Deze samenvatting is gebaseerd op het studiejaar 2013-2014.

1. Perspectieven op hersenontwikkeling

1.1 Perspectieven op ontwikkeling

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

1. Wat is het verband tussen lichaam en geest, en dan vooral tussen het brein en mentale processen?

2. Wat is de oorsprong van georganiseerde biologische structuren, zoals de structuur van het volwassen brein?

De tweede vraag kan op twee manieren worden bekeken. De fylogenetische (evolutionaire) versie van deze vraag betreft de oorsprong van soorten, en onder andere Darwin heeft zich met deze vraag bezig gehouden. De ontogenetische versie van deze vraag betreft de individuele ontwikkeling. Aan deze vraag is minder aandacht besteed, omdat bepaalde invloedrijke wetenschappers stelden dat als een bepaalde set genen eenmaal door evolutie is geselecteerd, ontogenie simpelweg een proces is van het uitvoeren van de ‘instructies’ van die genen. Volgens deze benadering is de ontogenetische vraag in essentie dus een fylogenetische vraag en is de ontwikkeling van een individu een weergave van de evolutiegeschiedenis van de mens. In dit boek wordt echter gesteld dat de ontogenetische ontwikkeling een actief proces is, waardoor een biologische structuur wordt gecreëerd door middel van interacties tussen genen en omgeving.

In het nature-nurture debat is het ene uiterste het perspectief dat de genen van een individu de meeste benodigde informatie bevatten voor de ontwikkeling van een brein. Vanuit deze benadering is de ontwikkeling een proces van het ontvouwen of opwekken van de expressie van informatie binnen genen. Het andere uiterste is de overtuiging dat de meeste informatie die gebruikt wordt voor de ontwikkeling van het brein, afkomstig is uit de externe wereld. Beide benaderingen gaan ervan uit dat de structuur van een organisme vóór de constructie ervan al bestaat (in de genen of in de externe wereld). Het lijkt er echter op dat de biologische structuur ontstaat uit dynamische interacties tussen genen en verschillende omgevingsniveaus.

In de 17^e eeuw bestond er een discussie tussen twee groepen: de vitalisten en de preformationisten. Volgens de vitalisten zijn ontogenetische veranderingen het gevolg van ‘vitale’ levenskrachten. De preformationisten stelden daarentegen dat een compleet mens zijn oorsprong vindt in sperma (‘spermisten’) ofwel in de eicel (‘ovisten’). De ontwikkeling betreft alleen een toename in grootte.

Het algemene idee achter het preformationisme is dat er een blauwdruk bestaat voor de ontwikkeling van de mens. Tegenwoordig wordt gedacht dat deze blauwdruk door genen wordt gevormd. De overeenkomst tussen alle versies van de nativistische benadering, is de overtuiging dat er een statisch verband bestaat tussen genotype en fenotype. Dit verband is echter veel dynamischer en flexibeler dan aanvankelijk werd gedacht.

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

1.2 Het analyseren van de ontwikkeling

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

• Moleculair niveau: interne omgeving

• Cellulair niveau: interne (aangeboren) omgeving

• Organisme-extern omgevingsniveau:

• Soort-typische omgeving (oorspronkelijke omgeving): interacties tussen het organisme en aspecten van de externe omgeving die gemeenschappelijk zijn voor alle leden van de soort

• Individu-specifieke omgeving (leeromgeving): interacties tussen het organisme en aspecten van de omgeving die uniek zijn voor een individu

Greenough, Black en Wallace maken een gelijksoortig onderscheid tussen twee soorten informatieopslag. Veranderingen die het gevolg zijn van aspecten van de omgeving die gemeenschappelijk zijn voor alle leden van een soort, worden ‘ervaringsverwachte’ informatieopslag (soort-typisch) genoemd. Het tweede type informatieopslag wordt ‘ervaringsafhankelijke’ informatieopslag (individu-specifiek) genoemd. Dit type verwijst naar interacties met de omgeving die specifiek zijn voor een individu en gerelateerd zijn aan de vorming van nieuwe synaptische verbindingen.

In de cognitieve neurowetenschappen kan onderzocht worden in welke mate welke aspecten van een bepaald neuraal circuit aangeboren zijn (het product van interacties binnen een organisme, niet gevoelig voor ervaring). Verschillende aspecten van hersenstructuur en –functies zijn waarschijnlijk in verschillende mate gevoelig voor de effecten van ervaringen na de geboorte.

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

Zie figuur 1.2 op bladzijde 9 voor een simpel connectionistisch neuraal netwerk. Er zijn een aantal manieren waarop het gevoelig kan zijn voor training:

• De basale architectuur van het netwerk kan als gevolg van ervaring veranderen, bijvoorbeeld in het aantal knopen. Dit komt weinig voor.

• De sterkte van de verbindingen tussen knopen varieert volgens een gewicht-aanpassing leerregel. Als de basale architectuur van het netwerk vast staat, maar de sterkte van verbindingen varieert, kan gesproken worden van een aangeboren architectuur: de representaties die als gevolg van training ontstaan, worden beperkt door de architectuur van het netwerk.

• Zowel de basale architectuur van het netwerk als de patronen en sterktes van verbindingen tussen knopen zijn aangeboren en daardoor ongevoelig voor externe input. Dit netwerk bevat dus aangeboren representaties. Hiervoor is weinig bewijs.

• Zowel de basale architectuur van het netwerk als de patronen en sterktes van verbindingen tussen knopen zijn door middel van training aanpasbaar. Dit gebeurt enkel onder extreme atypische omstandigheden of in gevallen van atypische genen.

1.3 Cognitief neurowetenschappelijk perspectief op ontwikkeling

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

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

• Er zijn nieuwe methoden en middelen beschikbaar voor cognitieve neurowetenschappers, waardoor meer directe vragen gesteld kunnen worden over de biologische basis van de cognitieve en perceptuele ontwikkeling.

• Onderzoek naar het verband tussen breinstructuren en cognitieve functies faciliteren het verwerven van inzicht in de effecten van vroeg hersenletsel of genetische stoornissen op de cognitieve ontwikkeling.

• Cognitieve neurowetenschappen kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van theorieën over functionele specificatie, kritieke perioden en hersenplasticiteit.

1.4 Ontwikkelingsperspectief op de cognitieve neurowetenschappen

De ontogenetische ontwikkeling is het constructieve proces, waardoor interacties tussen genen en omgeving leiden tot bijvoorbeeld het brein. Onderzoek naar de ontwikkeling is multidisciplinair en er zijn verschillende analyseniveaus en analysemethodes nodig. Het voordeel hiervan is dat de ontwikkeling gebruikt kan worden als hulpmiddel voor het ontrafelen van bijvoorbeeld de interactie tussen genen en cognitieve vermogens.

Daarnaast bestaat het volwassen brein uit meerdere hiërarchische systemen, die moeilijk ‘top-down’ te analyseren zijn. De ontwikkelingsbenadering zorgt ervoor dat verschillende niveaus onafhankelijk van elkaar kunnen worden geobserveerd. Er kan onderzocht worden hoe verschillende neurocognitieve systemen zich ontwikkelen en tijdens de ontwikkeling geïntegreerd worden.

1.5 The cause of developmental change

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

1. Bestaande epigenese: er is een unidirectioneel causaal pad van de genen naar structurele veranderingen in het brein naar hersenfuncties en ervaring (genen  hersenstructuur  hersenfuncties  ervaring). Specifieke cognitieve mechanismen zijn op een bepaalde leeftijd aanwezig ofwel afwezig.

2. Probabilistische epigenese: de interacties tussen tussen genen, structurele hersenveranderingen en functies zijn bidirectioneel (genen  hersenstructuur  hersenfuncties  ervaring). Het brein heeft vroeg in de ontwikkeling verschillende mogelijke ontwikkelingspaden en eindproducten. Het eindproduct is afhankelijk van de interacties tussen genen en omgeving.

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

Het is moeilijk om met de constructivistische benadering te werken, omdat er weinig theoretische middelen zijn voor het begrijpen van fenomenen in complexe dynamische systemen.

1.6 Three viewpoints on human functional brain development

Het is moeilijk om onderzoek te doen naar de verbanden tussen enerzijds de neuroanatomische veranderingen tijdens de ontwikkeling van het brein en anderzijds de veranderingen in motorische, perceptuele en cognitieve vermogens. In dit boek dat bewijs worden besproken vanuit drie verschillende perspectieven op de functionele hersenontwikkeling.

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

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

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

1.7 Looking forward

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

2. Onderzoeksstrategieën

2.1 Ontwikkeling in wetenschap

De afgelopen decennia zijn er nieuwe technologieën voor de cognitieve ontwikkelingsneurowetenschappen ontwikkeld. Gedragsmethoden voor onderzoek onder baby’s en kinderen worden verbeterd en uitgebreid. Ook ‘neuroimaging’ is een relatief nieuwe techniek. Hierbij worden op basis van veranderingen in cerebraal metabolisme, bloedsomloop of elektrische activiteit functionele plattegronden van hersenactiviteit gemaakt. Deze techniek heeft onderzoek onder dieren deels vervangen.

Ook is in de cognitieve ontwikkelingsneurowetenschappen aandacht besteed aan kinderen met ontwikkelingsstoornissen met een genetische oorsprong, zoals autisme en het Williams syndroom. Ook is het nuttig om aandacht te besteden aan gevallen waarbij sprake is van vroege deprivatie door sensorische beperkingen of een slechte sociale context. Hierdoor kan inzicht worden verkregen in het belang van specifieke soorten vroege ervaring voor de latere ontwikkeling.

2.2 Cognitieve taken en gedragstaken

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

• ‘Preferential looking’: het presenteren van gepaarde visuele stimuli en het opnemen van de tijd dat baby’s naar elke stimulus kijken. De voorkeur van het kind zou uitgaan naar de stimulus waar het kind het langst naar kijkt.

• Habituatie: dezelfde stimulus herhaaldelijk presenteren, tot de baby minder lang naar de stimulus kijkt. Op een gegeven moment wordt een nieuwe stimulus aangeboden en wordt onderzocht of de baby weer langer naar deze stimulus kijkt. Als dit het geval is, kan aangenomen worden dat de baby onderscheid kan maken tussen de eerste en tweede stimulus.

• ‘Marker task’: het gebruik van specifieke gedragstaken die gerelateerd zijn aan één of meerdere hersengebieden bij volwassenen. Door onderzoek te doen naar de ontwikkeling van prestatie op de taak op verschillende leeftijden en in verschillende contexten, kan worden bestudeerd hoe de gedragsverandering verklaard kan worden door bekende patronen van hersenontwikkeling.

De ‘marker task’ heeft een aantal nadelen:

• Bevindingen van een specifieke taak kunnen niet worden gegeneraliseerd naar andere taken die daaraan gerelateerd lijken te zijn en het kan moeilijk zijn om vergelijkingen te maken tussen groepen die significant van elkaar verschillen.

• Het is moeilijk om taken te ontwikkelen, die beperkt genoeg zijn in eisen en toch genoeg eisen om beroep te doen op interessante cognitieve vermogens.

• Verschillende hersengebieden kunnen een rol spelen bij dezelfde taak op verschillende leeftijden, wat de interpretatie van resultaten bemoeilijkt.

2.3 Het meten van ontwikkelende hersenfuncties

De meeste methoden die worden gebruikt in onderzoek naar het functioneren van het jonge menselijk brein, zijn methoden die ook al gebruikt worden bij onderzoek naar de hersenen van volwassenen.

‘High-density event-related potentials’ (HD-ERP) is een methode, waarbij de elektrische activiteit van het brein wordt opgenomen door middel van elektroden op het oppervlak van de hoofdhuid. Deze sensoren detecteren kleine veranderingen in elektrische spanning als gevolg van groepen neuronen die samen ‘vuren’. Er kunnen verschillende soorten elektrische activiteit worden gemeten:

• Natuurlijke elektrische ritmes van het brein: elektro-encefalografie (EEG)

• Elektrische hersenactiviteit in reactie op een gebeurtenis (bijvoorbeeld het verschijnen van een stimulus): ‘event-related-potentials’ (ERP’s)

• Hoge-frequentie EEG die gerelateerd lijkt te zijn aan stadia van informatieverwerking: event-related oscillations (ERO’s)

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

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

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

2.4 De ontwikkelende hersenstructuur

Eén van de doelen van de cognitieve ontwikkelingsneurowetenschappen is het leggen van verbanden tussen enerzijds hersenfuncties en cognitie en anderzijds veranderingen in de onderliggende hersenstructuur. Vroeger werd onderzoek naar de structurele hersenontwikkeling vaak uitgevoerd bij overleden mensen of dieren. Een voorbeeld hiervan is het kleuren van neuronen en hun processen, waardoor ze onder de microscoop beter zichtbaar worden. Een voorbeeld hiervan is de Golgi methode. Deze methode heeft echter een aantal nadelen. Zo duurt het lang, is het moeilijk en is het vaak lastig om kinderen te werven, die onderzocht kunnen worden. Daarnaast is bij kinderen die een autopsie krijgen vaak sprake geweest van een trauma of ziekte, waardoor onderzoeksbevindingen niet gegeneraliseerd kunnen worden naar de normale hersenontwikkeling.

MRI biedt de mogelijkheid om de hersenstructuur te onderzoeken bij gezonde levende baby’s en kinderen. Tot voor kort was het echter enkel mogelijk om door middel van MRI onderscheid te maken tussen de grijze en witte stof. Tegenwoordig zijn er echter nieuwe analytische methoden beschikbaar. ‘Diffusion Tensor Imaging’ (DTI) maakt bijvoorbeeld gebruik van metingen van de beweging van watermoleculen om een gedetailleerd beeld te schetsen van de hersenstructuur.

2.5 Onderzoek bij dieren en genetica

Veel kennis over de hersenontwikkeling is afkomstig van onderzoek naar andere soorten. Een aantal modellen voor dieren bevatten principes die toepasbaar zijn op aspecten van de menselijke ontwikkeling. Een computermodel van het neurale netwerk kan inzicht geven in basale kwesties, zoals de neurale basis van kritieke periodes voor leren. Onderzoek naar simpele modellen voor dieren kan directe en indirect informatie geven over de manier waarop de hersenontwikkeling gerelateerd is aan cognitieve en gedragsveranderingen bij mensen.

In de moleculaire genetica bestaan er technieken, waarbij letsel wordt toegebracht aan genen van een dier. Deze methode geeft inzicht in de bijdrage van bepaalde genen aan cognitieve en perceptuele veranderingen bij dieren. Dergelijke modellen voor dieren kunnen ook nuttig zijn bij onderzoek naar de rol van genetische abnormaliteiten bij stoornissen met een genetische oorsprong.

2.5 Ontwikkelingsstoornissen

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

Er bestaan verschillende genetische afwijkingen:

• Mutaties van genen: fragiele X syndroom, phenylketonurie (PKU)

• Chromosomale afwijkingen: syndroom van Down

• Microdeleties (meerdere genen van een bepaald deel van een chromosoom zijn verdwenen): Prader-Willi en Williams syndroom

Er zijn ook ontwikkelingsstoornissen met een complexe genetische basis, waarbij meerdere genen een klein effect hebben. Een voorbeeld hiervan is autisme. Uit onderzoek kan geconcludeerd worden dat bij autisme vele genen betrokken zijn, die ieder een klein effect hebben. Waarschijnlijk zijn er meerdere combinaties van genetische factoren die kunnen leiden tot autisme. Er is ook bewijs voor een interactie van genen met omgevingsfactoren.

Williams syndroom (WS) is een relatief zeldzame stoornis met een genetische oorsprong. Dit syndroom is ook wel bekend als ‘infantile hypercalcemia’. Het brein van kinderen met WS is ongeveer 80-85% van het volume van een normaal brein, maar er lijkt geen sprake te zijn van grote abnormaliteiten of letsel. Er is wel enig bewijs voor een relatieve toename in volume van bepaalde delen van het cerebellum.

Het patroon van deficieten in vermogens bij WS lijkt tegenovergesteld te zijn aan de tekorten in vermogens bij autisme. Zo is er bij autisme sprake van gebrekkige sociale vaardigheden, terwijl dit niet het geval is bij WS. Hierdoor ontstond de hypothese dat het sociale hersensysteem bij WS intact is, terwijl dit beschadigd is bij autisme. Hoewel uit onderzoek blijkt dat dit te gesimplificeerd is, illustreert dit wel het nut van het vergelijken van verschillende ontwikkelingsstoornissen.

2.7 Afwijkend ontwikkelende hersenen

Het brein kan op vier niveaus worden beschreven:

• Grove anatomie van het brein

• Hersengebieden met een tekort

• Functionele neurale systemen en paden

• Neurochemie en microcircuit: stoffen, dendrieten en synapsen

Bij veel ontwikkelingsstoornissen is er sprake van subtiele verschillen in hersenstructuur en –functie. Voor zowel autisme als ADHD is geen consistent bewijs voor grote neuroanatomische beschadigingen of andere abnormaliteiten. Veel onderzoek is echter uitgevoerd onder oudere kinderen of volwassenen. Mogelijk is er bij baby’s of peuters sprake van meer specifieke effecten.

Daarnaast zijn de meeste breinabnormaliteiten die worden geassocieerd met ontwikkelingsstoornissen niet specifiek voor één stoornis. Er moet voorzichtig worden omgegaan met beweringen over specifieke neurale tekorten die ten grondslag zouden liggen aan een ontwikkelingsstoornis, totdat er meer onderzoek is gedaan naar andere hersengebieden en andere ontwikkelingsstoornissen.

Grove anatomie van het brein

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

2. 8. Sensorische verstoringen en verstoringen vanuit de omgeving

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

3. De invloed van genen

3.1 Ontwikkeling van kennis over genen

Over de tijd heen is de kennis over genen aanzienlijk toegenomen. Halverwege de 19^e eeuw werd ontdekt dat het materiaal dat verantwoordelijk is voor erfelijkheid zich in cellen bevindt. De volgende vraag was wat dit materiaal controleerde: de celkern (nucleus) of het cytoplasma. Rond 1900 werd de celkern geïdentificeerd als de plaats van erfelijk materiaal. Kort daarna bedacht Johannsen de termen ‘gen’, ‘genotype’ (de som van alle genen) en ‘fenotype’ (het eindproduct van genexpressie).

Rond 1950 werd onderzocht welke stof in de celkern verantwoordelijk is voor erfelijkheid. Franklin en Wilkins maakten gebruik van ‘X-ray defraction’ om de structuur van de molecuul DNA te ontdekken. In 1950 stelden Watson en Crick voor dat DNA een ‘dubbele helix’ structuur heeft. Hierdoor werd inzicht gekregen in de manier waarop informatie wordt gecodeerd en overgedragen naar de volgende generatie.

Principes van genfuncties

De structuur van DNA (de spiraalvormige dubbele helix) is op twee manieren gerelateerd aan de functie van deze molecuul (het behouden en overdragen van informatie):

• DNA bevat twee nucleotide strengen die uit elkaar gehaald kunnen worden, als de genetische informatie tijdens de celdeling (vorming van lichaam en brein) gekopieerd moet worden.

• Elke streng bevat een code, die bestaat uit verschillende volgordes van vier nucleotide bases (adenine, guanine, thymine en cytosine).

Genen zijn de volgordes van nucleotides binnen een streng DNA. De volgorde biedt de basis voor het tot uitdrukking komen van het gen. De volgende vraag luidt als volgt: Hoe maken strengen DNA proteïnes (de basale chemische bouwblokken van biologisch weefsel)? Uit onderzoek blijkt dat proteïne binnen de cel vrij ver weg wordt geconstrueerd van het DNA. De molecuul die de informatie van het DNA overdraagt naar de plek waar proteïnes worden gemaakt, is RNA (ribonucleïnezuur).

De identificatie van DNA en de mechanismen van uitdrukking leidde rond 1960 tot het idee dat de volgorde van nucleotides in DNA alle benodigde informatie bevat voor de ontwikkeling van een organisme. Uit onderzoek bleek echter dat dit idee te simpel was en dat de uitdrukking van genen een dynamisch fenomeen is, dat gevoelig is voor de context. Zo is uit onderzoek het volgende gebleken:

• De stappen tussen enerzijds het uit elkaar halen en lezen van een streng DNA en anderzijds de daadwerkelijke constructie van een proteïne zijn complex. Dezelfde volgorde van DNA kan resulteren in verschillende proteïnes.

• 95% van het DNA heeft geen invloed op proteïnes. Dit wordt ook wel ‘junk’ DNA genoemd.

• Veel genen coderen voor regulerende in plaats van structurele eiwitten. Deze regulerende eiwitten moduleren de expressie van andere genen, wat leidt tot complexe interacties. Genen zijn ‘pleiotropic’: een bepaald gen kan verschillende rollen spelen op verschillende momenten in de ontwikkeling en in verschillende delen van het lichaam.

• Naast het geërfde DNA zijn er andere verschillen in cellen, die interacteren met en invloed hebben op de expressie van genen. Geërfde cellulaire factoren, anders dan DNA, kunnen dus invloed hebben op de genen die tijdens de ontwikkeling tot uitdrukking komen.

Uit onderzoek onder dieren blijkt dat de manier waarop genen tot uitdrukking komen, beïnvloed wordt door de vroege omgeving. Zo blijkt uit onderzoek onder ratten, dat wanneer een pasgeboren rat vaak door de moeder wordt gelikt, het later minder angstig is en minder last heeft van stressreacties dan ratten die minder vaak gelikt worden. Vroege sensorische ervaringen kunnen levenslange effecten hebben door middel van permanente veranderingen in de timing en hoeveelheid verschillende eiwitten die door de genen tot uitdrukking komen.

3.3 Onderzoek naar ontwikkeling van een genotype

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

• Het onderzoeken van gevallen, waarin de ontwikkeling van genotype naar fenotype minder lang en/of complex is. Er kan bijvoorbeeld gekeken worden naar mensen met phenylketonuria (PKU). Deze genetische stoornis zorgt voor lage niveaus van een enzym, dat er normaal voor zorgt dat het ene aminozuur wordt omgezet in tyrosine. Een buitensporige hoeveelheid van het eerste aminozuur en een relatief gebrek aan tyrosine resulteert in ontwikkelingsproblemen, zoals verminderde niveaus van dopamine in de prefrontale cortex.

• Het bestuderen van natuurlijke individuele verschillen in genetische factoren, hersenfuncties en gedrag.

• Het bestuderen van mensen met bepaalde ontwikkelingsstoornissen of syndromen. Een voorbeeld van een syndroom met een goed gedefinieerde genetische basis, is het fragiele X syndroom. Een allel van het FMR1 gen op het X-chromosoom bevat normaal 6 tot 55 kopieën. Bij het fragiele X syndroom neemt het aantal kopieën steeds meer toe, tot meer dan 230 kopieën van het gen. Hierdoor wordt de structuur instabiel, waardoor het gen niet langer kan functioneren en er een gebrek ontstaat aan de FMR1 eiwit. Omdat mannen één X-chromosoom hebben, heeft het fragiele X syndroom op hen meer effect. Gevolgen van dit syndroom zijn een langgerekt gezicht, platvoeten en autistische symptomen. Ook kan het effect hebben op de neurotransmitter glutamaat. Door het bestuderen van het fragiele X syndroom wordt meer inzicht gekregen in de manier waarop genen en neurotransmitters invloed hebben op cognitie en gedrag.

Een variant op deze onderzoeksstrategie is het onderzoeken of stoornissen of syndromen een genetische basis hebben.

• Het uitvoeren van onderzoek onder dieren, waarbij genen als het ware buiten werking worden gesteld (‘to knock out genes’). Als een gen buiten werking wordt gesteld en er vervolgens een tekort optreedt in bepaald gedrag, kan worden gezegd dat het defecte gen de oorzaak is van dit tekort. Er kan echter niet worden geconcludeerd dat het gen codeert voor het verstoorde gedrag, of dat dit gedrag de functie is van het gen.

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

3.4 FOXP2

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

Echter, deze bewering klopt om een aantal redenen niet:

• De familieleden hadden niet alleen op het gebied van grammatica tekorten, maar hadden bijvoorbeeld ook een lagere algemene intelligentie.

• Het FOXP2 gen is ook gevonden in soorten, die niet beschikken over menselijke taalvaardigheden, zoals muizen. Wel maken muizen minder geluiden als dit gen buiten werking wordt gesteld. Alle onderzoeksbevindingen samen suggereren dat FOXP2 één van de genen die van belang is om snelle bewegingsvolgordes te leren beheersen.

• Het FOXP2 gen is tijdens de evolutie bewaard gebleven en is ook bij reptielen gevonden. Tijdens de evolutie hebben enige veranderingen plaatsgevonden in de aminozuren, waaruit het gen bestaat. Hoewel sommige veranderingen mogelijk invloed hebben gehad op het functioneren van het gen, lijkt het waarschijnlijker dat een verandering in de functie van het gen een gevolg is van de activiteit van het gen op verschillende momenten in de ontwikkeling of op verschillende plekken in het ontwikkelende brein.

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

4. De hersenontwikkeling

4.1 Structuur van de hersenen

Het brein van alle zoogdieren volgt een basaal plan, dat zelfs geldt voor soorten als kikkers en vogels. Het grote verschil tussen deze soorten en hogere primaten, is de grote uitbreiding van de cerebrale cortex en daarbij horende structuren, zoals de basale ganglia. De hersenen volgen bij mensen dezelfde ontwikkeling als bij andere primaten, maar dan in een trager tempo.

De neocortex van alle zoogdieren is een dun (3-4 mm) om de twee hersenhelften heen. Zie ook figuur 4.1 op bladzijde 43. De uitbreiding in de grootte van de cortex tijdens de evolutie, heeft geleid tot een toename in groeven (sulci) en windingen (gyri). De extra cortex die primaten, en vooral mensen, hebben, is gerelateerd aan de hogere cognitieve functies waarover zij beschikken.

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

Het brein heeft twee soorten cellen: neuronen en gliacellen. Gliacellen zijn van belang voor de ontwikkeling van de cortex. Er lijken minstens 25 verschillende soorten neuronen te bestaan, waarbij iedere soort vaak een eigen functie heeft. Ongeveer 80% van de neuronen zijn piramidecellen: neuronen met een piramidevorm door een relatief grote apicale dendriet (zie ook figuur 4.2 op bladzijde 45). Hoewel piramidecellen zich in veel lagen van de cortex bevinden, reiken de apicale dendrieten vaak tot het meest oppervlakkige niveau (laag 1). Door deze lange apicale dendriet kan de cel worden beïnvloed door grote aantallen cellen uit andere (meer oppervlakkige) lagen en gebieden. Dit kan van belang zijn als de piramidecel een stabiele en inflexibele celsoort is, bij wie de output gemoduleerd wordt door meer plastische en flexibele inhiberende regulerende neuronen.

De cortex bestaat uit verschillende lagen en heeft daarmee een gelaagde (‘laminar’) structuur. Elke laag bevat bepaalde celsoorten en elke laag heeft bepaalde patronen van input en output. De meeste gebieden van de neocortex bestaan uit zes lagen. Deze lagen hebben de volgende kenmerken:

• Laag 1 heeft weinig cellichamen en bestaat vooral uit lange banen van witte stof, die horizontaal lopen en verschillende gebieden van de cortex met elkaar verbinden.

• Ook laag 2 en 3 bevatten horizontale connecties, waarbij kleine piramidecellen de verbinding leggen met nabijgelegen gebieden van de cortex.

• Laag 4 is de laag waar de meeste input eindigt. Deze laag bevat veel stervormige ‘spiny stellate’ cellen.

• Vanaf laag 5 en 6 gaat veel output naar subcorticale hersengebieden. Deze lagen bevatten vooral piramidecellen.

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

Daarnaast zijn er enkele andere regionale verschillen die bij kunnen dragen aan verschillen in specialisatie:

• Verschillende delen van de cortex hebben verschillende projectiepatronen naar andere delen van de cortex. Geen enkel patroon is kenmerkend voor alle corticale gebieden.

• Aanwezigheid van bepaalde neurotransmitters en de relatieve bijdrage van stimulerende en inhiberende neurotransmitters.

• Verschillen in de timing van ontwikkelingsgebeurtenissen.

4.2 Prenatale ontwikkeling van de hersenen

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

• Endoderm (binnenste laag): interne organen, zoals het spijsverteringskanaal en het ademhalingsstelsel

• Mesoderm (middelste laag): het skelet en de spieren

• Ectoderm (buitenste laag): de huid en het zenuwstelsel (inclusief de perceptuele organen)

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

• Lengte: zorgt voor het centrale zenuwstelsel, met de voor- en middenhersenen aan de ene kant en de ruggengraat aan de andere kant. De ontwikkeling van de voor- en middenhersenen begint met de vorming van blaasjes. Ongeveer vijf weken na de bevruchting kunnen deze blaasjes worden herkend als prototypes voor de belangrijkste delen van het brein: het eerste blaasje ontwikkelt zich tot de cortex (telencephalon), het tweede tot de thalamus en hypothalamus (diencephalon) en het derde tot het middenbrein (mesencephalon). Andere blaasjes ontwikkelen zich tot het cerebellum (metencephalon) en de medulla (myelencephalon). Zie ook figuur 4.3 op bladzijde 47.

• Omtrek: zorgt voor het onderscheid tussen sensorische en motorische systemen. De bovenkant van de neurale buis (dorsaal) ontwikkelt zich tot de sensorische cortex, terwijl de onderkant (ventraal) zich tot de motorische cortex ontwikkelt. De associatiecortexen en de ‘hogere’ sensorische en motorische cortexen bevinden zich hier tussenin. De omtrek van de neurale buis speelt bovendien een grote rol bij de ontwikkeling van zenuwen in de rest van het lichaam.

• Straal: zorgt voor de gelaagdheid van het brein en de verschillende celsoorten. Binnen de blaasjes worden cellen gevormd (proliferatie), verplaatst (migratie) en gespecialiseerd (differentiatie). De meeste cellen worden in de proliferatieve zones gevormd, die zich dicht bij het holle deel van de neurale buis bevinden. Er bestaan twee soorten proliferatieve zones: de ‘ventricular’ zone (draagt vooral bij aan de evolutionair oudere hersenstructuren) en de ‘subventricular’ zone (draagt vooral bij aan de relatief nieuwere hersenstructuren, zoals de neocortex). De twee zones produceren verschillende gliacellen en neuronen en leiden tot verschillende vormen van migratie.

Neuronen en gliacellen ontstaan door de deling van cellen in de proliferatieve zones. Neuroblasten produceren neuronen en glioblasten produceren gliacellen. Als jonge neuronen gevormd zijn, moeten ze van de proliferatieve zone migreren. Er zijn twee soorten migratie:

• Passieve celverplaatsing: gevormde cellen worden door nieuw gevormde cellen verder van de proliferatieve zone geduwd. Dit leidt tot een ‘outside-in’ patroon, waarbij de oude cellen naar het oppervlak van het brein worden geduwd, terwijl de nieuwere cellen dichterbij de plaats van vorming blijven. Passieve migratie leidt tot onder andere de thalamus.

• Actieve celverplaatsing: de nieuwe cellen gaan langs de ouder gevormde cellen. Dit leidt tot een ‘inside-out’ patroon en wordt gevonden in de cerebrale cortex en sommige subcorticale gebieden met een gelaagde structuur.

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

4.3 Postnatale ontwikkeling van de hersenen

Vanaf de geboorte tot de adolescentie neemt de grootte van het brein aanzienlijk toe. Dit kan niet worden toegeschreven aan een toename in het aantal neuronen, omdat de meeste neuronen tijdens de prenatale ontwikkeling worden gevormd. Tijdens de postnatale ontwikkeling vindt echter wel een enorme toename plaats in synapsen, dendrieten en ‘fiber bundles’. De grootte en complexiteit van de dendrieten van de meeste neuronen neemt toe, waardoor cellen meer gespecialiseerd worden. Zie ook figuur 4.5 op bladzijde 52. Ook de dichtheid van synapsen neemt toe. De toename in synapsen (synaptogenese) begint al rond de geboorte, maar de ‘groeispurt’ en het bereiken van de piek gebeurt in verschillende gebieden op verschillende leeftijden.

Een ander proces dat bijdraagt aan de toenemende grootte van het brein, is myelinisatie. Hierbij wordt een vettig laagje om de axonen gevormd. Myelinisatie gebeurt in verschillende hersengebieden op verschillende momenten in de ontwikkeling. Door dit proces kunnen impulsen sneller worden overgedragen. Hierbij moet echter opgemerkt worden, dat ook zonder myelinisatie signalen overgedragen kunnen worden. Zie ook figuur 4.6 op bladzijde 53.

Ook ‘positron emission tomography’ (PET) kan gebruikt worden om de postnatale ontwikkeling te bestuderen. Onderzoek dat gebruik maakt van deze techniek, heeft aangetoond dat het rustende hersenmetabolisme (de opname van glucose uit het bloed) in het eerste levensjaar toeneemt, en rond vier- of vijfjarige leeftijd een piek bereikt. Tijdens deze piek is het niveau van rustende glucose-opname ongeveer 150% van wat normaal is bij volwassenen. Na het bereiken van deze piek, neemt de glucose-opname af tot volwassen niveaus.

Processen van selectief verlies hebben een grote invloed op de postnatale hersenontwikkeling. Zo vindt er na de synaptogenese een periode van synaptisch verlies plaats. De timing van deze synaptische pruning verschilt tussen hersengebieden. Zie ook figuur 4.8 in het midden van het boek. De aanvankelijke overproductie van synapsen speelt mogelijk een belangrijke rol bij de plasticiteit van het jonge brein.

Een mogelijke verklaring voor de afname van de glucose-opname, is dat het een reflectie is van een synaptische pruning. De piek van glucose-opname vindt echter later plaats dan de piek van synaptische dichtheid. Een alternatief voor deze hypothese is dat het minder moeite kost om dingen te doen, als eenmaal een bepaald vaardigheidsniveau bereikt is.

Er vinden ook toe- en afnamen plaats in een aantal neurotransmitters, waaronder glutamaat, GABA en serotonine.

De techniek MRI wordt gebruikt om de structurele hersenontwikkeling op grotere schaal te onderzoeken. Uit onderzoek blijkt dat ook grijze stof toe- en afneemt, wat wijst op de pruning van verbindingen tussen neuronen. De snelste ontwikkeling vindt plaats in de primaire sensorische gebieden van de cortex, terwijl de posterieure superieure temporale cortex zich als laatst ontwikkelt. Volgens sommigen is deze volgorde een reflectie van de evolutionaire volgorde waarin deze hersenstructuren geëvolueerd zijn, maar deze hypothese is controversieel.

Uit onderzoek blijkt dat witte stof over de tijd heen een lineaire toename vertoont. Het gebrek aan een afname is mogelijk een reflectie van de voortdurende myelinisatie.

Onderzoek heeft dus aangetoond dat neuronen en verbindingen tussen neuronen toe- en afnemen. Een aantal dingen moet echter worden benadrukt:

• Niet alle metingen vertonen dit patroon, zoals myelinisatie en witte stof.

• Metingen, zoals synaptische densiteit, zijn statische beelden van een dynamisch proces. Dit betekent dat er waarschijnlijk geen aparte fasen van toe- en afname zijn.

• Er bestaan individuele verschillen in hersenstructuur en hersenfunctioneren.

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

4.4 De ontwikkeling van hersengebieden

De meeste neuronen worden buiten de cortex gevormd (in de proliferatieve zones) en moeten dus migreren naar locaties in de cortex. Rakic’s ‘radial unit model’ van neocorticale differentiatie verklaart hoe zowel de regionale indeling (‘areal structure’) als de gelaagde structuur van de cerebrale cortex ontstaat. Dit model stelt dat de gelaagde structuur bepaald wordt door het feit dat elke proliferatieve eenheid ongeveer honderd neuronen vormt. De neuronen van elke proliferatieve eenheid migreren naar dezelfde ‘radial glial fiber’: een baan die zich uitstrekt van de bovenkant tot de onderkant van de cortex. ‘Radial glial fibers’ zijn een soort touw, om ervoor te zorgen dat alle neuronen naar de juiste plek migreren. Het laatst gevormde neuron verplaatst zich hierbij langs eerder gevormde neuronen. Zie figuur 4.13 op bladzijde 60 voor een illustratie van dit model.

Een volgende vraag betreft de manier waarop differentiatie in specifieke lagen ontstaat. Er is enig bewijs voor het idee dat neuronen al beginnen in bepaalde celsoorten te differentiëren voordat de uiteindelijke bestemming van het neuron is bereikt. Dit wijst erop dat de informatie die nodig is voor differentiatie, al aanwezig is bij de vorming van de neuron in de proliferatieve zones. Differentiatie wordt dus niet beïnvloed door de omgeving waarin de cel uiteindelijk terechtkomt, ook als dit de verkeerde plek is.

Sommige celeigenschappen die onderscheid maken tussen celsoorten kunnen echter later worden gevormd. Zo is gesuggereerd dat de apicale dendriet van piramidecellen het resultaat is van de toenemende afstand tussen laag 1 en andere lagen (wat het gevolg is van het ‘inside-out’ groeipatroon).

Onderzoek heeft tot dusver aangetoond dat de gelaagde structuur van de cortex waarschijnlijk ontstaat uit lokale cellulaire en moleculaire interacties, in plaats van dat deze structuur gevormd wordt door thalamische en sensorische input. Dit betekent dat de identiteit en locatie van neuronen al bepaald zijn, voordat de neuronen gevormd zijn. Inkomende ‘fibers’ (bundels axonen) weten als het ware in welke laag ze moeten stoppen met groeien en synaptische contacten moeten leggen.

Er zijn twee mogelijke verklaringen voor de verdeling van de hersenen in gebieden (‘areal differentiation’):

• De regionale indeling van de cortex is het gevolg van een protomap. Deze indeling vindt vroeg in de vorming van de cortex plaats en is het resultaat van intrinsieke factoren (van de cortex of de proliferatieve zones). Er is geen activiteit van neuronen bij nodig.

• De regionale indeling van de cortex is het gevolg van een ongedifferentieerde protocortex. Differentiatie vindt later in de ontwikkeling van de cortex plaats en is afhankelijk van extrinsieke factoren, zoals input uit andere hersengebieden of sensorische systemen. Hiervoor is activiteit van neuronen vereist. De regionale indeling wordt beïnvloed door informatie vanuit de thalamus en vanuit interacties met andere hersengebieden.

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

• Veel patronen van genexpressie waarvan gedacht wordt dat ze bijdragen aan de regionale indeling van de cortex, vertonen geen duidelijke grenzen, maar eerder bepaalde gradaties van expressie in grote delen van de cortex. Dit suggereert dat de regionale indeling het gevolg is van een combinatie van verschillende maten van genexpressie. Dit wordt ook wel een hyperdimensionele deken (‘hyperdimensional plaid’) genoemd en wordt gecontrasteerd met een mozaïekachtig quilt (‘mosaic quilt’, protomap). Onderzoek heeft aangetoond dat de genetische invloed op de gelaagde structuur van de cortex relatief direct is en dat verschillende genen de ontwikkeling van verschillende lagen coördineren.

• Zelfs de eigenschappen van sensorische gebieden kunnen door ervaring veranderen.

• Uit bewijs voor een regionale indeling vóór de geboorte kan niet worden geconcludeerd dat neurale activiteit niet belangrijk is, omdat bekend is dat spontane neurale activiteit in het brein belangrijk is voor differentiatie.

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

Er wordt veel onderzoek gedaan naar de combinaties van factoren die bepalend zijn voor de regionale indeling van de cortex. Zo heeft onderzoek het volgende aangetoond:

• Het brein van hersenen blijft zich specialiseren, zelfs zonder input vanuit de thalamus.

• De regionale indeling van de cortex vindt grotendeels plaats door de verschillende hoeveelheden cellen die gevormd worden in verschillende lagen in verschillende hersengebieden. De corticale protomap kan gevormd worden door input vanuit andere hersengebieden. Spontane neurale activiteit in het ene hersengebied kan een ‘mitogeen’ effect hebben op de voorlopercellen (‘progenitorcellen’, onrijpe en ongedifferentieerde cellen) in het andere hersengebied, waardoor de vorming van nieuwe neuronen wordt bevorderd.

De grootste uitdaging is het verkrijgen van inzicht in de manier waarop de structurele differentiatie van de cortex gerelateerd is aan het ontstaan van functies. Er zijn weinig voorbeelden van duidelijke verbanden tussen een structureel en een functioneel hersengebied. Dit zijn waarschijnlijk de uitzonderingen op de regel en kan aan de meeste hersengebieden geen aangeboren functie worden toegeschreven.

Onderzoek naar de ‘barrel fields’ in de somatosensorische cortex van knaagdieren heeft aangetoond hoe een hersengebied gedifferentieerd kan worden. Elk ‘barrel field’ is een groep cellen, die reageert op een bepaalde snorhaar van het dier. ‘Barrel fields’ zijn een aspect van de regionale indeling van de cortex, die postnataal ontstaan en gevoelig zijn voor snorhaargerelateerde ervaringen in de eerste levensdagen. Als een snorhaar bijvoorbeeld wordt verwijderd, ontwikkelt het bijbehorende ‘barrel field’ zich niet. Zie figuur 4.14 op bladzijde 65 voor een illustratie.

4.5 Invloeden op ontwikkeling van buitenaf

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

Onderzoek 1

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

Andersom geldt het volgende: het veranderen van de hoeveelheid cortex die beschikbaar is voor innervatie (voorziening van een gebied met zenuwen) door de thalamus, leidt tot veranderingen in het algemene patroon van corticale differentiatie (en niet alleen in het beïnvloede gebied).

Onderzoek 2

Onderzoek heeft aangetoond, dat als thalamische input wordt ‘rewired’ en naar een ander hersengebied dan normaal gaat, het nieuw ontvangende hersengebied bepaalde eigenschappen ontwikkelt van het hersengebied waar de thalamische input normaal gesproken naartoe gaat.

Zo is er onderzoek onder fretten uitgevoerd. Normaal gesproken gaat input vanaf het netvlies naar de visuele cortex. Als de visuele cortex echter wordt beschadigd, kan input vanaf het netvlies naar de auditieve cortex gaan. Uit het onderzoek blijkt dat de auditieve cortex dan visueel responsief wordt. Er is bewijs voor het idee dat visuele input goed verwerkt kan worden in een gebied dat oorspronkelijk niet voor visuele informatie is ontwikkeld. Er is echter geen bewijs voor het idee dat de auditieve cortex functioneel identiek wordt aan de visuele cortex.

Onderzoek 3

Tot slot blijkt uit onderzoek, dat als een deel van het brein naar een nieuwe locatie wordt getransplanteerd, dit deel de eigenschappen van de nieuwe locatie overneemt. Ze dienen dan dus niet langer de functie die ze oorspronkelijk dienden.

Er is bijvoorbeeld onderzoek onder ratten uitgevoerd, waarbij delen van de visuele cortex getransplanteerd werden naar de somatosensorische cortex, die normaal gesproken ‘barrel fields’ vormt. Hieruit blijkt, dat als de getransplanteerde cortex thalamische input ontvangt, deze ‘barrel fields’ ontwikkelt die veel lijken op de ‘barrel fields’ die normaal gesproken door de somatosensorische cortex worden gevormd.

Er moeten echter twee kanttekeningen worden geplaatst bij de conclusie dat de meerderheid van het hersenweefsel ‘equipotent’ is (in staat is om taken van andere delen over te nemen):

• De meeste onderzoeken die gebruik maken van transplantatie en ‘rewiring’, zijn gedaan naar primaire sensorische cortexen. Mogelijk hebben deze cortexen een gemeenschappelijke ontwikkelingsoorsprong, die niet geldt voor andere soorten cortex. Het is mogelijk dat de cortex alleen equipotent is binnen een ‘lineage’, waarbij een primaire cortex alleen de taken over kan nemen van een andere primaire cortex en een secundaire cortex alleen de taken van een andere secundaire cortex.

• Terwijl een getransplanteerde of ‘rewired’ cortex er in termen van functie en structuur hetzelfde uit kan zien als het oorspronkelijke weefsel, is het bijna altijd tóch te onderscheiden van het oorspronkelijke weefsel.

4.6 Differentiële hersenontwikkeling

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

Ook in de regionale indeling van de cortex (‘areal structure’) is sprake van een differentiële ontwikkeling. Zo blijkt uit onderzoek dat de primaire visuele en auditieve cortex zich sneller ontwikkelen dan de frontale cortex. Deze differentiële ontwikkeling wordt niet bij andere soorten gevonden. Waarschijnlijk zijn regionale verschillen door de langere postnatale ontwikkeling bij mensen meer zichtbaar. Ook is het mogelijk dat de verschillen in onderzoeksbevindingen tussen mensen en andere soorten het gevolg zijn van verschillen in gebruikte onderzoekstechnieken.

Ook onderzoek dat gebruik maakt van PET, heeft aangetoond dat hersengebieden zich differentieel ontwikkelen. De opname van glucose bereikt in verschillende hersengebieden op verschillende leeftijden een piek. Ook witte stof (als gevolg van myelinisatie) ontwikkelt zich differentieel en neemt in verschillende hersengebieden in een ander tempo toe.

4.7 Hersenontwikkeling in de adolescentie

In de puberteit vinden er een aantal veranderingen plaats in het brein, waaronder synaptische ‘pruning’ en veranderingen in myelinisatie. Deze veranderingen vinden vooral plaats in de prefrontale cortex. In de puberteit nemen ook hormoonniveaus toe. Volgens sommigen leiden toenemende niveaus van testosteron bij jongens tot minder synaptische ‘pruning’ en daardoor meer grijze stof in bepaalde frontale hersengebieden bij mannen. Onderzoeksbevindingen zijn echter inconsistent.

In de adolescentie neemt impulsief en risicovol gedrag toe. Onderzoek suggereert dat impulsief gedrag en risicogedrag zich anders ontwikkelen en deels een andere oorsprong in het brein hebben:

• Impulsief gedrag (gebrek aan inhibitie) is gerelateerd aan de ontwikkeling van de prefrontale cortex en neemt vanaf de kindertijd geleidelijk af.

• Individuen die geneigd zijn tot risicogedrag hebben in de adolescentie een groter risico door ontwikkelingsveranderingen in het beloningssysteem.

Tijdens de adolescentie verbeteren veel executieve functies, zoals selectieve aandacht, het werkgeheugen en het uitvoeren van meerdere taken tegelijk. Deze executieve functies zijn gerelateerd aan de prefrontale cortex, maar ook andere hersengebieden zijn bij deze veranderingen betrokken.

Sommige subcorticale gebieden veranderen tijdens de adolescentie hun responseigenschappen. Zo wordt de amygdala, die betrokken is bij emotieverwerking, over de tijd heen steeds meer verfijnd (‘fine-tuned’). Terwijl de amygdala op 11-jarige leeftijd ook op neutrale gezichten reageert, wordt de amygdala bij volwassenen alleen geactiveerd bij het zien van een angstige gezichtsuitdrukking. Daarnaast lijken er tijdens de adolescentie sekseverschillen te bestaan in de ontwikkeling van de functie van de amygdala: bij vrouwen neemt de reactie van de amygdala op angstige gezichten tijdens de adolescentie af, terwijl dit voor mannen niet geldt. Voor de prefrontale cortex geldt het tegenovergestelde. Deze onderzoeksbevindingen kunnen worden geïnterpreteerd als een grotere toename in de emotieregulatie bij vrouwen, die gemedieerd wordt door de prefrontale cortex.

4.8 Postnatale ontwikkeling van subcorticale gebieden

Bij de postnatale ontwikkeling van sommige subcorticale structuren (zoals de hippocampus, het cerebellum en de thalamus) lijkt er sprake te zijn van een paradox: enerzijds is er bewijs voor het idee dat deze structuren bij de geboorte al functioneren en anderzijds is er bewijs voor postnatale ontwikkeling en/of functionele reorganisatie van deze structuren. Een mogelijke verklaring voor deze paradox is, dat er tijdens de postnatale ontwikkeling van de neocortex veranderingen plaatsvinden in de interacties met subcorticale gebieden. Uit onderzoek blijkt dat subcorticale gebieden in de vroege ontwikkeling meer invloed hebben op de corticale verwerkingprocessen dan later in de ontwikkeling. Tijdens de ontwikkeling worden corticale netwerken minder afhankelijk van de subcorticale invloed.

Het limbische systeem omvat de amygdala, de hippocampus en de limbische gebieden van de cortex. Terwijl de limbische gebieden van de cortex dezelfde ontwikkeling volgen als andere gebieden van de cortex, worden ze eerder dan andere gebieden van de cortex gedifferentieerd en vertonen daardoor minder plasticiteit.

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

4.9 Neurotransmitters

Behalve ontwikkelingen in de neuronen en ‘wiring’ van het brein, zijn er ook ontwikkelingsveranderingen in de ‘soft soak’ aspecten van neurale functie. ‘Soft soak’ verwijst naar de stoffen die betrokken zijn bij de overdracht en modulatie van neurale signalen. Er zijn twee soorten neurotransmitters: intrinsiek (ontstaan binnen de cortex) en extrinsiek (ontstaan buiten de cortex). De intrinsieke neurotransmitters kunnen verder worden verdeeld volgens het effect dat ze hebben: stimulerend of remmend.

De intrinsieke, stimulerende neurotransmitter glutamaat speelt een rol bij de axonen van piramidecellen, die informatie overdragen naar andere (sub)corticale gebieden. Na de geboorte neemt het aantal receptoren voor de transmitter toe, en vervolgens af.

Dit patroon van toe- en afname lijkt ook te gelden voor de intrinsieke, inhiberende neurotransmitter GABA. Uit onderzoek blijkt dat de niveaus van GABA beïnvloed kunnen worden door de mate van sensorische ervaring.

Extrinsieke neurotransmitters ontstaan op verschillende subcorticale locaties. Voorbeelden hiervan zijn:

• Acetylcholine: ontstaat in de voorhersenen

• Norepinefrine (noradrenaline): ontstaat in de ‘locus coeruleus’ en is gerelateerd aan de plasticiteit van het brein

• Serotonine: ontstaat in de ‘raphe nuclei’ in de hersenstam

• Dopamine: ontstaat in de ‘substantia nigra’ (zwarte substantie)

Samenvattend kan het volgende worden gesteld:

• De meeste intrinsieke en extrinsieke neurotransmitters zijn al bij de geboorte aanwezig, maar vertonen na de geboorte veranderingen in verdeling en algemene niveaus.

• Verschillende neurotransmitters vertonen het patroon van toe- en afname.

• Verschillende extrinsieke neurotransmitters ontwikkelen zich, net als de corticale ontwikkeling, ‘inside-out’.

• Neurotransmitters kunnen tijdens de ontwikkeling meerdere functies hebben.

• Sommige neurotransmitters vertonen in de cortex een differentiële verdeling. Dit speelt mogelijk een rol bij de specialisatie van hersengebieden.

4.10 Verschil in de ontwikkeling van de hersenen tussen mensen en andere dieren

De hersenontwikkeling duurt bij mensen ongeveer vier keer zo lang als bij andere zoogdieren. Uit onderzoek blijkt dat de volgorde van de ontwikkeling bij verschillende soorten hetzelfde is. Het tempo waarin een ontwikkeling plaatsvindt, is gerelateerd aan de relatieve grootte van de betreffende hersenstructuur.

Het model van Finlay en Darlington stelt het volgende: hoe langer de hersenontwikkeling duurt, hoe groter het relatieve volume van de later ontwikkelende hersenstructuren zal zijn. In overeenstemming met dit model, wordt de vertraagde hersenontwikkeling bij mensen geassocieerd met een relatief grotere cortex.

Waarschijnlijk vinden verschillen tussen soorten hun oorsprong (deels) in de timing van de celontwikkeling (het aantal ‘rondes’ van celdeling dat in en om de proliferatieve zones plaatsvindt). Mogelijk is de toegenomen mate van cortex in het menselijk brein een bijproduct van het vertragen van de algemene hersenontwikkeling. Dit suggereert dat bewijs uit onderzoek naar andere dieren relevant is voor onderzoek naar de menselijke hersenontwikkeling, omdat hetzelfde proces wordt bestudeerd.

Een voordeel van de relatief vertraagde hersenontwikkeling bij de mens is dat het de postnatale periode verlengt, waarin interactie met de omgeving kan bijdragen aan de verfijning (‘tuning’) en vorming (‘shaping’) van circuits.

5. De ontwikkeling van zicht, visuele oriëntatie en visuele aandacht

5.1 De ontwikkeling van zicht

Het is lastig te bepalen of veranderingen in visueel vermogen het gevolg zijn van ontwikkelingen aan de ‘buitenkant’, zoals de lens of de oogspieren, of van ontwikkelingen in het brein. Onderzoek lijkt te suggereren dat de ontwikkeling van het centrale zenuwstelsel een belangrijke rol speelt bij de ontwikkeling van zicht. Zie figuur 5.1 op bladzijde 83 voor een illustratie van de stappen bij gedrag dat door zicht wordt geleid. In dit hoofdstuk ligt de focus op bepaalde aspecten van visuele verwerking, oriëntatie en aandacht.

Er is onderzoek gedaan naar de vraag welke hersengebieden geactiveerd worden in reactie op visuele stimuli. Hieruit blijkt dat de reactie van baby’s op visuele stimuli in dezelfde visuele hersengebieden plaatsvindt als bij volwassenen.

Het centrale visuele veld van de meeste primaten is binoculair, waarbij de informatie van de twee ogen geïntegreerd moet worden. Deze integratie vindt plaats in de primaire visuele cortex, in de ‘ocular dominance columns’. Deze ‘columns’ bevinden zich in laag 4 van de primaire visuele cortex en ontstaan door de scheiding van input vanuit beide ogen. Neuronen in één ‘ocular dominance column’ worden gedomineerd door input vanuit één oog. Er bestaat een kritieke periode voor de ontwikkeling van deze columns en ze zijn gevoelig voor de verschillende mate van input vanuit de twee ogen. Zie figuur 5.2 op bladzijde 84 voor een illustratie van de manier waarop input vanuit de twee ogen vormgeven aan de ‘ocular dominance columns’.

Onderzoek heeft aangetoond dat binoculair zicht zich ongeveer aan het eind van de vierde levensmaand ontwikkelt. ‘Stereoacuity’ is één van de vermogens die wordt geassocieerd met binoculair zicht. Dit vermogen neemt snel toe en bereikt binnen een paar weken volwassen niveaus. Held stelt dat voor deze snelle toename een even snelle verandering nodig is in het bijbehorende neurale systeem, wat volgens Held de ‘ocular dominance columns’ is.

Uit onderzoek blijkt dat input vanuit de twee ogen naar de cortex aanvankelijk gemengd is, waardoor informatie zich aan gemeenschappelijke neuronen in laag 4 verbindt. Tijdens de ontwikkeling trekken axonen van het ene oog zich terug uit dit gebied, en blijven de axonen van het andere gebied achter. Volgens Held resulteren deze neurale veranderingen in de plotselinge toename in ‘stereoacuity’. Zie figuur 5.3 op bladzijde 85 voor een illustratie van dit proces.

Dit proces van selectief verlies leidt ertoe dat informatie vanuit de twee ogen gescheiden wordt. Als elke neuron eenmaal informatie ontvangt van slechts één oog, zal er dus enige afname plaatsvinden in de integratie tussen de informatie uit beide ogen. Uit onderzoek blijkt dat baby’s jonger dan 4 maanden bepaalde soorten integratie tussen de ogen uit kunnen voeren, terwijl oudere baby’s dit niet meer kunnen.

Het verlies van deze verbindingen is waarschijnlijk het gevolg van de verfijning van synapsen. Deze verfijning vindt waarschijnlijk plaats door activiteitsafhankelijke neurale mechanismen. Er is echter onderzoek dat suggereert dat de aanvankelijke vorming van de ‘ocular dominance columns’ bij dieren plaats kan vinden zonder gestructureerde visuele ervaring. Mogelijk is dit het gevolg van prenatale intrinsieke spontane activiteit van het netvlies. Nabijgelegen cellen op het ene netvlies (links of rechts) vuren op ongeveer hetzelfde moment, maar hangen niet samen met cellen van het andere netvlies. Cellen die samen vuren, zijn aan elkaar verbonden (‘cells that fire together, wire together’), waardoor er oogspecifieke lagen kunnen ontstaan.

5.2 De ontwikkeling van visuele oriëntatie

Bij visuele oriëntatie is er sprake van een integratie tussen sensorische input en motorische output: in reactie op of in verwachting van een nieuwe sensorische stimulus worden de ogen en het hoofd bewogen. In het eerste levensjaar wordt informatie met name door middel van visuele oriëntatie verzameld.

Bronson was één van de eersten die heeft geprobeerd een verband te leggen tussen de hersenontwikkeling en de ontwikkeling van zicht en visuele oriëntatie. Hij stelde dat deze ontwikkeling van zicht en visuele oriëntatie toegeschreven kan worden aan een verschuiving van subcorticale visuele verwerking naar verwerking in corticale visuele gebieden. Uit onderzoek blijkt dat er bij pasgeboren baby’s sprake is van enige hersenactiviteit en dat het functioneren van de hersenen zich geleidelijk ontwikkelt. Daarnaast zijn er meerdere neurale systemen betrokken bij de controle van oogbewegingen (oculomotorisch) en aandachtsverschuivingen. Zie figuur 5.4 op bladzijde 88 voor een illustratie van een aantal structuren en systemen die hierbij betrokken zijn.

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

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

1. Het eerste pad gaat van de primaire visuele cortex direct naar de superior collicus, of indirect via het middelste temporale gebied. Sommige structuren van dit pad lijken een rol te spelen bij de detectie van beweging en het volgen van bewegende objecten.

2. Het tweede pad gaat van het eerste visuele hersengebied naar andere delen van de visuele cortex en naar de ‘frontal eye fields’. Deze ‘frontal eye fields’ zijn betrokken bij meer complexe aspecten van de planning van oogbewegingen, zoals anticiperende oogbewegingen.

3. Het derde pad is meer complex. Hierbij is sprake van inhibitie van de superior colliculus, via de subcorticale substantia nigra en basale ganglia. Dit pad zorgt ervoor dat de activiteit van de colliculus wordt gereguleerd. Anderen suggereren dat dit pad een rol speelt bij de regulatie van het subcorticale oculomotorische pad, via de andere corticale paden.

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

• Rijpingsperspectief: de ontwikkeling van de verschillende paden moet gerelateerd worden aan het ontstaan van nieuwe functies, zoals gemeten door marker tasks.

• Vaardigheidsperspectief: het brein moet de vaardigheid verwerven om nauwkeurige en informatieve saccades (snelle oogbewegingen) te genereren, en dus zijn hersengebieden van belang die betrokken zijn bij de verwerving van vaardigheden.

• Perspectief van interactieve specialisatie: sommige paden hebben aanvankelijk slecht gedefinieerde grenzen en functies (gebrek aan specialisatie), en worden alleen door ervaring van elkaar te onderscheiden.

Het rijpingsperspectief domineert met betrekking tot visuele oriëntatie. Hierbij is sprake van twee aanvullende benaderingen:

• Voorspellingen over de volgorde van de ontwikkeling van de paden van de hersenontwikkeling

• Het gebruiken van marker taken om de functionele ontwikkeling van bepaalde structuren of paden te meten

Een voorbeeld van de eerste benadering is in 1990 door Johnson gepresenteerd. Johnson stelde dat de kenmerken van visueel geleid gedrag op bepaalde leeftijden worden bepaald door welke paden functioneel zijn en dat welke paden functioneel zijn, beïnvloed wordt door de ontwikkelingstoestand van de primaire visuele cortex. De basis van deze bewering vindt zijn oorsprong in drie observaties:

• De primaire visuele cortex is de belangrijkste poort voor input naar de meeste corticale hersengebieden, die betrokken zijn bij de controle van oogbewegingen.

• De primaire visuele cortex blijft na de geboorte een ‘inside-out’ patroon van groei volgen, waarbij de diepere lagen (laag 5 en 6) rond de geboorte meer ontwikkeld zijn dan de meer oppervlakkige lagen (laag 2 en 3).

• Er is een beperkt patroon van input en output van de primaire visuele cortex (de input naar het tweede visuele corticale gebied is bijvoorbeeld afkomstig uit de bovenste lagen).

Johnson stelde de volgende volgorde voor van de ontwikkeling van corticale paden, die ten grondslag liggen aan de controle van oogbewegingen: (1) het subcorticale pad van het oog naar de superior colliculus, (2) de corticale projectie, die het pad van de superior colliculus inhibeert, (3) het pad door het middelste temporele gebied en (4) het pad met de ‘frontal eye fields’ en gerelateerde structuren. Elk pad zal nader toegelicht worden.

Deze voorspelling kan door middel van een gedragsexperiment worden getest. Minstens twee kenmerken van visueel geleid gedrag bij pasgeboren baby’s zijn consistent met de voorspelling van er bij een pasgeboren baby vooral sprake is van subcorticale controle (pad 1):

• Het vermogen van baby’s om in de eerste levensmaanden een bewegende stimulus te volgen, heeft twee kenmerken. Allereerst volgen de oogbewegingen de stimulus op een schokkerige (saccadische) manier. Daarnaast zijn de oogbewegingen trager dan de beweging van de stimulus. Als een pasgeboren baby een bewegende stimulus met de ogen volgt, kan dit worden beschreven als een reeks saccadische oogbewegingen. Dit gedrag is consistent met de subcorticale controle van visuele oriëntatie.

• Pasgeboren baby’s richten zich meer op stimuli op de buitenkant van het gezichtsveld (temporal, naast de slaap), dan op stimuli op het nasale gezichtsveld (binnenkant van het gezichtsveld, naast de neus). Uit onderzoek blijkt dat structuren in de middenhersenen, zoals de subcorticale colliculus, vooral worden gedreven door input uit de buitenkant van het gezichtsveld.

Als baby’s ongeveer één maand oud zijn, vertonen ze gedwongen aandacht (‘obligatory attention’, ‘sticky fixation’): ze hebben moeite om een oogbeweging te maken van de ene naar de andere stimulus. Volgens Johnson wordt dit fenomeen verklaard door de ontwikkeling van tonische inhibitie van de colliculus via de substantia nigra (pad 2). Door deze ongereguleerde tonische inhibitie van de colliculus leiden visuele stimuli niet meer zo snel tot een automatische oogbeweging.

Als baby’s ongeveer twee maanden oud zijn, beginnen ze visuele stimuli soepel te volgen. Wel zijn de oogbewegingen trager dan de beweging van de stimulus. Op deze leeftijd worden baby’s daarnaast meer gevoelig voor stimuli op het nasale gezichtsveld en voor coherente beweging. Johnson stelt dat deze ontwikkelingen gepaard gaan met het functioneren van het derde pad, waarbij het middelste temporale gebied betrokken is. Het functioneren van dit pad faciliteert mogelijk het vermogen om activiteit in de superior colliculus te reguleren.

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

Zie tabel 5.1 op bladzijde 92 voor een samenvatting van het verband tussen de ontwikkelende oculomotorische paden en gedrag.

Zie tabel 5.2 op bladzijde 93 voor marker taken voor het bestuderen van het functioneren van de structuren, die betrokken zijn bij de controle van oogbewegingen en verschuivingen in visuele aandacht.

‘Frontal eye fields’

Voor het beoordelen van het functioneren van de ‘frontal eye fields’ kan gebruik worden gemaakt van een ‘anti-saccade’ taak. Hierbij wordt participanten gevraagd niet te kijken naar een cue die kort getoond wordt, maar eerder een oogbeweging in tegenovergestelde richting te maken. Uit onderzoek blijkt dat patiënten met letsel rond de ‘frontal eye fields’ meer moeite met deze taak hebben dan patiënten met letsel aan de temporale kwab.

Johnson heeft voor jonge kinderen een aangepaste versie ontwikkeld, waarbij ze gemotiveerd om niet naar de cue te kijken, door de andere stimulus (target) bijvoorbeeld door middel van een kleur aantrekkelijker te maken. Na een aantal trials kan een kind leren om de neiging te inhiberen om naar de cue te kijken, om zo snel mogelijk naar de meer aantrekkelijke stimulus (target) te kijken. Uit onderzoek blijkt dat 4 maanden oude baby’s een afname vertonen in de mate waarin ze na een aantal trials naar de cue kijken.

Dorsolaterale prefrontale cortex

Uit onderzoek blijkt dat de controle van de prefrontale cortex over aandachtsverschuivingen en oogbewegingen rond 6 maanden toeneemt. Zo is er onder apen onderzoek gedaan met behulp van de ‘oculomotor delayed response’ taak. Hierbij plant de aap een bepaalde oogbeweging, maar moet hij wachten met het uitvoeren van deze beweging. Uit dit onderzoek blijkt dat sommige cellen in de dorsolaterale prefrontale cortex tijdens deze vertraging coderen voor de richting van de oogbeweging. Een PET onderzoek onder mensen heeft bevestigd dat de dorsolaterale prefrontale cortex betrokken is bij deze taak. Ook voor de ‘oculomotor delayed response’ taak is een versie ontwikkeld voor jonge kinderen. Zie figuur 5.5 op bladzijde 95. Uit onderzoek blijkt dat baby’s van 6 maanden vertraagde oogbewegingen uit kunnen voeren, met vertragingen tot 5 seconden. Dit suggereert dat de prefrontale cortex een rol speelt bij de controle van oogbewegingen.

Rijpingsperspectief

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

‘Skill learning perspective’

Meer recent onderzoek suggereert dat het oorspronkelijke model enigszins aangepast moet worden en dat een vaardigheidsperspectief mogelijk beter past. De hypothesen uit Johnson’s model kunnen worden getest door middel van metingen van ‘event-related potentials’. Hierdoor kan onderzoek worden gedaan naar de gebeurtenissen in het brein, die voorafgaan aan een oogbeweging. Bij volwassenen kan dit inzicht geven in de ‘pre-saccadische’ componenten in de pariëtale cortex. De duidelijkste component is de ‘spike potential’: een scherpe positieve afbuiging, 8 tot 20 milliseconden vóór de saccade. Volgens sommigen is de ‘spike potential’ een belangrijk stadium van corticale verwerking, die nodig is voor het genereren van een saccade.

Gezien de voorspelling dat bij 6 maanden oude baby’s dezelfde paden actief zijn voor het plannen van saccades als bij volwassenen, wordt verwacht dat er ook bij deze baby’s sprake is van zulke ‘pre-saccades’. Uit onderzoek blijkt echter dat dit niet het geval is. Dit suggereert dat de saccades van 6 maanden oude baby’s grotendeels gecontroleerd worden door subcorticale routes. Follow-up onderzoek heeft aangetoond dat er bij 12 maanden oude baby’s wel sprake is van een ‘spike potential’, maar dat deze kleiner is dan bij volwassenen.

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

Perspectief van interactieve specialisatie

Vanuit het perspectief van interactieve specialisatie zijn de structuren die betrokken zijn bij visuele oriëntatie aanvankelijk minder verschillend van andere structuren. Daarnaast stelt dit perspectief dat de ontwikkeling van een nieuw vermogen niet gerelateerd is aan het functioneren van een ‘nieuw’ gebied, maar aan veranderingen in één of meer structuren.

Eén van de hersengebieden die betrokken is bij oculomotorische controle en waarvoor het perspectief van interactieve specialisatie nuttig is. Dit gebied ondergaat tussen 3 en 6 maanden na de geboorte ontwikkelingsveranderingen en is betrokken bij aspecten van de planning van saccades.

Uit onderzoek dat gebruik heeft gemaakt van een connectionistisch model van de pariëtale cortex, blijkt dat de representaties voor het genereren van saccades zich door middel van training ontwikkelt. Een belangrijke vraag luidt als volgt: Kunnen kinderen het vermogen om gebruik te maken van niet-retinale (‘extra-retinal’) informatie voor het plannen van saccades, alleen na de geboorte ontwikkelen? Als dit het geval is, is dit consistent met de aanname dat representaties die oogbewegingen controleren, postnataal moeten worden ontwikkeld en het resultaat zijn van mogelijkheden en beperkingen die worden bepaald door netwerkstructuur en de interactie hiervan met de omgeving.

Er zijn experimenten uitgevoerd om te bestuderen of baby’s het vermogen om gebruik te maken van niet-retinale informatie voor het plannen van oogbewegingen tijdens de eerste levensmaanden ontwikkelen. In één van deze experimenten werden baby’s van 4 en 6 maanden blootgesteld aan twee visuele stimuli, die gelijktijdig op een beeld werden getoond. Onderzocht is welke oogbewegingen baby’s in reactie op deze stimuli maken. Zie ook figuur 5.7 op bladzijde 98. Baby’s maken in reactie op de twee stimuli drie soorten oogbewegingen:

• ‘Vector sum’ reactie: er wordt één oogbeweging gemaakt, die gericht is tussen de twee stimuli.

• ‘Retinocentric’ reactie: er worden twee oogbewegingen gemaakt, waarvan de eerste naar één van de stimuli. De tweede oogbeweging is daarentegen gericht op de locatie op het netvlies waar de andere stimulus oorspronkelijk was verschenen. Voor een correcte tweede oogbeweging moeten baby’s rekening houden met het feit dat de positie van de ogen is veranderd, en moeten ze vervolgens een oogbeweging ‘berekenen’ naar de juiste locatie van de stimulus.

• ‘Egocentric’ reactie: er worden twee oogbewegingen gemaakt, waarvan de eerste gericht is op de ene stimulus en de tweede op de andere stimulus. Hierbij wordt gebruik gemaakt van niet-retinale informatie om de tweede oogbeweging te plannen.

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

5.3 Visuele aandacht

Tot nu toe lag de focus op openlijke (‘overt’) aandachtsverschuivingen door middel van oog- en hoofdbewegingen. Volwassenen zijn echter ook in staat tot verholen (‘covert’) aandachtsverschuivingen, waarbij de ogen niet worden bewogen. Hierdoor worden bepaalde locaties of objecten in het gezichtsveld beter verwerkt dan andere.

Een kort getoonde cue trekt verholen aandacht naar de locatie van de cue. Dit faciliteert de detectie van stimuli die kort daarna op diezelfde plek worden getoond. Oogbewegingen naar deze locatie worden echter geïnhibeerd als er een langere periode is tussen de cue en het verschijnen van de stimulus. Dit fenomeen wordt ook wel ‘inhibition of return’ genoemd. Mogelijk is dit een evolutionair mechanisme, dat voorkomt dat aandacht opnieuw wordt gericht op een recentelijk verwerkte locatie.

Het posterieure aandachtsnetwerk is een hersensysteem, dat de posterieure pariëtale kwab, de pulvinar colliculus en de superior colliculus omvat. Gesuggereerd wordt dat letsel aan dit hersensysteem het vermogen beperkt om verholen aandacht te richten op een locatie waar een cue verschijnt. Uit onderzoek blijkt dat de pariëtale kwab zich tussen 3 en 6 maanden na de geboorte ontwikkelt. Daarom ontstaat de vraag of baby’s in deze periode in staat worden tot verholen aandachtsverschuivingen.

Om dit te onderzoeken, wordt bestudeerd welke invloed een kort getoonde cue (heeft normaal gesproken geen oogbeweging tot gevolg) heeft op oogbewegingen naar opvallende stimuli. Openlijke aandachtsverschuivingen worden dus gebruikt om verholen aandachtsverschuivingen te bestuderen. Uit onderzoek blijkt dat baby’s van 6 maanden sneller een oogbeweging maken naar een stimulus, als deze onmiddellijk na een korte cue verschijnt, dan als de stimulus verschijnt op een locatie waar geen cue is getoond. Dit geldt echter niet voor baby’s van 3 maanden. Onderzoek suggereert dat baby’s vanaf 4 maanden na de geboorte in staat zijn tot verholen aandachtsverschuivingen.

Een andere manifestatie van verholen aandacht is volgehouden aandacht (‘sustained attention’). Dit is het vermogen om de aandacht op een stimulus te blijven richten, zelfs in aanwezigheid van afleidende stimuli. Richards heeft dit vermogen bij baby’s met behulp van een hartslagmeting onderzocht, waarbij een lage hartslag op volgehouden aandacht duidt. Hieruit blijkt dat baby’s hun aandacht 5 tot 15 seconden vast kunnen houden na het verschijnen van een complexe stimulus.

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

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

• Het vermogen om een aandachtsveld te vergroten of verkleinen

• Het vermogen tot volgehouden aandacht, in de aanwezigheid van afleidende informatie

• Het vermogen tot snellere aandachtsverschuivingen

Onderzoek naar de neurale basis van de ontwikkeling van verholen aandacht in de kindertijd is op drie invalshoeken gebaseerd: (1) onderzoek dat gebruik gemaakt van ‘event-related potentials’ (ERP), (2) onderzoek naar de effecten van vroeg hersenletsel en (3) onderzoek naar ontwikkelingsstoornissen met een genetische oorsprong.

Richards heeft ERP onderzoek gedaan om de neurale basis van verholen aandacht te ontdekken. ‘Event-related potentials’ zijn de elektrofysiologische reacties van het brein op gebeurtenissen in de omgeving, zoals het verschijnen van een stimulus. Onderzoek onder baby’s heeft aangetoond dat er weinig ERP bewijs is voor verholen aandachtsverschuivingen bij baby’s van 3 maanden oud. Het patroon van ERP data van 5 maanden oude baby’s lijkt echter op het ERP patroon van volwassenen. Dit duidt erop dat baby’s op deze leeftijd in staat zijn tot verholen aandachtsverschuivingen.

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

Een derde manier om onderzoek te doen naar de neurale basis van verholen aandacht is het bestuderen van kinderen met ontwikkelingsstoornissen, die een genetische oorsprong hebben. Verschillende ontwikkelingsstoornissen worden geassocieerd met aandachtsproblemen. Zo hebben kinderen met ADHD enige moeite met bepaalde tests van volgehouden en selectieve aandacht. Dit lijkt een reflectie te zijn van problemen bij het werken van stimuli waarop de aandacht gericht is, en/of problemen bij het behouden van aandacht bij cognitieve taken.

Ook autisme wordt gekoppeld aan aandachtsproblemen. Autistische kinderen en volwassenen worden vaak gekenmerkt door een atypische aandacht. Uit onderzoek blijkt dat veel mensen met autisme twee soorten letsel hebben, die met verschillende aandachtsproblemen worden geassocieerd:

• Letsel aan het cerebellum: mogelijk gerelateerd aan een verminderd vermogen om aandacht te verschuiven en een vertraging in verholen aandachtsverschuivingen.

• Bilateraal pariëtaal letsel: mogelijk gerelateerd aan een kleiner aandachtsveld. Hierbij worden stimuli binnen dit aandachtsveld sneller gedetecteerd dan normaal, terwijl veel trager wordt gereageerd op stimuli die net buiten die gezichtsveld worden getoond.

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

6. Objecten en aantallen

Fysieke objecten in onze zintuiglijke wereld kunnen niet alleen worden herkend en gecategoriseerd, maar ook worden gemanipuleerd. Dit zijn complexe processen. Zo moeten objecten vanuit meerdere perspectieven worden herkend en moeten objecten worden herkend, terwijl ze deels verborgen zijn (‘partial occlusion’) of een complexe achtergrond hebben (‘object parsing’). De vingers en handen moeten worden aangepast op de grootte en het gewicht van het object en de polsen moeten zo gericht zijn dat het object vastgepakt kan worden.

6.1 De dorsale en ventrale route

Er is bewijs dat de verwerking van visuele informatie over objecten plaatsvindt in twee relatief aparte hersensystemen (zie ook figuur 6.1 op bladzijde 107):

• Dorsale route: een pad van de primaire visuele cortex naar de pariëtale cortex

• Ventrale route: een pad van de primaire visuele cortex naar de temporale kwab

De dorsale route wordt ook wel het ‘waar-pad’ of het ‘actiepad’ genoemd. Er is bewijs voor meerdere ruimtelijke systemen in de dorsale route. Sommige cellen in de pariëtale cortex anticiperen op de gevolgen van oogbewegingen, zodat objecten nauwkeurig gelokaliseerd kunnen worden. Een object beweegt vaak en om dit object te lokaliseren, moet de beweging worden gevolgd en moet op de beweging worden geanticipeerd. Sommige cellen in de pariëtale cortex lijken betrokken te zijn bij het volgen van bewegende objecten. Andere cellen volgen veranderingen in grootte, als de afstand tussen een object en de kijker verandert. Tot slot zijn er cellen die de grootte, vorm en oriëntatie van een object coderen, wat nodig is voor het reiken naar en vastpakken van een object.

Er is ook bewijs dat deze verschillende ruimtelijke systemen zich in verschillende gebieden binnen de dorsale route bevinden. Sommigen stellen dat de pariëtale cortex sensomotorische cellen bevat, die betrokken zijn bij het transformeren van sensorische informatie (van het netvlies) in motorische coördinatie, en bij het veranderen van perceptuele input naar motorische handelingen.

De ventrale route wordt ook wel het ‘wat-pad’ of het ‘perceptiepad’ genoemd en is vooral betrokken bij het herkennen van objecten en individuen. Neuronen in dit pad reageren op de interne eigenschappen van het object, zoals het oppervlak van het object. Sommige cellen lijken maximaal te reageren op een geprefereerde objectoriëntatie (onafhankelijk van de positie van het object), waarbij een ‘view-centered’ representatie wordt ontwikkeld. Andere cellen reageren op elke objectoriëntatie hetzelfde en ontwikkelen een ‘transformation-invariant’ representatie.

De vraag is waarop deze twee verschillende verwerkingsroutes bestaan. ‘View-invariant’ herkenning verwijst naar het vermogen om een object te herkennen, onafhankelijk van de oriëntatie of locatie ervan. Hiervoor moet ruimtelijke variabiliteit worden geminimaliseerd. Voor de werking van het motorische systeem is ruimtelijke informatie echter noodzakelijk. Daarom bestaat hiervoor de dorsale route.

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

1. Rijpingsperspectief: onderzocht moet worden welk pad zich het eerst ontwikkelt, en of de ontwikkeling van dit pad een verklaring is voor de ontwikkeling van objectverwerking. Er is echter geen consistent bewijs voor de vraag of het dorsale of ventrale pad zich als eerst ontwikkelt.

2. Vaardigheidsperspectief: er moet onderzoek worden gedaan naar de verwerving van perceptuele herkenningvaardigheden in het ventrale pad, en naar de verwerving van sensomotorische integratievaardigheden in het dorsale pad. Ook kan worden onderzocht of er tijdens de ontwikkeling interacties ontstaan tussen de verwerking in de twee paden.

3. Perspectief van interactieve specialisatie: de twee paden zijn aanvankelijk moeilijk van elkaar te onderscheiden. Tijdens de ontwikkeling worden de twee paden meer gespecialiseerd, gaan ze minder interacteren en worden ze minder vaak tegelijkertijd geactiveerd.

6.2 Verborgen objecten

Piaget was de eerste die fouten ontdekte in de manier waarop jonge kinderen over verborgen objecten denken. Volgens hem resulteren deze ontwikkelingsveranderingen in de constructie van een ‘object concept’ (een objectrepresentatie). Er is onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van objectperceptie. Hieruit blijkt dat perceptuele systemen van mensen al snel één type onveranderlijkheid (‘invariance’) kan detecteren: de onveranderlijke vorm van een object (als een object bijvoorbeeld deels verborgen wordt). Ook is er enig bewijs voor het idee dat pasgeboren baby’s begrijpen dat de vorm van een object hetzelfde blijft, terwijl de grootte en positie van het object verandert.

Dit spreekt Piaget’s bewerking tegen, dat het vermogen om objecten waar te nemen, afhankelijk is op een proces dat verwant is aan wetenschappelijk redeneren. Sommige experimenten met kijktaken hebben aangetoond dat baby’s volledig verborgen objecten al kunnen representeren, voordat ze Piaget’s objectpermanentie taken (reiktaken) op kunnen lossen.

Cognitief neurowetenschappelijk onderzoek suggereert een aantal mogelijke oplossingen voor deze paradox:

• De mate van integratie tussen het dorsale en ventrale visuele pad

• De veranderende sterkte van objectrepresentaties in het brein

• Baby’s zijn nog niet in staat om handelingen te plannen, die nodig zijn voor het terugvinden van verborgen objecten

In dit hoofdstuk zal de focus liggen op de hypothese dat de discrepantie tussen kijk- en reiktaken het gevolg is van een gebrek aan integratie tussen het dorsale en ventrale visuele pad. Deze hypothese stelt dat er voor handelingen gericht op een object, interactie tussen de twee paden noodzakelijk is. Dit idee is door middel van een connectionistisch model onderzocht. Zie figuur 6.2 op bladzijde 111 voor een schematische weergave van dit ‘dual route’ verwerkingsmodel. Het model bevat drie routes:

• Objectherkenning (gelijk aan het ventrale pad): ontwikkelt een ruimtelijk onveranderlijke representatie van een object.

• Trajectvoorspelling (gelijk aan het dorsale pad): voorspelt de volgende positie van het object op het netvlies.

• Responsintegratie: coördineert en gebruikt informatie over de positie en identiteit van het object, integreert de interne representaties van de paden van objectherkenning en trajectvoorspelling.

Naar dit model is onderzoek gedaan. In dit onderzoek keken baby’s op een televisiescherm hoe twee verschillende objecten achter een doek verdwenen en vervolgens hoe dit doek werd weggehaald. Als dit doek werd weggehaald, waren de kenmerken van de twee objecten verwisseld (bijvoorbeeld de kleur), waren de ruimtelijke locaties van de twee objecten verwisseld, of waren zowel de kenmerken als ruimtelijke locaties verwisseld. Als baby’s alleen bij verwisselde kenmerken langer naar de objecten keken, werd dit gezien als indicatie voor verwerking via het ventrale pad (herkenning). Als de baby’s alleen bij verwisselde locaties langer naar de objecten keken, werd dit beschouwd als aanwijzing voor verwerking via het dorsale pad. Uit dit onderzoek blijkt dat baby’s alleen de kenmerken of de locatie kunnen coderen, maar niet beide. Dit suggereert dat baby’s alleen het dorsale of ventrale pad kunnen activeren, maar niet allebei tegelijkertijd. Dit biedt echter geen definitief bewijs voor het idee dat de integratie tussen de twee visuele paden tijdens de ontwikkeling toeneemt.

6.3 Neurale trillingen en objectverwerking

Ook door middel van onderzoek naar neurale trillingen (‘oscillations’) kan inzicht worden verkregen in objectverwerking en objectpermanentie in het brein van baby’s. Uit onderzoek blijkt dat er uitbarstingen zijn van hoge-frequentie trillingen, die gerelateerd zijn aan aspecten van visuele verwerking en cognitie. Zo is er sprake van een uitbarsting van gammagolven (een neurale trilling tussen 25 en 100 Hz), als volwassenen ruimtelijk verschillende kenmerken samen moeten nemen voor het samenstellen van één object (‘perceptual binding’).

Om te onderzoeken op welke leeftijd baby’s in staat zijn tot ‘perceptual binding’, is onderzocht wanneer baby’s in reactie op het zien van een Kanisza figuur (een optische illusie) een uitbarsting van gammagolven vertonen. Hieruit blijkt dat dit het geval is bij kinderen vanaf 8 maanden oud. Een volgende vraag is of deze hoge-frequentie trillingen behouden blijven, als een object in het hoofd gehouden wordt. Als dit het geval zou zijn, houdt het brein de representatie van een object door middel van neurale trillingen actief. Als baby’s zien dat een object achter een doek verborgen wordt, blijft de gammareactie actief als het object niet weer tevoorschijn komt. Deze reactie wordt sterker als de doek wordt weggehaald, en het verborgen object verdwenen is. Mogelijk worden actieve objectrepresentaties (tijdelijk) versterkt, als het brein conflicterende visuele input ontvangt.

6.4 Aantallen

Bij verschillende diersoorten bestaan er twee systemen voor het representeren van aantallen. Het eerste systeem betreft het vermogen om de numerositeit (aantal) van een grote set objecten in te schatten en om te reageren op veranderingen in numerositeit. Voor ‘analog-magnitude’ representaties gelden drie dingen:

• De onderscheidbaarheid van getallen is afhankelijk van de grootte van de getallen. Dit is in overeenstemming met de wet van Weber, dat bijvoorbeeld 1 en 2 beter van elkaar onderscheiden kunnen worden dan 7 en 8.

• Representaties worden alleen gevormd, als alle leden van een set tegelijkertijd waarneembaar zijn of onmiddellijk na elkaar waarneembaar zijn.

• Representaties kunnen omgezet worden in verschillende modaliteiten (auditief en visueel) en verschillende formats (ruimtelijk en tijdelijk).

Het tweede systeem representeert de precieze numerositeit van hele kleine sets objecten. Volgens sommigen is dit ‘object-file’ systeem ontstaan om meer dan vier bewegende objecten tegelijkertijd te kunnen volgen. Voor deze representaties gelden drie dingen:

• Representaties zijn beperkt tot setgroottes van 3 of 4.

• Representaties worden gevormd, zelfs als verschillende leden in een set achter elkaar verschijnen en dan verborgen worden.

• Representaties zijn even abstract als representaties van grote aantallen, omdat ze beperkt worden door gelijktijdige variatie in continue kwantitatieve variabelen.

Bovengenoemde systemen zijn niet domeinspecifiek en kunnen ook worden betrokken bij niet-numerieke taken. Uit onderzoek blijkt dat beide systemen ook bij mensen bestaan en vroeg in de ontwikkeling ontstaan. Ten aanzien van de representatie van grote en kleine aantallen bestaan er een aantal overeenkomsten tussen dieren en menselijke baby’s:

• Baby’s kunnen vanaf 6 maanden na de geboorte onderscheid maken tussen grote aantallen.

• Baby’s kunnen alleen onderscheid maken tussen grote aantallen, als er sprake is van een groot ratioverschil: ze kunnen bijvoorbeeld onderscheid maken tussen 8 en 16 stippen, maar niet tussen 8 en 12 stippen.

• Baby’s kunnen een exact onderscheid maken tussen kleine aantallen objecten, zelfs als verschillende leden in een set achter elkaar verschijnen en dan verborgen worden.

• Baby’s kunnen geen onderscheid tussen grote aantallen maken, als leden van een set achter elkaar worden getoond en vervolgens verborgen.

• Baby’s kunnen geen exact onderscheid maken tussen sets van meer dan 3 tot 4 objecten.

• Baby’s vormen representaties die bestand zijn tegen variaties in continue kwantiteiten voor grote, maar niet voor kleine aantallen.

Deze bevindingen suggereren dat zowel baby’s als dieren verschillende systemen hebben voor het inschatten van de numerositeit van grote aantallen en het maken van een exact onderscheid tussen kleine aantallen. Hierbij moet echter worden opgemerkt dat sommige bevindingen uit onderzoek onder mensen toegeschreven kunnen worden aan alternatieve (niet-numerieke) verklaringen. Daarnaast is de prestatie op taken met kleine aantallen mogelijk afhankelijk van een systeem dat niet domeinspecifiek is.

Er is bewijs dat zowel het ‘analog-magnitude’ als het ‘object-file’ systeem geassocieerd wordt met bilaterale activiteit in de inferieure pariëtale kwabben. Dit is consistent met de gevoeligheid van het dorsale pad voor de ruimtelijke aspecten van objectverwerking.

Recentelijk is de verwerking van aantallen bij kinderen door middel van ‘neuroimaging’ technieken onderzocht. Hieruit blijkt dat de patronen van hersenactiviteit van 4-jarige overeenkomen met die van volwassenen. Dit suggereert dat het deel van de hersenen dat gevoelig is voor numerieke representaties (intra-pariëtale sulcus) al vroeg in de kindertijd bestaat, en een neurale basis biedt voor de verwerving van symbolische aantallenrepresentaties in het onderwijs.

Als kinderen op de basisschool leren rekenen, moeten ze echt werken met een ander systeem van aantalrepresentatie: het ‘integer-list’ systeem. Dit is een systeem dat geen limiet heeft, niet beperkt wordt door de wet van Weber, niet beperkt wordt door perceptie en die gerelateerd kan worden aan taal (inclusief telwoorden). Er is nog geen bewijs dat dieren dit systeem kunnen verwerven. De vraag is hoe kinderen dit systeem construeren.

Volgens Spelke en Carey construeren kinderen een nieuw concept van aantallen en verwerven ze rekenvaardigheden door twee aanvankelijke systemen van aantallenrepresentaties samen te brengen. Ze stellen dat taal (telwoorden en de routine van verbaal tellen) hierbij een belangrijke rol speelt. Hiervoor bieden meerdere onderzoeken bewijs. Kinderen doorlopen de volgende stappen bij het leren van telwoorden en bij het leren tellen:

1. Het telwoord ‘één’ wordt ingedeeld bij het ‘object-file’ systeem en alle andere telwoorden bij het ‘analog-magnitude’ systeem. Kinderen kunnen bijvoorbeeld correct aanwijzen wat de set is met één object en wat de set is met vier objecten. Ze gokken echter als ze de set met twee objecten en de set met vier of acht objecten aan moeten wijzen.

2. Kinderen coördineren het ‘object-file’ en ‘analog-magnitude’ systeem om de betekenis van ‘twee’ en ‘drie’ te leren. De rest van de telwoorden blijft de betekenis houden van ‘iets’.

3. Kinderen leren dat elk telwoord verwijst naar een set met één object meer dan de set die bij het telwoord ervoor hoort.

Ook onderzoek onder volwassenen biedt bewijs voor het idee dat het concept van aantallen het resultaat is van de coördinatie van het ‘object-file’ en het ‘analog-magnitude’ systeem.

Er bestaan verschillende soorten problemen met aantallen. Kinderen met dyscalculie hebben een normale intelligentie, maar hebben problemen met rekenen. Sommigen stellen echter dat dyscalculie niet specifiek is, omdat het vaak gepaard gaat met dyslexie en ADHD. Ook bij genetische stoornissen, zoals het Williams syndroom, is er vaak sprake van rekenproblemen. Anderen suggereren dat dyscalculie wel degelijk een specifieke stoornis is, die zelfs opgewekt kan worden door middel van elektrische stimulatie van relevante delen van de pariëtale kwab.