersenhelft is gespecialiseerd in non-verbale, visuospatiale analyse van informatie. Dit is onderzocht bij mensen van wie de hersenhelften door een operatie niet meer verbonden zijn.

Bijna elk deel van de hersenen bestaat in tweevoud. Dit is het duidelijkst bij de hersenschors die uit een rechter en linker hersenhelft bestaat. De twee delen zijn verbonden door een enorme bundel axonen, het corpus callosum genaamd. De twee hersenhelften zijn behoorlijk symmetrisch in hun primaire sensorische en motorische functies. Elk doet hetzelfde werk voor de andere helft van het lichaam, contralateraal. Het duidelijkste verschil tussen de twee hersenhelften is dat bij mensen het linkerdeel gespecialiseerd is in taal en soortgelijke delen in de rechterhersenhelft gespecialiseerd zijn in non-verbale, visuospatiale analyse van informatie.

Bij split-brainpatiënten worden de twee hersenhelften van elkaar gescheiden door het corpus callosum door te snijden als laatste middel om hun epilepsie te behandelen. Hierdoor kunnen onderzoekers de functie van beide helften onafhankelijk van elkaar onderzoeken.

Afasie is een taalstoring als gevolg van hersenschade. Verstoringen die zijn waargenomen bij de afasie van Broca en de afasie van Wernicke worden gebruikt om conclusies te trekken over de functies van overeenkomstige hersengebieden. Broca's afasie is een specifiek syndroom van verlies van taalvaardigheid dat optreedt na schade in een bepaald gebied van de hersenen, het gebied van Broca genoemd. Het wordt gekenmerkt door telegrafisch taalgebruik waarbij de betekenis vaak duidelijk is, maar kleine woorden en woorduiteinden die een grammaticaal doel dienen, vaak ontbreken. Het wordt ook niet-vloeiende afasie genoemd. De afasie van Wernicke is een specifiek syndroom van verlies van taalvaardigheid dat optreedt na beschadiging in een bepaald gebied van de hersenen, het gebied van Wernicke genaamd. Het taalgebruik bij een persoon met deze aandoening behoudt zijn grammaticale structuur, maar verliest zijn betekenis omdat de spreker geen zinvolle woorden kan produceren. Het wordt vloeiende afasie genoemd.

Taalgebieden kunnen worden geïdentificeerd door middel van neuro-imaging. Enkele van de bevindingen zijn:

• Het bekijken en horen van woorden resulteert in hoge activiteit in relevante hersengebieden. Wanneer woorden worden bekeken, wordt de achterhoofdskwab geactiveerd en voor het horen wordt de temporale kwab geactiveerd.
• Het hardop herhalen van woorden die ook worden gezien, resulteert in hoge activiteit in gebieden van de primaire motorische cortex die betrokken zijn bij het vocale apparaat.
• Het genereren van geschikte werkwoorden als reactie op zelfstandige naamwoorden, resulteert in hoge activiteit in de frontale kwab (Broca's zijn en een deel van de temporale kwab).

Hoe veranderen de hersenen in de loop van de tijd?

Sommige delen van de hersenen hebben de neiging om te groeien wanneer ze worden gebruikt en krimpen wanneer ze niet worden gebruikt. Het bewijs hiervan wordt geleverd door onderzoek met ratten. Ratten in een verrijkte omgeving ontwikkelden een dikkere hersenschors met grotere neuronen en meer en sterkere synaptische verbindingen. Ze genereerden ook sneller nieuwe neuronen.

Leervaardigheden zorgen ervoor dat grotere delen van de hersenen betrokken raken bij het uitvoeren van die specifieke vaardigheid. Onderzoek heeft aangetoond dat de hippocampus, een gebied dat cruciaal is voor het ruimtelijk geheugen, groeit als gevolg van ruimtelijk leren.

Langetermijn potentiatie (LTP) is een proces waarbij herhaalde activering van synapsen resulteert in de versterking van die synapsen. Dit proces is ontdekt door Bliss en ondersteunt de theorie van Hebb. De theorie van Hebb zegt dat neuronen het vermogen kunnen krijgen om te reageren op input waarop ze eerder niet reageerden.