Samenvatting van Hersenen en gedrag: Deeltoets 1 - Exclusive

Welke cellen bevinden zich in het zenuwstelsel?

Neuronen en gliacellen

Het zenuwstelsel van een volwassen mens bevat zeer veel cellen, ongeveer 100 miljard, die onder te verdelen zijn in neuronen en neurogliacellen. Neuronen ontvangen informatie en geven die door aan andere neuronen via elektrochemische prikkels. Neuronen zijn gemiddeld tienmaal zo groot als gliacellen, maar de laatste komen tienmaal zo veel voor in het menselijk brein. Gliacellen hebben veel verschillende functies die lastig samen te vatten zijn.

Santiago Ramón y Cajal, een pionier van de neurologie

Onderzoek naar het zenuwstelsel wordt de neurologie genoemd. De grondleggers hiervan zijn Sherrington en Cajal. We weten tegenwoordig dat het brein bestaat uit individuele cellen. Door onderzoek van Cajal en Golgi weten we hoe de structuur van cellen eruitziet en dat neuronen van elkaar gescheiden zijn. Cajal maakte gebruik van pas ontdekte kleurtechnieken om te laten zien dat een smalle spleet een scheiding vormde tussen het einde van het ene neuron en de oppervlakte van het andere.

De structuren van een dierlijke cel

Het menselijke (en ook het dierlijke) lichaam is opgebouwd uit cellen. Deze cellen zijn omgeven door een membraan of plasmamembraan dat sommige stoffen wel, en andere niet doorlaat. Voorbeelden van stoffen die wel worden doorgelaten zijn water, zuurstof, calcium, natrium, kalium en chloride. Het membraan is opgebouwd uit twee lagen vetmoleculen die vrij zijn om langs elkaar te stromen. Binnen het membraan bevindt zich het cytoplasma. Alle cellen, de rode bloedcellen van zoogdieren uitgezonderd, hebben een kern (nucleus). Dit is de structuur waarin de chromosomen zich bevinden. Binnen de mitochondria genereren de cellen via stofwisseling de noodzakelijke energie waarbij ze afhankelijk zijn van zuurstof en brandstof. In de ribosomen worden proteïnen samengesteld die onder meer dienen als bouwmateriaal voor de cel en die verschillende chemische reacties genereren. Het endoplasmisch reticulum is een buisjesnetwerk dat zorgt voor de verplaatsing van proteïnen.

De structuur van een neuron

Het neuron beschikt ook over deze bouwstenen, die typisch zijn voor dierlijke cellen. De neuronen onderscheiden zich van andere cellen wat betreft de vorm. Neuronen onderling verschillen enorm, in zowel vorm als grootte. De drie belangrijkste onderdelen van de meeste neuronen zijn:

• Het soma of cellichaam. Is in veel neuronen bedekt met synapsen. In de soma bevinden zich de kern, de ribosomen en de mitochondria.
• Het axon. Geeft impulsen door aan andere cellen. Een axon begint uit een soort heuveltje en heeft een constante diameter in tegenstelling tot de dendrieten, die dunner worden wanneer ze verder van de cel verwijderd zijn. Axonen kunnen zowel afferent als efferent zijn. De afferente axonen brengen informatie een structuur binnen. Een efferent axon brengt informatie naar buiten. Daarnaast zijn er lokale neuronen, kleine neuronen zonder axon, of neuronen met maar een heel klein axon.
• De dendrieten. Dienen voor de ontvangst van informatie. De oppervlakte van een dendriet is bekleed met gespecialiseerd synaptische receptoren, waarmee informatie wordt verkregen van andere neuronen. Dendrieten met een grotere oppervlakte kunnen meer informatie ontvangen. Sommige dendrieten hebben uitstulpingen, dendritic spines, die ervoor zorgen dat de ontvangstoppervlakte groter wordt.

Veel axonen (die van ongewervelden uitgezonderd) zijn omgeven door een isolerend omhulsel dat de myelineschede wordt genoemd, met onderbrekingen die bekend staan als de knopen van Ranvier. Aan het einde van een axon bevindt zich het presynaptische uiteinde, waar de chemische impulsen door de synaps gaan en de volgende cel beïnvloeden. Een neuron kan een onbepaald aantal dendrieten hebben, maar heeft altijd slechts één axon welke vertakkingen ver van het cellichaam kan hebben. Sommige axonen kunnen een meter of langer zijn, bijvoorbeeld een axon van je ruggenmerg maar je voeten. Wanneer dendrieten en axonen binnen een cel volledig zijn opgenomen in een enkele structuur, dan is de cel een interneuron van die structuur.

Verschillen tussen neuronen

Neuronen kunnen verschillen in grootte, vorm en functie. De vorm bepaalt de connecties met andere neuronen en daarom ook de bijdragen van een neuron aan het zenuwstelsel. De functie van een neuron is gerelateerd aan de vorm. Een Purkinje cel in het cerebellum heeft bijvoorbeeld veel dendrieten waardoor hij veel input kan ontvangen, soms wel 200.000 inputs tegelijk. Dit in tegenstelling tot cellen in de retina, die maar kleine dendrieten hebben.

Neurogliacellen

In tegenstelling tot neuronen geven gliacellen geen informatie door aan andere cellen, maar ze wisselen wel chemicaliën uit met naburige neuronen. Ze zijn onder te verdelen in diverse soorten met verschillende functies. De stervormige astrocyten wikkelen zich rond de presynaptische uiteinden van een groep axonen die gerelateerd zijn in functie. Astrocyten nemen chemicaliën op die vrijgelaten zijn door axonen en zorgen ervoor dat deze weer terugkomen in de axonen. Een astrocyt maakt het mogelijk dat axonen boodschappen kunnen verzenden in golven. Ze verwijderen restmateriaal dat ontstaat als neuronen doodgaan en bovendien controleren ze de bloedstroom naar verschillende hersengebieden. Mogelijk laten ze ook chemicaliën vrij die de activiteiten van nabije neuronen wijzigt, maar dit is niet helemaal zeker. Microglia functioneren als een deel van het immuunsysteem, zij verwijderen overbodig materiaal. Oligodendrocyten in de hersenen en het ruggenmerg, en Schwanncellen in het perifere zenuwstelsel, spelen een rol bij de opbouw van de myelineschede van sommige axonen. Radiale gliacellen sturen de migratie van neuronen en dendrieten tijdens de embryonale ontwikkeling. Na deze ontwikkeling differentiëren de meeste radiale gliacellen in neuronen en in mindere mate in astrocyten en oligodendrocyten.

De bloed-hersenbarrière

De bloed-hersenbarrière is het mechanisme dat de hersenen beschermt tegen (mogelijke) schadelijke stoffen.

Waarom we een bloed-hersenbarrière nodig hebben

Als er een virus binnenkomt in het lichaam, wordt dit door het immuunsysteem gedetecteerd. Het virus wordt dan uitgeschakeld, net als de cel waar het zich in bevindt. Sommige beschadigde cellen worden echter niet vervangen, en het zou erg zijn als dit over hersencellen zou gaan. Daarom zijn de bloedvaten in de hersenen gevuld met cellen die heel dicht op elkaar zitten, zodat de meeste virussen worden tegengehouden.

Hoe de bloed-hersenbarrière werkt

Deze barrière is afhankelijk van de endotheelcellen die de wanden van de capillairen vormen. Buiten de hersenen zijn zulke cellen gescheiden door spleten, maar in de hersenen zijn ze zo nauw verbonden dat vrijwel niets hen kan passeren. Het laat veel chemische stoffen (in het bijzonder proteïnen) niet of slechts zeer langzaam toe tot de hersenen. Bovendien laat het per hersengebied andere stoffen door. De barrière bestaat om de kans op hersenschade zo klein mogelijk te maken. Er zijn twee soorten moleculen die door de bloed-hersenbarrière heen kunnen komen. Ten eerste moleculen die kunnen oplossen in de vetten van de membranen, zoals vitamine A en D en drugs die invloed hebben op het brein (antidepressiva, illegale drugs). Ten tweede kleine, onschuldige, ongeladen moleculen zoals zuurstof. Water passeert de barrière via speciale eiwitkanalen. Andere essentiële stoffen (zoals glucose) dienen via actief transport de hersenen binnen te komen. Actief transport is een proces dat energie verbruikt om chemicaliën vanuit het bloed naar de hersenen te pompen. De bloed-hersenbarrière is essentieel voor een goede gezondheid. De barrière vormt echter ook een probleem omdat het vele soorten medicatie tegenhoudt.

Voeding van neuronen

De voeding van neuronen bestaat grotendeels uit glucose (suiker) waarbij ook een grote hoeveelheid zuurstof noodzakelijk is. Voor de energie van de gliacellen is met name glycogeen van belang. Glucose is zo belangrijk, omdat dit bijna de enige voedingsstof is die de bloed-hersenen-barrière kan passeren. De lever kan glucose maken van een combinatie van koolhydraten, eiwitten en vet. Het gebruik van glucose is een groter probleem. Mensen met het Korsakoff syndroom hebben een tekort aan vitamine B1 (thiamine), die noodzakelijk is voor het gebruik van glucose, met geheugenstoornissen tot gevolg.

Hoe verloopt een zenuwimpuls?

De eigenschappen van impulsen in een axon zijn heel erg goed aangepast aan de behoefte die mensen hebben aan bepaalde informatieverwerking. Dit komt door verschillende mechanismen die hier een rol in spelen.

De rustpotentiaal van de neuron

Het membraan van een neuron onderhoudt een elektrische gradiënt; een verschil in elektrische lading binnen en buiten het membraan. Bij afwezigheid van verstoring van buitenaf is er sprake van een elektrische polarisatie. Polarisatie betekent dat er een verschil bestaat in elektrische lading tussen twee locaties. Het neuron heeft in rust een licht negatieve lading, de rustpotentiaal (polarisatie). Deze rustpotentiaal is -70 mV. Dit wordt veroorzaakt door een ongelijke verdeling van ionen binnen en buiten het membraan. Het verschil in voltage in een rustend neuron wordt de rustpotentiaal genoemd. De rustpotentiaal kan worden gemeten met behulp van een micro-elektrode.

Natrium en kalium

Het membraan is selectief permeabel. Dit wil zeggen dat sommige moleculen, zoals onder andere zuurstof- en koolstofdioxidemoleculen, de wand zonder problemen kunnen passeren en andere stoffen zelden of nooit. In de wand bevinden zich gespecialiseerde poorten voor natrium, kalium en chloor. In de rustpotentiaal kunnen kalium- en chloorionen in een bescheiden tempo door de poorten. De natriumpoort is gesloten in de rustpotentiaal. Met behulp van de natrium-kaliumpomp, een eiwitcomplex, worden drie natriumionen naar buiten en twee kaliumionen naar binnen gewerkt. Natriumionen zijn hierdoor meer dan tien keer meer geconcentreerd buiten het membraan dan binnen het membraan en kaliumionen zijn meer geconcentreerd binnen het membraan dan buiten het membraan. Dit leidt tot een spanningsverschil. De natrium-kaliumpomp is een vorm van actief transport (omdat er energie voor nodig is). Er zijn verschillende vormen van vergif die de natrium-kaliumpoort tegen kunnen werken. De pomp is alleen effectief vanwege de selectieve permeabiliteit van het membraan, anders zouden de uitgepompte natriumionen weer naar binnen stromen. Sommige kaliumionen die het neuron in worden gepompt stromen naar buiten, waardoor de elektrische gradiënt toeneemt. Wanneer het neuron rust, proberen twee krachten natrium de cel in te krijgen: de elektrische gradiënt en de concentratiegradiënt. Natrium is positief geladen en de binnenkant van de cel is negatief geladen. De elektrische gradiënt wil natrium dus in de cel trekken; positieve en negatieve lading trekken elkaar aan. Met betrekking tot de concentratiegradiënt; natrium is meer geconcentreerd buiten de cel dan binnen de cel, waardoor natrium eerder de cel binnen zal gaan dan de cel verlaten. Door deze twee gradiënten zal natrium snel bewegen als het kan. Wanneer de membraan echter in rust is, zijn de natriumkanalen gesloten en afgezien van het natrium dat naar buiten wordt geduwd door de natrium-kalium pomp, zal er geen natrium stromen. Voor kalium geldt ook dat het positief geladen is en de binnenkant van de cel is negatief geladen. De elektrische gradiënt wil kalium dus ook naar binnen trekken. Maar kalium is meer geconcentreerd binnen in de cel dan buiten de cel, waardoor de concentratiegradiënt kalium naar buiten wil duwen. Als de kaliumkanalen helemaal open zouden staan, zou kalium maar een klein beetje naar buiten stromen. De twee gradiënten voor kalium zijn bijna helemaal in balans. Ze kunnen niet geheel in balans komen door de natrium-kalium pomp.

Waarom een rustpotentiaal?

De rustpotentiaal dient er waarschijnlijk voor om het neuron snel en krachtig te kunnen laten reageren op een stimulus.

Het actiepotentiaal

Actiepotentialen zijn boodschappen die door axonen worden verzonden. Een actiepotentiaal ontstaat na een zogeheten depolarisatie van het neuron. Bij depolarisatie wordt de polarisatie van een neuron gereduceerd tot nul. In rust heeft het neuron een lading van ongeveer -70 mV. Wanneer er een afname van die negatieve lading ontstaat van ongeveer 15 mV wordt er een grens van excitatie (drempelwaarde) overschreden en vindt er een grote beweging van ionen door het membraan plaats: de actiepotentiaal, waarbij een waarde wordt bereikt van ongeveer +35 mV. Voltage-geactiveerde kanalen zijn membraankanalen waarvan de permeabiliteit voor natrium (of een ander ion) afhankelijk is van de voltageverschil in het membraan. Na de piek van de actiepotentiaal openen voltage-geactiveerde kanalen voor kalium zich. Hierdoor kunnen kaliumionen naar binnen die zorgen voor hyperpolarisatie, het verder toenemen van de negatieve lading. Aan het einde van dit proces is het membraan teruggekeerd naar de rustpotentiaal, maar er zijn nog altijd meer natriumionen en minder kaliumionen geconcentreerd dan voorheen. Uiteindelijk zorgt de natrium-kaliumpomp voor de originele distributie van ionen. Wanneer er een ongewoon snelle serie van actiepotentialen heeft plaatsgevonden, kan dit een tijd duren. De pomp kan de actie niet bijhouden en natrium vermenigvuldigt zich binnen het axon, wat giftig voor een cel kan zijn. Dit is enkel het geval bij extreme toestanden zoals na een beroerte of na het gebruik van bepaalde drugs. Depolarisatie maakt de kans op een signaal groter, hyperpolarisatie kleiner. Op dit principe is de werking van verdovende medicijnen gebaseerd. Middelen voor lokale

De alles-of-niets-wet

Actiepotentialen doen zich alleen voor in cellichamen en axonen. Het vuren van neuronen vindt plaats volgens een alles-of-nietsprincipe: wanneer de grens eenmaal overschreden is ontstaat er een actiepotentiaal met altijd dezelfde grootte en vorm. De informatie van het neuron uit zich in frequenties: het aantal malen dat een actiepotentiaal per tijdseenheid optreedt. Actiepotentialen verschillen per neuron. Axonen kunnen geen grotere of snellere actiepotentialen verzenden om een verschil aan te geven tussen een zwakke of een sterke stimulus: ze kunnen enkel de timing veranderen. Een hogere frequentie van actiepotentialen staat voor een grotere intensiteit van een stimulus.

De moleculaire basis van de actiepotentiaal

Drie belangrijke dingen om te onthouden over de actiepotentiaal, zijn:

• Op het begin zit natrium vaak buiten de neuron, en kalium binnenin de neuron.
• Als het membraan gedepolariseerd wordt, openen de kanalen in het membraan zich.
• Op de top van de actiepotentiaal gaan de natriumkanalen dicht.

De kanalen die de natrium en kalium reguleren, heten de spanningsafhankelijke kanalen. Deze kanalen zijn afhankelijk van de elektrische lading.  

Het verloop van de actiepotentiaal

De actiepotentiaal begint in het algemeen op de axonheuvel en verplaatst zich door het axon van de cel af. Op die plaats is het axon dan even positief geladen ten opzichte van het aangrenzende deel waardoor ook daar een actiepotentiaal gegenereerd wordt en zo gaat het steeds verder. Het actiepotentiaal gaat sprongsgewijs langs het axon. De actiepotentiaal zwakt dus niet af, want het signaal wordt steeds opnieuw doorgezonden. In principe wil de elektrische lading twee kanten op, maar omdat de kant waar de actiepotentiaal vandaan komt nog in zijn refractaire periode is, kan Het actiepotentiaal alleen de goede kant op gaan. In het kort worden deze stappen dus doorlopen:

• Dankzij elektrische stimulatie of synaptische input openen natriumkanalen zich en zorgen ze voor depolarisatie van het axonmembraan tot de drempelwaarde.
• Natriumionen gaan de poorten in en depolariseren de membraan verder.
• Positieve lading stroomt over het axon en opent spanningsafhankelijke natriumkanalen op het volgende punt.
• Op het hoogtepunt van de actiepotentiaal sluiten de natriumkanalen. Ze blijven dicht voor de komende milliseconde, ondanks de depolarisatie.
• Aangezien het membraan gedepolariseerd is gaan de voltage-geactiveerde kanalen voor kalium open.
• Kaliumionen stromen uit het axon en brengen de membraan naar de oorspronkelijke potentiaal.
• Nadat het originele niveau is bereikt, sluiten de spanningsafhankelijke kaliumkanalen.

De myelineschede en saltatorische geleiding

Op de snelheid van dit proces zijn twee factoren van invloed: de dikte van het axon en of wel of niet sprake is van myelinisatie. Hoe dikker het axon, des te minder de weerstand en des te groter de snelheid van de actiepotentiaal. Bij de meeste axonen is er sprake van een myelineschede met op regelmatige afstanden insnoeringen (de knopen van Ranvier). Slechts op die insnoeringen kunnen de elektrochemische processen van een actiepotentiaal optreden, met als gevolg dat de actiepotentiaal van de ene insnoering naar de andere springt: de saltatorische geleiding. Dit maakt de snelheid waarmee de actiepotentiaal zich beweegt veel groter. Hoe dichter deze insnoeringen bij elkaar zitten, hoe langzamer de actiepotentiaal gaat. De ziekte multiple sclerose (MS) vernietigt myelineschedes, waardoor actiepotentialen steeds langzamer worden doorgegeven en soms zelfs stoppen.

De refractaire periode

Na elke actiepotentiaal is er een korte fase waarin het axon niet prikkelbaar is: de refractaire periode. Deze is onder te verdelen in een absoluut refractoire periode (er kan geen actiepotentiaal ontstaan) en een relatief refractaire periode (er is een lagere prikkelbaarheid en er is een sterkere stimulus dan gewoonlijk nodig om een actiepotentiaal te genereren). De refractaire periode werkt volgens twee mechanismen: de natriumkanalen zijn gesloten en kalium stroomt sneller uit de cel dan normaal. Hierdoor is er een sterker signaal nodig om een actiepotentiaal te doen ontstaan.

Lokale neuronen

Het bovenstaande verhaal over informatieoverdracht met behulp van actiepotentialen geldt niet voor alle neuronen. Kleinere lokale neuronen produceren geen actiepotentialen maar uitsluitend graduele potentialen die variëren in grootte. Deze potentialen volgen niet het alles-of-niets principe. De graduele potentialen nemen in intensiteit af als ze een cel passeren. Graduele potentialen komen ook bij de niet-lokale (andere) neuronen voor, met name in de dendrieten en somata. Lokale neuronen zijn lastig om te bestuderen. Veel van onze kennis over neuronen komt van grotere neuronen en dit vooroordeel in de onderzoeksmethoden heeft tot een voortdurende misvatting geleid. Lokale, kleine cellen zouden onbelangrijk en onvolgroeid zijn. Misschien komt de verkeerde opvatting dat mensen maar 10% van hun hersencapaciteiten zouden gebruiken hier vandaan.

De neuroanatomie is de anatomie van het zenuwstelsel.

Wat is de structuur van het gewervelde zenuwstelsel?

Ieder deel van het zenuwstelsel heeft gespecialiseerde functies. De delen moeten echter samenwerken om (betekenisvol) gedrag tot stand te brengen.

Terminologie om het zenuwstelsel te beschrijven

Wanneer plaatsen in het zenuwstelsel worden aangeduid kom je de volgende termen vaak tegen, waarbij wordt uitgegaan van viervoeters:

• Anterior: naar voren (richting het hoofd);
• Posterior: naar achteren (richting de voeten);
• Dorsaal: naar boven (de rugkant);
• Ventraal: naar onderen (de buikkant);
• Superieur: boven een ander deel;
• Inferieur: onder een ander deel;
• Lateraal: naar de zijkant, vanaf de middenlijn;
• Mediaal: naar de middellijn, vanaf de zijkanten;
• Proximaal: dicht bij het punt van herkomst of hechting georganiseerd;
• Distaal: verder weg van het punt van herkomst of hechting georganiseerd;
• Ipsilateraal: aan dezelfde kant van het lichaam;
• Contralateraal: aan de tegenovergestelde kant van het lichaam;
• Sagittaal vlak: het vlak dat hersenstructuren laat zien vanaf de zijkant;
• Coronaal/frontaal vlak: het vlak dat hersenstructuren laat zien vanaf de voorkant;
• Horizontaal/transversaal vlak: het vlak dat hersenstructuren laat zien vanaf de bovenkant.

Bij de termen dorsaal en ventraal dient men te bedenken dat bij tweevoeters (mensen) het hoofd anders staat ten opzichte van het lichaam en dorsaal binnen de schedel dus betrekking heeft op de bovenkant en ventraal op de onderkant. Voor gewervelden is het zenuwstelsel onder te verdelen in het centrale zenuwstelsel (CZS) en het perifere zenuwstelsel (PZS). Het centrale zenuwstelsel bestaat uit de hersenen en het ruggenmerg. Het perifere zenuwstelsel bestaat uit alle andere zenuwen, het verbindt de hersenen en het ruggenmerg met de rest van het lichaam. Het PZS is onder te verdelen in het autonome zenuwstelsel en het somatische zenuwstelsel. Het somatische zenuwstelsel bestaat uit neuronen die informatie overbrengen van de zintuigen naar het CZS. Het autonome zenuwstelsel bestaat uit neuronen die informatie van en naar organen zoals onder meer het hart en de darmen overbrengen. Het autonome zenuwstelsel is weer onder te verdelen in een sympathisch zenuwstelsel en een parasympatisch zenuwstelsel. De verschillende delen van het zenuwstelsel heten als volgt:

• Een lamina is een laag van cellichamen gescheiden van andere cellichamen door een laag axonen en dendrieten.
• Een column is een verzameling cellen, loodrecht ten opzichte van de oppervlakte van de cortex, met gelijksoortige eigenschappen.
• Een tractus is een verzameling axonen binnen het CZS, ook wel bekend als projectie.
• Een zenuw is een verzameling axonen in het zenuwstelsel, die vanaf het CZS naar een spier of klier loopt of vanaf een sensorisch orgaan naar het CZS.
• Een nucleus is een cluster van cellichamen van neuronen binnen het centrale zenuwstelsel.
• Een ganglion is ook een cluster van cellichamen van neuronen, maar dit bevindt zich buiten het CZS.
• De gyrus is een uitstekend gedeelte op de oppervlakte van de hersenen.
• De sulcus is een gleuf of groeve in de hersenschors.
• Een lange, diepe sulcus heet een fissuur.

Het ruggenmerg

Het ruggenmerg is het gedeelte van het CZS binnen de wervelkolom. Het ruggenmerg bestaat uit verschillende segmenten, met elk een sensorische en motorische zenuw. De dorsale zijde van het ruggenmerg vervoert sensorische informatie en de ventrale zenuwen vervoeren motorische informatie. De axonen van en naar de huid en spieren vormen het perifere zenuwstelsel. De cellichamen van sensorische neuronen bevinden zich in clusters buiten het ruggenmerg en worden spinale ganglia genoemd. Cellichamen van motorneuronen bevinden zich binnen het ruggenmerg. De grijze massa in het centrum van het merg bestaat uit cellichamen en dendrieten. De witte massa bestaat voornamelijk uit gemyeliniseerde axonen. Alle delen van het ruggenmerg sturen sensorische informatie naar de hersenen en ontvangen motorische commando’s.

Het autonome zenuwstelsel

Het sympathische zenuwstelsel dient voor de vecht- of vluchtreacties en bestaat uit gangliaketens die net links en rechts van het ruggenmerg lopen (ganglia zijn verzamelingen van zenuwcelkernen). Het sympathische zenuwstelsel werkt in het algemeen met behulp van de neurotransmitter noradrenaline. De belangrijkste uitzondering hierop betreft de synapsen die de zweetklieren bedienen: die gebruiken acetylcholine. De zweetklieren, adrenalineklieren, spieren die bloedvaten samenknijpen en spieren die haren overeind laten staan hebben enkel sympathische input. Het parasympathische zenuwstelsel werkt in het algemeen tegengesteld aan het sympathische zenuwstelsel. Het dient voor energiebesparende functies zoals bijvoorbeeld de spijsvertering en het doen afnemen van de hartslag. Het parasympathische zenuwstelsel wordt ook wel het craniosacrale systeem genoemd, omdat het bestaat uit hersenzenuwen en zenuwen van het heiligbeen. De parasympathische ganglia bevinden zich in de nabijheid van elk orgaan en staan in verbinding met het ruggenmerg. Er kan hierbij onderscheid worden gemaakt tussen preganglionische en postganglionische vezels. Omdat de parasympatische ganglia niet verbonden zijn, kunnen ze individueler opereren dan sympathische ganglia. In de synapsen van het systeem wordt gebruik gemaakt van acetylcholine.

De achterhersenen

De hersenen zijn onder te verdelen in achter-, midden-, en voorhersenen. In die drie gebieden bevinden zich verscheidene structuren. Het rhombencephalon (achterhersenen) bestaat uit de medulla, de pons en het cerebellum. De middenhersenen, de medulla en de pons, en bepaalde structuren van de voorhersenen vormen de hersenstam.

• De medulla (verlengde merg) is het gedeelte van de hersenen dat de hersenstam met het ruggenmerg verbindt. Het controleert sommige vitale reflexen, zoals ademen en niezen, via de hersenzenuwen. Schade aan de medulla is meestal fataal. Elke zenuw begint vanuit een nucleus (cluster van neuronen) die sensorische neuronen integreert en motorische neuronen reguleert, of allebei.
• De pons ligt naar voren en ventraal ten opzichte van de medulla. Veel axonen in de pons gaan van de ene kant van de hersenen naar de andere. Het is in feite de locatie waar axonen van de ene kant van de hersenen naar de andere kant van het ruggenmerg gaan, zodat de rechterhersenhelft de linkerkant van het lichaam bestuurt en andersom.
• Het cerebellum is belangrijk voor de controle van beweging, balans en coördinatie, het verplaatsen van aandacht tussen visuele en auditieve stimuli en timing.

De middenhersenen

De bovenkant van de middenhersenen wordt de vierheuvelenplaat genoemd (tectum; dak) en heeft aan beide kanten een uitstulping: de colliculus superior en de colliculus inferior. Allebei deze uitstulpingen zijn belangrijk voor zintuiglijke informatie − de colliculus superior met name voor visie en de colliculus inferior voor horen. Onder de vierheuvelenplaat bevindt zich het tegmentum (vloerkleed). Het bevat de kernen van de derde en vierde hersenzenuw en gedeeltes van de reticulaire formatie. Daarnaast bevat het de extensies van de paden tussen de voorhersenen en het ruggenmerg of de achterhersenen. De substantia nigra geeft de aanleiding tot een dopamine-bevattend pad, dat zorgt voor gereedheid voor beweging. Dit zijn de belangrijkste hersenzenuwen en hun functies:

• Olfactory: reukvermogen;
• Optisch: visie;
• Oculomotor: controle van oogbewegingen en samentrekking van de pupillen;
• Trochlear: controle van oogbewegingen;
• Trigeminal: gevoel in het gezicht en controle van de kaakspieren;
• Abducens: controle van oogbewegingen;
• Faciaal: smaak op twee derde van de tong, controle van gezichtsuitdrukkingen, huilen, speeksel en verdunning in de bloedvaten van het hoofd;
• Statoacoustisch: gehoor en evenwicht;
• Glossopharyngeal: smaak en andere sensaties in de keel, controle over slikken, speeksel en keelbewegingen tijdens praten;
• Vagus: gevoel in de nek, controle van de keel, zenuwen naar de darmen en andere organen;
• Accessory: controle van nek- en schouderbewegingen;
• Hypoglossaal: controle van de tongspieren.

De voorhersenen

De voorhersenen zijn het meest prominente deel van de hersenen van zoogdieren. De voorhersenen bevatten twee ‘halfronden’ (hemisferen). Deze gebieden zijn georganiseerd om sensorische informatie te ontvangen en spieren te controleren. Het buitenste gedeelte is de cerebrale cortex. Daaronder bevinden zich nog andere structuren. De thalamus is de belangrijkste bron van input voor de cerebrale cortex. De basale ganglia speelt een rol in bepaalde aspecten van beweging. Het limbisch systeem vormt een grens rondom de hersenstam. Dit systeem is belangrijk voor emotie en motivatie. De structuren die tot het limbisch systeem behoren zijn reukkolf, hypothalamus, hippocampus, amygdala en de gyrus cinguli (gordelwinding).

De thalamus

De thalamus en de hypothalamus vormen samen het diencephalon. De thalamus is een gepaarde structuur (links en rechts) in het midden van de voorhersenen. De meeste sensorische informatie gaat eerst naar de thalamus, die de informatie verwerkt en doorstuurt naar de cerebrale cortex. Alleen reukinformatie wordt niet via de thalamus verwerkt, maar door de reukkolf.

De hypothalamus en hypofyse

De hypothalamus is een klein gebied dat ventraal ligt ten opzichte van de thalamus. Het heeft wijdverspreide verbindingen met de middenhersenen en de rest van de voorhersenen. De hypothalamus stuurt boodschappen naar de hypofyse, gedeeltelijk via zenuwen en gedeeltelijk via hormonen en beïnvloedt daarmee de vrijlating van hormonen. Schade aan de hypothalamus leidt tot abnormaliteiten in gemotiveerd gedrag. De hypofyse is een hormoonproducerende (endocriene) klier die vastzit aan de hypothalamus. Als reactie op input vanuit de hypothalamus synthetiseert de hypofyse hormonen en laat ze vrij in de bloedstroom, waardoor ze naar andere organen worden gebracht.

Basale ganglia

De basale ganglia is een groep van subcorticale structuren die lateraal liggen ten opzichte van de thalamus en die bestaat uit drie structuren: de nucleus caudatus, het putamen en het globus pallidus. De basale ganglia heeft subdivisies die informatie uitwisselen met verschillende delen van de cerebrale cortex. Met name de verbinding met de voorste gedeeltes van de hersenen is sterk. Deze delen zijn verantwoordelijk voor planning en bepaalde aspecten van emotionele expressie en geheugen. Bij de ziektes van Parkinson en Huntington gaat de basale ganglia achteruit, wat leidt tot verslechterde beweging, depressie en tekortkomingen in geheugen, redeneren en aandacht.

Basale voorhersenen

De nucleus basalis ligt op het ventrale oppervlakte van de voorhersenen en ontvangt input van de hypothalamus en basale ganglia. De basale voorhersenen sturen axonen die acetylcholine vrijlaten naar verspreide gebieden in de cerebrale cortex. Ze hebben invloed op aandacht, waakzaamheid en alertheid. Bij mensen met Parkinson en Alzheimer werkt de nucleus basalis niet (goed) meer, waardoor aandacht en intelligentie verslechteren.

Hippocampus

De hippocampus ligt tussen de thalamus en de cerebrale cortex en is belangrijk voor de opslag van bepaalde soorten herinneringen. Als de hippocampus beschadigd is, heeft iemand moeite met de opslag van nieuwe herinneringen, maar niet met het terughalen van oude herinneringen.

De ventrikels

Het zenuwstelsel begint zijn ontwikkeling als een buis die een vloeiend kanaal omgeeft. Het kanaal houdt in de volwassenheid aan als het centrale kanaal en als de ventrikels. Ventrikels zijn vier met vloeistof gevulde kanalen in de hersenen die in verbinding staan met het centrale kanaal in het ruggenmerg. De vloeistof, cerebrospinale vloeistof (CSF) geheten, beschermt de hersenen tegen schokken en het zorgt voor een zekere veerkracht waardoor het gewicht van de hersenen makkelijker te dragen is. Deze vloeistof dient bovendien als een reservoir voor hormonen en voedsel voor het ruggenmerg en de hersenen. CSF wordt geproduceerd in de plexus choroideus en stroomt naar het centrale kanaal, maar een groter deel vloeit naar de ruimtes tussen de hersenen en de meninges, membranen die de hersenen en het ruggenmerg omgeven. De meninges hebben pijnreceptoren, de hersenen zelf niet. Als de stroom van CSF wordt belemmerd, kan het zich vermeerderen en druk zetten op de hersenen. Als dit bij kinderen gebeurt kunnen ze een waterhoofd krijgen.

Hoe werkt de cerebrale cortex?

De cerebrale cortex is het meest belangrijke deel van de hersenen van zoogdieren. De cerebrale cortex wordt ook wel hersenschors genoemd en bestaat uit laagjes cellen op de buitenkant van de cerebrale hersenhelften. Deze cellen zijn de grijze massa en de axonen die de neiging hebben zich naar binnen de witte massa te vormen. Neuronen in elke hersenhelft communiceren met elkaar via twee bundels van axonen: het corpus callosum en het kleinere commisura anterior. De cerebrale cortex vormt een groter deel in de hersenen van primaten (apen en mensen).

Organisatie van de cerebrale cortex

De schors is opgebouwd uit zes lagen (laminae) die van elkaar worden gescheiden door een dun vezellaagje en parallel zijn ten opzichte van de cortex. Deze zes lagen variëren in dikte per gebied. Op sommige plaatsen is een laag zelfs afwezig. Zo is laag vijf het dikst in het motorisch deel van de hersenschors en is laag vier dikker in de primaire sensorische gebieden. De cellen van de cortex zijn ook georganiseerd in kolommen die zich loodrecht op de laminae bevinden. De cellen binnen één kolom hebben dezelfde eigenschappen. Dat wil zeggen, ze reageren op dezelfde prikkel. De groei van de hersenschors tijdens de evolutie betreft voornamelijk een toename van deze kolommen. Binnen de schors wordt onderscheid gemaakt tussen specifieke delen, kwabben genoemd. Dit zijn de occipitale kwab, de pariëtale kwab, de temporale kwab en de frontale kwab.

De occipitale kwab

De occipitale kwab bevindt zich achterin de hersenen en is belangrijk voor visuele informatie. Het achterste gedeelte staat bekend als de primaire visuele cortex (streepvormig gebied). Als dit gedeelte beschadigd wordt, leidt dat tot corticale blindheid. Mensen waarvan de ogen beschadigd zijn maar de primaire visuele cortex intact is kunnen nog steeds visuele scènes voor zich zien en visuele dromen hebben.

De pariëtale kwab

De pariëtale kwab ligt tussen de occipitale kwab en de voorste centrale groeve (centrale sulcus). Het gedeelte vlak achter deze groeve, de somatosensorische cortex (postcentrale gyrus), is van belang voor sensaties en informatie van spier-strek receptoren en gewrichtsreceptoren. In de somatosensorische cortex bevinden zich vier stroken van cellen parallel ten opzichte van de voorste centrale groeve; twee voor informatie van lichte aanrakingen, een voor sterke druk en een voor de combinatie van lichte en sterke druk. De somatosensorische cortex representeert het lichaam dus vier keer. Informatie over voelen en de locatie van het lichaam is van belang voor het interpreteren van visuele en auditieve informatie. De somatosensorische cortex controleert alle informatie over posities van de ogen, het hoofd en het lichaam en stuurt het door naar hersengebieden die beweging controleren. Bovendien is deze cortex belangrijk voor numerieke informatie.

De temporale kwab

De temporale kwab is het belangrijkste corticale gebied voor auditieve informatie. De kwab is essentieel voor het begrijpen van gesproken taal (met name de linkerkant) en bepaalde complexe aspecten van visie. Voorbeelden hiervan zijn de perceptie van beweging en het kunnen waarnemen van gezichten. Daarnaast speelt deze kwab een rol in emotioneel en motivationeel gedrag. Beschadiging van de temporale kwab kan leiden tot het Klüver-Bucy syndroom. Symptomen zijn afstomping van emotie, het verliezen van angst en de neiging om alles te onderzoeken door het in je mond te stoppen.

De frontale kwab

De frontale kwab bevat de motorische cortex en de prefrontale cortex. De motorische cortex is gespecialiseerd in het controleren van kleine bewegingen. Verschillende gebieden in de hersenen zijn verantwoordelijk voor verschillende gebieden van het lichaam, meestal aan de heterolaterale (tegenovergestelde) zijde, maar ook met een lichte controle aan de ipsilaterale (zelfde) zijde. De prefrontale cortex (PFC) is niet verantwoordelijk voor een bepaald sensorisch systeem, maar ontvangt informatie van alle sensorische systemen in verschillende delen van de cortex. De dendrieten in de prefrontale cortex hebben zestien keer zo veel uitlopers als neuronen in andere corticale gebieden en kunnen daardoor een enorme hoeveelheid informatie integreren. Prefrontale lobotomie is een chirurgische operatie waarbij de connectie tussen de prefrontale cortex en de rest van de hersenen (bijna helemaal) verbroken wordt. Bij laboratorische primaten leidde dit tot tammer gedrag en sommige artsen opperden dat dit mensen met onbehandelbare psychische aandoeningen ook kon helpen. De manieren waarop de lobotomie werd verricht waren erg primitief, zelfs voor de standaarden van de jaren ’40 en ’50. Toen medicijnen beschikbaar kwamen werd lobotomie snel minder populair. Lobotomie leidde tot apathie, verlies van het vermogen om te plannen en initiatief te tonen, geheugenstoornissen, snel afgeleid zijn en het verlies van emotionele expressie.

Functies van de prefrontale cortex

De prefrontale cortex heeft verschillende functies. Het achterste gedeelte wordt vooral geassocieerd met beweging. Het middelste gedeelte staat in relatie tot het werkgeheugen, cognitieve controle en emotionele reacties. Werkgeheugen is het vermogen om recente gebeurtenissen te onthouden. Voor mensen met aantastingen in de prefrontale cortex is de uitgestelde-respons-taak dan ook erg lastig. Het voorste deel van de prefrontale cortex is belangrijk voor het maken van beslissingen en het evalueren van bepaalde acties.

Hoe de verschillende delen samenwerken

De vraag hoe verschillende hersengebieden de perceptie van een object produceren staat bekend als het bindingsprobleem. Vroeger dacht men dat verschillende sensorische informatie samenkwam in ‘de associatiegebieden van de hersenen’. Uit later onderzoek is gebleken dat de verschillende sensorische informatie niet samenkwam. Tegenwoordig kan het binden nog steeds niet helemaal verklaard worden, maar wel wat er voor nodig is: het vindt plaats als je twee sensaties ervaart alsof ze op dezelfde plaats en tijd plaatsvinden.

Wat zijn onderzoeksmethoden voor de hersenen?

De belangrijkste categorieën van methoden om hersenfuncties te onderzoeken zijn:

• De effecten van hersenletsel onderzoeken;
• De effecten van het stimuleren van een hersengebied vastleggen;
• Breinactiviteiten vastleggen tijdens gedrag;
• Anatomie van de hersenen met het gedrag correleren.

Effecten van hersenbeschadiging

Beschadiging in een gebied in de linker frontale cortex, dat bekend staat als het gebied van Broca, kan leiden tot motorische afasie. Het taalbegrip is dan intact, maar een persoon kan zich minder goed of helemaal niet uitdrukken in woorden. Vóór de ontdekking van Broca in 1861 twijfelden neurologen of verschillende gebieden verschillende functies hadden. Sinds de ontdekking hebben onderzoekers vaak verminderde gedragsvermogens na hersenbeschadiging gerapporteerd. Toch blijft dit onderzoek lastig: er zijn vrijwel nooit mensen die schade hebben aan dezelfde gebieden. Een laesie is een beschadiging van een hersengebied. Ablatie is het verwijderen van een hersengebied. Om een structuur binnen in de hersenen te beschadigen gebruiken onderzoekers een stereotactisch instrument. Het grote probleem is om de exacte tekortkoming van het gedrag te specificeren. Je weet wel dat beschadiging van een bepaald gebied ervoor zorgt dat iemand niet meer eet, maar je weet niet hoe dat gebied bijdraagt aan eten en eetgedrag. Bij transcraniële magnetische stimulatie (TMS) wordt een intens magnetisch veld aangebracht op een gedeelte van de schedel waardoor neuronen onder de magneet tijdelijk gedeactiveerd worden. Zo kan het gedrag van een persoon worden onderzocht met een hersengedeelte actief, inactief en weer actief.

Effecten van hersenstimulatie

Als hersenbeschadiging ervoor zorgt dat bepaald gedrag afneemt, zou hersenstimulatie ervoor moeten zorgen dat bepaald gedrag toeneemt. Een van de beperkingen van hersenstimulatie is dat complex gedrag afhangt van verschillende hersengebieden. Een belangrijke benadering hierop is tegenwoordig de optogenetische benadering. Deze methode gebruikt licht om een bepaalde groep neuronen te controleren. Zo kun je invloed uitoefenen op het inhiberen of exhiberen van bepaalde neuronen in de hersenen.

Breinactiviteit vastleggen

Er zijn verschillende manieren om breinactiviteit vast te leggen:

• Met een elektro-encefalogram (EEG) kun je elektrische activiteit van de hersenen meten via elektroden die vastzitten aan een scalp. Dit apparaat kan spontane breinactiviteit of activiteit in reactie op een stimulus vastleggen. De resultaten hiervan worden ook wel opgeroepen potentialen of opgeroepen responsies genoemd.
• Een magnetoencephalogram (MEG) lijkt op een EEG, maar meet de magnetische velden die worden gegenereerd door hersenactiviteit. Een MEG heeft een uitstekende temporale resolutie.
• Positronemissietomografie (PET) levert een afbeelding op met een hoge resolutie door het meten van de emissie van de radioactiviteit van ingespoten chemicaliën. In de gebieden met de meeste radioactiviteit stroomt het meeste bloed en daardoor zijn dat waarschijnlijk de gebieden die de meeste hersenactiviteit laten zien. Voor PET moet je gebruikmaken van een cyclotron om de chemicaliën te maken. Cyclotrons zijn groot en duur. Bovendien wordt het brein bij PET blootgesteld aan radioactiviteit.
• PET-scans zijn vervangen door fMRI’s (functionele kernspintomografie; functional magnetic resonance imaging). fMRI’s zijn minder duur en minder risicovol. Bij fMRI worden de veranderingen in de hemoglobinemoleculen gemeten als ze zuurstof vrijlaten. Deze methode is van grote waarde geweest bij het identificeren van hersengebieden die geactiveerd worden tijdens geheugen- en aandachtstesten.

Het interpreteren van fMRI-data is een complex proces. Toch levert fMRI soms waardevolle informatie op. Een fMRI kan ons laten zien welke onderdelen afwijken of veranderen bij het zien van een bepaalde stimulus. Het laat echter geen verband zien. Ook is het zo dat een actief deel van de hersens niet automatisch betekent dat een persoon met hetzelfde bezig is of hetzelfde voelt wanneer dit deel weer actief wordt. Men moet dus goed uitkijken bij het interpreteren van fMRI scans. Onderwerpen waar fMRI’s bijvoorbeeld veel inzicht over hebben gegeven, zijn het gebruik van placebo’s, de typen geheugen die er zijn en of het mogelijk is dat de hersenen voor een bepaalde periode helemaal niks doen.

Correlatie tussen breinanatomie en gedrag

Bij een van de eerste manieren om hersenfuncties te onderzoeken zocht men iemand met vreemd gedrag en keek men bij die persoon naar rare kenmerken van de hersenen. Franz Gall relateerde schedelanatomie aan gedrag, een proces dat bekend staat als frenologie. Een probleem van de frenologen was hun onkritische gebruik van data. Een ander probleem was dat de vorm van de schedel weinig te maken had met hersenanatomie. Op sommige plekken is de schedel dikker en de dikte kan ook per individu verschillen. Andere onderzoekers in de negentiende en twintigste eeuw wezen het bestuderen van schedels dan ook af, maar hielden het idee dat hersenanatomie gerelateerd is aan gedrag. De totale grootte van het brein leek niet gerelateerd te zijn aan het intellect. De groottes van de verschillende hersengebieden zouden wel gerelateerd kunnen zijn aan specifiek gedrag. Een manier om de hersenanatomie te onderzoeken is met behulp van een CT- of CAT-scan (computerized axial tomography). Hierbij gaan röntgenstralen door het hoofd en worden zij opgemerkt door detectoren aan de overkant van de scanner. De CT-scanner wordt langzaam gedraaid tot metingen uit elke hoek zijn gedaan. Vervolgens maakt de computer hier een afbeelding van.

Hoe worden bewegingen gecontroleerd?

Interne processen zijn heel erg goed en belangrijk om te hebben, maar voor de uiteindelijke actie heb je bewegingen nodig. Die zijn daarom ook erg belangrijk.

Spieren en spierbewegingen

Elke beweging van een dier hangt af van spieren. Er zijn drie categorieën spieren te onderscheiden:

• Gladde spieren: controleren het spijsverteringssysteem en andere organen.
• Dwarsgestreepte of skeletspieren: controleren beweging van het lichaam in relatie tot de omgeving.
• Hartspieren: hebben eigenschappen die tussen die van gladde en dwarsgestreepte spieren in zitten.

Een spier is opgebouwd uit verschillende vezels. Elke vezel ontvangt informatie van slechts één axon. Een axon kan wel met meerdere spiervezels innerveren. Een motorische eindplaat (neuromusculaire junctie) is een synaps tussen een axon van een motorneuron en een spiervezel. Om een arm of been naar voren te kunnen bewegen is een tegengestelde set van spieren nodig, die de antagonistische spieren worden genoemd. Flexie betekent buiging, extensie betekent strekking. Een tekort van acetylcholine of zijn receptoren in de spieren tast beweging aan.

Snelle en langzame spieren

De typen spieren die wij hebben variëren van fast-twitch (type II) vezels tot slow-twitch (type I) vezels. Fast-twitch vezels zorgen voor snelle samentrekkingen en zijn snel vermoeid, slow-twitch vezels hebben minder snelle samentrekkingen en zijn minder snel vermoeid. Slow-twitch vezels vermoeien niet omdat ze zuurstof gebruiken tijdens beweging; ze zijn aerobisch. Het gebruik van fast-twitch vezels is anaerobisch; er is geen zuurstof nodig om te reageren, maar wel om te herstellen. Mensen variëren van elkaar in hoeveel fast-twitch of slow-twitch vezels ze hebben; het hangt af van genen en training.

Spiercontrole door proprioceptoren

Een proprioceptor is een receptor die de positie of beweging van een deel van het lichaam detecteert (in dit geval een spier). Het merkt de spanning en uitstrekking van spieren op en stuurt boodschappen waardoor het ruggenmerg zijn signalen kan aanpassen. Als een spier uitgestrekt is, stuurt het ruggenmerg een reflexief signaal om de spier samen te trekken. Deze stretch reflex wordt veroorzaakt door een uitstrekking, het produceert er geen. Spierspoeltjes zijn een soort proprioceptoren. Als een spierspoeltje uitgerekt wordt, stuurt zijn sensorische zenuw een bericht naar een motorneuron in het ruggenmerg. Het motorneuron stuurt een boodschap naar de spieren rondom het spierspoeltje en veroorzaakt een samentrekking. Golgi pees organen zijn ook proprioceptoren en reageren op toenames in spierspanning. Ze bevinden zich in de pezen aan de tegenovergestelde uiteinden van een spier en dienen als rem tegen excessieve snelle samentrekkingen van de spier. De proprioceptoren controleren niet alleen belangrijke reflexen, maar geven ook informatie door aan het brein.

Eenheden van beweging

Verschillende soorten van bewegingen hebben ook verschillende soorten controle nodig door het zenuwstelsel.

Vrijwillige en niet-vrijwillige bewegingen

Reflexen zijn consistente, automatische responsen op stimuli. We denken over het algemeen dat reflexen onvrijwillig zijn, omdat ze niet gevoelig zijn voor bekrachtiging, straffen en motivatie. Baby’s hebben bepaalde reflexen die niet voorkomen bij volwassenen. Voorbeelden zijn de grijpreflex, de Babinskireflex (als je de voet van een baby aanraakt, strekt hij zijn grote teen en spant de anderen aan) en de zuigreflex. Daarnaast maken ze meer gebruik van gerelateerde reflexen; reflexen die elkaar uitlokken. Weinig gedrag kan worden omschreven als puur vrijwillig of onvrijwillig, reflexief of non-reflexief.

Bewegingen die variëren in sensitiviteit voor feedback

Een ballistische beweging wordt uitgevoerd als een geheel en kan niet meer veranderen als de beweging begonnen is.

Reeksen van gedragingen

Veel van ons gedrag bestaat uit snelle reeksen. Sommige reeksen hangen af van centrale patronen generatoren: neurale mechanismen in het ruggenmerg die ritmische patronen genereren van motorische output. Een stimulus kan een centrale patronen generator activeren, maar heeft geen controle over de frequentie van de veranderende bewegingen. Een vaste reeks van bewegingen heet een motorprogramma (bijvoorbeeld een muis of kat die zichzelf wast, of zoiets simpels als gapen).

Wat zijn hersenmechanismen van beweging?

Het is van belang om te weten hoe het brein beweging controleert om verschillende redenen. Met die kennis kun je bijvoorbeeld mensen helpen met een beschadigd ruggenmerg of geamputeerde ledematen.

De cerebrale cortex

Dankzij het werk van Fritsch en Hitzig (1980) weten neuropsychologen dat directe stimulatie van de primaire motorcortex bewegingen uitlokt. De motorcortex stuurt geen directe signalen naar de spieren, maar zijn axonen lopen wel tot de hersenstam en het ruggenmerg, die impulsen aanmaken die de spieren controleren. De cerebrale cortex is met name belangrijk voor complexe acties. Onderzoekers die de motorcortex van laboratoriumdieren bestudeerden met behulp van het stimuleren van neuronen met korte elektrische impulsen, vonden jarenlang als resultaat korte bewegingen van geïsoleerde spieren. Latere onderzoekers vonden andere resultaten omdat ze niet 50 milliseconden lang maten, maar een halve seconde. Nu lokten de impulsen complexe patronen van beweging uit. In de meeste gevallen geeft de motorcortex een bevel over de uitkomst en laat het ruggenmerg en andere gebieden de juiste combinatie van spieren zoeken. De primaire motorcortex is actief als mensen de intentie hebben om een beweging te maken.

Het plannen van een beweging

De primaire motorcortex is belangrijk voor het maken van bewegingen maar niet voor het plannen ervan. Een aantal hersengebieden zijn hierbij wel van belang:

• Een van de eerste gebieden die actief worden is de posterieure pariëtale cortex. Dit gebied houdt de positie en de houding van het lichaam ten opzichte van de wereld bij. Mensen die schade aan dit gebied hebben, hebben moeite om voorwerpen te vinden in een ruimte, zelfs nadat die voorwerpen uitvoerig beschreven zijn. Ook botsen zij vaak tegen dingen aan. De posterieure pariëtale cortex is ook belangrijk voor het plannen van beweging.
• De prefrontale cortex en de aanvullende motorcortex zijn ook belangrijk voor het plannen en organiseren van een snelle volgorde van beweging. De aanvullende motorcortex is essentieel voor het tegenhouden van een gewoonte als je iets anders moet doen.
• De premotor cortex is het meest actief direct voorafgaand aan een beweging. Het ontvangt informatie over het doel waar het lichaam naartoe gaat en de positie en houding van het lichaam.
• De prefrontale cortex slaat sensorische informatie die relevant is voor de beweging op. Het is ook belangrijk voor het voorspellen van mogelijke uitkomsten van mogelijke bewegingen. Bij schade aan de prefrontale cortex zijn bewegingen onlogisch en slecht georganiseerd. Opvallend is dat dit hersengebied inactief is tijdens dromen.

Inhiberen van een beweging

Een saccade taak houdt in dat je een bepaalde opdracht moet uitvoeren. Iets wat vaak door psychologen gebruikt wordt, is de antisaccade taak. Hier moet je juist het tegenovergestelde doen van wat je eigenlijk zou willen doen. Het is heel moeilijk om gedragingen of reflexen die je geïnhibeerd hebt, te onderdrukken.

Spiegelneuronen

Spiegelneuronen zijn actief tijdens de voorbereiding op beweging en tijdens het bekijken van iemand anders die dezelfde of een vergelijkbare beweging uitvoert. Deze neuronen zijn theoretisch gezien erg interessant, omdat ze belangrijk kunnen zijn om andere mensen te begrijpen, je ermee te identificeren en ze te imiteren. De vraag of spiegelneuronen imitatie veroorzaken of een resultaat zijn van imitatie is lastig te beantwoorden. Het antwoord kan verschillend zijn voor verschillende cellen en verschillende bewegingen. Sommige spiegelneuronen hebben hun spiegelkwaliteiten ontwikkeld door leren, ze zijn niet aangeboren. Bovendien is imitatie complexer dan dat het idee van spiegelneuronen suggereert.

Connecties tussen de hersenen en het ruggenmerg

Boodschappen vanuit de hersenen moeten uiteindelijk het ruggenmerg en de medulla bereiken, die de controle hebben over de spieren. Beschadiging of ziektes van het ruggenmerg zorgen voor verslechtering van de controle over spieren. Paden van de cerebrale cortex naar het ruggenmerg worden de corticospinale tractussen genoemd. Een tractus is een bundel van gemyeliniseerde axonen binnen het centrale zenuwstelsel. We hebben twee soorten corticospinale tractussen:

• De laterale corticospinale tractus is een bundel axonen van de primaire motorcortex, omliggende gebieden en de rode nucleus. De rode nucleus is een gebied in de middenhersenen dat voornamelijk verantwoordelijk is voor het controleren van de armspieren. Axonen van de laterale tractus reiken vanaf de motorcortex naar hun doelneuronen in het ruggenmerg. In uitstulpingen van de medulla die pyramiden worden genoemd, kruist de laterale tractus naar de contralaterale zijde van het ruggenmerg. De laterale tractus wordt ook wel de pyramidale tractus genoemd en controleert bewegingen in perifere gebieden, zoals de handen en voeten. Het is niet duidelijk waarom elke hersenhelft de contralaterale zijde van het lichaam controleert.
• De mediale corticospinale tractus bestaat uit axonen vanuit verschillende delen van de cerebrale cortex, de vierheuvelenplaat, de reticulaire formatie en de vestibulaire nucleus. De vestibulaire nucleus ontvangt input van het vestibulaire systeem. De axonen van de mediale tractus gaan naar beide zijden van het ruggenmerg. De mediale tractus controleert bewegingen van de nek, schouders en de romp en is daardoor ook betrokken bij bewegingen zoals lopen, omdraaien en buigen. De functies van de tractussen zijn eenvoudig te onthouden: de laterale tractus controleert spieren in het laterale deel van het lichaam, de mediale tractus in de mediale delen van het lichaam. Ook is het belangrijk om te weten dat voelen essentieel is voor beweging.

Het cerebellum

Lang geleden werd de functie van het cerebellum omschreven als ‘coördinatie en balans’. Het is waar dat mensen met schade in het cerebellum balans en coördinatie verliezen, maar die omschrijving laat niet zien hoe belangrijk het cerebellum is. In het cerebellum bevinden zich meer neuronen dan in de andere gebieden van de hersenen samen en er bevindt zich ook een enorm aantal synapsen. Een effect van schade aan het cerebellum is moeite met snelle bewegingen die precieze timing en richting vereisen. Patiënten hebben wel normale continue motoractiviteit. Saccades zijn ballistische oogbewegingen van het ene fixatiepunt naar een ander en hangen af van impulsen van het cerebellum en de frontale cortex naar de craniale zenuwen. Iemand met schade aan het cerebellum heeft moeite met het programmeren van hoeken en afstanden van oogbewegingen. De symptomen van schade aan de cerebrale cortex lijken op die van alcoholvergiftiging: onhandigheid, onduidelijke spraak en onzorgvuldige oogbewegingen.

Andere functies dan beweging

Het cerebellum is niet alleen een structuur voor beweging. Richard Ivry en zijn collega’s benadrukten het belang van het cerebellum voor gedrag dat afhangt van precieze timing en korte intervallen. Mensen die goed zijn in een bepaalde manier van getimed bewegen, zijn meestal ook goed in een andere manier van getimed bewegen. Het cerebellum lijkt ook van belang voor bepaalde aspecten van aandacht.

Cellulaire organisatie

Het cerebellum ontvangt informatie van het ruggenmerg, de sensorische systemen en de cerebrale cortex. De informatie bereikt uiteindelijk de cerebellaire cortex. Een overzicht van de cellulaire organisatie is weergegeven in verschillende figuren. Die figuren zijn echter complex, het is daarom verstandig om je te concentreren op de volgende punten:

• De neuronen zijn georganiseerd in een precies, geometrisch patroon, met veel herhalingen van dezelfde eenheden.
• De Purkinje cellen zijn platte (tweedimensionale) cellen op opeenvolgende vlakken, parallel ten opzichte van elkaar.
• De parallelle vezels zijn axonen parallel ten opzichte van elkaar en loodrecht ten opzichte van de vlakken van de Purkinje cellen.
• Actiepotentialen in parallelle vezels exciteren de ene Purkinje cel na de andere. Elke Purkinje cel stuurt vervolgens een inhiberende boodschap naar cellen in de nuclei van het cerebellum (clusters van cellichamen binnen het cerebellum) en de vestibulaire nuclei in de hersenstam, die weer informatie verzenden naar de middenhersenen en de thalamus.
• Afhankelijk van welke en hoeveel vezels actief zijn, zouden ze alleen het eerste paar Purkinje cellen kunnen stimuleren, of een lange serie. Aangezien de parallelle vezels verschillende Purkinje cellen een voor een bereiken, is het aantal geëxciteerde Purkinje cellen groter dan hun collectieve duur van reactie. Als er meer Purkinje cellen gestimuleerd worden, duurt de boodschap langer. De output van een Purkinje cel bepaalt de timing van een beweging.

De basale ganglia

De term basale ganglia slaat op een groep van subcorticale structuren in de voorhersenen. Men is het er niet over eens welke structuren allemaal tot de basale ganglia behoren, maar men is het erover eens dat de caudate nucleus, de putamen en de globus pallidus er in ieder geval deel van uitmaken. De caudate nucleus en putamen samen worden ook wel het striatum of dorsale striatum genoemd. De cerebrale cortex stuurt informatie naar de caudate nucleus en de putamen, die hun informatie verder versturen naar de globus pallidus. De meeste output van de globus pallidus naar de thalamus zorgt voor de vrijlating van GABA. Neuronen in de globus pallidus laten veel spontane activiteit zien. Input van de caudate nucleus en putamen ‘vertelt’ de globus pallidus welke bewegingen het moet ophouden te inhiberen. De basale ganglia selecteren een beweging door het stoppen van de inhibitie van deze beweging. Er is een direct pad en een indirect pad. Beide paden zijn actief voor een beweging en geen enkel pad is actief wanneer een dier rust. Het directe pad verhoogt de geselecteerde beweging en het indirecte pad inhibeert ongepaste, concurrerende bewegingen. Het indirecte pad is essentieel voor geleerde prestaties. De basale ganglia lijken essentieel te zijn voor in gang zetten van een beweging, maar niet als de reactie direct geleid wordt door een stimulus. Bewegingen die uit eigen initiatief in gang zijn gezet, zijn in het algemeen langzamer dan bewegingen die door een stimulus in gang zijn gezet. Je zal sneller reageren in je auto wanneer je een dier op de weg ziet staan, dan wanneer je zelf besluit om op de andere baan te gaan rijden. Onderzoek heeft uitgewezen dat cellen in de primaire motor cortex eerder actief worden dan de cellen in de basale ganglia en dit betekent dat de basale ganglia niet verantwoordelijk is voor het selecteren van de beweging. De rol van de basale ganglia is om de kracht van de beweging te reguleren. Schade aan de basale ganglia kan leiden tot schokkerige, onvrijwillige bewegingen. Veel cellen in de basale ganglia reageren sterker wanneer er beloningssignalen aanwezig zijn. Dat houdt in dat cellen sterker reageren wanneer er een signaal aanwezig is dat aangeeft dat een respons zal leiden tot een grotere kans op een beloning. Wanneer het striatum beschadigd is, dan leren dieren toch om te kiezen voor de respons die een grotere beloning zal brengen, maar de dieren zullen niet zo krachtig meer reageren als voorheen.

Hersengebieden en motorisch leren

Voor het leren van nieuwe motorische vaardigheden zijn alle gebieden belangrijk. Neuronen in de motorcortex passen hun responses aan als een persoon een motorische vaardigheid leert. Relevante neuronen in de motorcortex gaan vaker vuren. Na verlengd trainen worden de bewegingspatronen consistenter, net als de activiteitspatronen in de motorcortex. De basale ganglia is essentieel voor het leren van nieuwe gewoontes.

Bewuste beslissingen en bewegingen

De motorcortex produceert een soort activiteit voor elke vrijwillige beweging die een gereedheidspotentiaal wordt genoemd. De hersenactiviteit die verantwoordelijk is voor de beweging begint vaak voordat de persoon een bewuste keuze heeft gemaakt om een beweging uit te voeren, volgens onderzoek van Libet en anderen. Dit experiment is controversieel geweest, maar het is herhaald – met steeds dezelfde uitkomst als gevolg. Een punt van kritiek op de interpretatie van het onderzoek was dat mensen misschien niet goed konden rapporteren op welk moment ze zich bewust van iets waren. Uit onderzoek is gebleken dat ze niet de precieze tijd kunnen schatten, maar dat hun schatting wel dicht in de buurt zit. Deze studie en vergelijkbare studies impliceren dat hetgeen dat wij identificeren als een ‘bewuste’ beslissing meer de perceptie van een continu proces is dan de oorzaak ervan. De resultaten ontkennen niet dat je een bewuste keuze kunt maken, maar laten zien dat je je niet meteen bewust bent van je keuze. Vrijwillig en bewust betekenen dus niet hetzelfde. De pariëtale cortex verzorgt de voorbereiding van een beweging, inclusief datgene dat mensen ervaren als hun gevoel van ‘intentie’.

Wat zijn bewegingsstoornissen?

Bij bewegingsstoornissen is het vaak zo dat je cognitief gezien geen beperkingen kent. Dit wordt toegelicht aan de hand van twee voorbeelden: de ziekte van Parkinson en de ziekte van Huntington.

De ziekte van Parkinson

De symptomen van de ziekte van Parkinson zijn stijfheid, spierbevingen, langzame bewegingen en moeite met het op gang brengen van lichamelijke en mentale activiteit. Patiënten zijn niet alleen langzaam op motorische taken, maar ook op cognitieve taken. Bovendien worden ze in de beginfase van de ziekte vaak depressief en laten ze gebreken zien in het geheugen en op het gebied van redeneren. Deze mentale symptomen zijn waarschijnlijk onderdeel van de ziekte en niet een reactie op de verminderde werking van de spieren. Parkinsonpatiënten hebben moeite met het op gang brengen van bewegingen in afwezigheid van een stimulus die tot actie oproept. De controle over de snelheid van bewegingen hangt niet af van een afweging tussen snelheid en de precisie. Parkinsonpatiënten kunnen hun bewegingen wel versnellen zonder precisie te verliezen. Hun traagheid hangt dus niet af van de relatie tussen snelheid en precisie. Ze bewegen langzamer, omdat het hen meer moeite kost om te bewegen. Waarschijnlijk kiezen ze, net als gezonde mensen, de snelheid van beweging die de minste energie kost.

Oorzaken

De onmiddellijke oorzaak van de ziekte van Parkinson is de geleidelijke progressieve dood van neuronen, met name in de substantia nigra, die dopamine vrijlatende axonen stuurt naar de caudate nucleus en de putamen. Mensen met Parkinson verliezen deze axonen en dus ook dopamine. Dopamine zorgt voor excitatie van de caudate nucleus en de putamen en een vermindering van excitatie zorgt voor inhibitie van de globus pallidus. Het resultaat is toegenomen inhibitie van de thalamus en daardoor afgenomen excitatie van de cerebrale cortex. Kortom: het verlies van dopamine-activiteit zorgt voor minder stimulatie in de motorcortex en een langzamer begin van bewegingen. De symptomen beginnen zich voor te doen als het aantal neuronen dat in de substantia nigra overleeft afneemt met twintig of dertig procent meer dan normaal is. In de late jaren ’90 werd er gerapporteerd dat onderzoekers een gen hadden gevonden dat Parkinson zou veroorzaken. Deze rapportage was misleidend. Sindsdien is er nog een aantal genen gevonden dat zou leiden tot de ziekte van Parkinson voordat de leeftijd van vijftig jaar is bereikt. Deze genen zijn niet gerelateerd aan uitingen van Parkinson die later beginnen. Er zijn wel genen gevonden die gerelateerd zijn aan latere uitingen, maar die hebben maar een kleine impact. Genen hebben wel invloed op het risico op late uitingen van Parkinson, maar niet zoveel als op vroege uitingen. Blootstelling aan bepaalde stoffen kan relevant zijn voor ontwikkeling van Parkinson. De symptomen van Parkinson kunnen worden uitgelokt door de substantie MPTP, een chemische stof die door het lichaam wordt omgezet tot MPP+. MPP+ hoopt zich op in neuronen die dopamine vrijlaten om ze vervolgens te vernietigen. Parkinson komt vaker voor bij boeren en anderen die veel in aanraking komen met bestrijdingsmiddelen en onkruidverdelgers. Tevens wordt het risico op Parkinson beïnvloed door het roken van sigaretten en het drinken van koffie; mensen die sigaretten roken of koffie drinken hebben minder kans op de ontwikkeling van de ziekte van Parkinson. De ziekte van Parkinson wordt waarschijnlijk veroorzaakt door een samenspel van oorzaken.

L-Dopa behandeling

Als Parkinson het resultaat is van een dopaminetekort, is het een logische oplossing om het dopamineniveau te herstellen. Een dopaminepil zou niet effectief zijn, omdat dopamine niet door de bloed-hersenbarrière kan. L-dopa, een precursor van dopamine, kan dat wel. L-dopa bereikt de hersenen, waar het door neuronen wordt omgezet in dopamine. Het gebruik van L-dopa is de belangrijkste behandeling voor Parkinson. Er zitten wel nadelen aan deze behandeling: het is niet effectief voor sommige patiënten, het voorkomt het verlies van neuronen niet en heeft nare bijwerkingen zoals slaapproblemen, wanen, hallucinaties en rusteloosheid.

Andere behandelingen

Aangezien L-dopa een aantal nadelen heeft, werd er gezocht naar alternatieve behandelingen. Een aantal oplossingen lijkt veelbelovend:

• Antioxidante drugs om verdere schade te verminderen;
• Medicijnen die de dopaminereceptoren direct stimuleren;
• Medicijnen die glutamine en adenosinereceptoren inhiberen;
• Medicijnen die een soort calciumkanaal blokkeren dat vaker voorkomt op latere leeftijd;
• Medicijnen die cannabinoïdereceptoren stimuleren;
• Neurotrofines die overleving en groei van de overgebleven neuronen bevorderen;
• Medicijnen die apoptose (geprogrammeerde celdood) tegengaan;
• Elektrische stimulatie met een hoge frequentie van de globus pallidus of de subthalamische nucleus.

Elektrische stimulatie met hoge frequentie is met name effectief om bevingen te blokkeren en beweging te versterken. Het zorgt echter ook voor depressieve stemmingen door de inhibitie van serotoninevrijlating. Bovendien zorgt het voor het nemen van impulsieve beslissingen. Bij laboratoriumratten die symptomen van Parkinson hadden (dankzij een injectie met 6-OHDA) bleek een transplantatie van de substantia nigra succesvol. De onderzoekers verwijderden de substantia nigra van rattenfoetussen en transplanteerden deze in de beschadigde hersenen. Substanties en lichaamsdelen die in de hersenen worden geplaatst worden niet snel afgewezen of afgestoten. Alleen de onvolgroeide cellen die getransplanteerd worden vanuit een foetus kunnen connecties maken. Het maken van connecties is echter niet voldoende: er moet geleerd worden hoe de getransplanteerde cellen gebruikt kunnen worden. Eigenlijk moeten onderzoekers hun behandelmethoden eerst testen op laboratoriumdieren voordat ze de behandeling op mensen mogen toepassen. Mensen in late fases van de ziekte hebben weinig te verliezen en willen bijna alles proberen om te genezen. Het is echter lastig om donorweefsel te vinden. In vroege studies maakte men gebruik van weefsel uit een bijnier, maar dit gaf zelden voordelen. Een andere mogelijkheid is het transplanteren van hersenweefsel van geaborteerde foetussen. Patiënten kunnen hierdoor soms jaren langer leven, maar deze methode is moeilijk en duur. Het gebruik van foetaal weefsel dat genetisch gemodificeerd wordt en van stamcellen wordt gemaakt zou deze problemen verminderen. De resultaten hiervan zijn echter matig. Vaak worden deze methoden alleen gebruikt bij patiënten die zich in een laat stadium van de ziekte bevinden, terwijl een eerdere behandeling meestal effectiever is.

De ziekte van Huntington

De ziekte van Huntington is een ernstige neurologische aandoening. De motorische symptomen beginnen meestal met zenuwtrekjes in het gezicht en de armen en worden opgevolgd door bevingen in andere delen van het lichaam die zich ontwikkelen tot kronkelingen. De bevingen staan vrijwillige bewegingen steeds meer in de weg. Met name de mogelijkheid om nieuwe vaardigheden aan te leren en te verbeteren is verslechterd. De stoornis wordt geassocieerd met geleidelijk verspreide hersenschade, met name in de caudate nucleus, het putamen en de globus pallidus maar ook in de cerebrale cortex. Mensen met de ziekte van Huntington hebben ook vaak last van psychologische stoornissen. Soms krijgen ze de (verkeerde) diagnose schizofrenie. Huntington komt vooral voor bij mensen tussen de 30 en 50 jaar, maar kan ook op jonge leeftijd beginnen. Als de symptomen zich voordoen, worden ze steeds erger tot ze uiteindelijk leiden tot de dood.

Erfelijkheid en presymptomatisch testen

De ziekte van Huntington wordt gecontroleerd door een autosomaal-dominant gen. Een gemuteerd gen dat het verlies van een functie veroorzaakt is altijd recessief. Het feit dat het Huntington-gen dominant is, wijst erop dat de ziekte zorgt voor de verwerving van ongewenste functies. Het kan handig zijn om te weten of je later Huntington krijgt voor bepaalde keuzes, maar slecht nieuws is waarschijnlijk niet eenvoudig te verwerken. In 1993 hebben onderzoekers het gen voor de ziekte van Huntington gevonden op chromosoom vier. Dit maakt het mogelijk om te onderzoeken of iemand wel of niet de ziekte van Huntington zal krijgen en wanneer iemand de ziekte dan zal krijgen. Het gen bestaat uit een serie basen, C-A-G, die wordt herhaald. Mensen die 39 of meer herhalingen hebben, hebben een grote kans om de ziekte te krijgen. Hoe meer herhalingen iemand heeft, hoe sneller de ziekte waarschijnlijk zal beginnen. Verschillende genen worden gerelateerd aan vroege uitingen van Huntington, maar late uitingen zijn minder voorspelbaar en hangen waarschijnlijk meer af van omgeving dan van genen. Identificatie van het gen voor de ziekte van Huntington heeft geleid tot de ontdekking van een proteïne die ervoor codeert, dat huntingtin genoemd wordt. De gemuteerde vorm van de Huntington-proteïne is alleen schadelijk binnen de hersenen en alleen binnen de neuronen, niet op de membranen. Mutaties in de hersenen zorgen voor een toename van de vrijlating van neurotransmitters waardoor de doelcellen soms te veel stimulatie krijgen. Tevens kunnen de proteïnen clusters vormen en de mitochondria aantasten. Bovendien kan de neurotrofine BDNF niet vrijgelaten worden, waardoor andere cellen niet goed kunnen functioneren. Er zijn verschillende medicijnen die veelbelovend lijken. Sommige medicijnen blokkeren de clustervorming van glutamineketens. Anderen bemoeien zich met het RNA dat de expressie van de ziekte mogelijk maakt. Neurotrofines zullen waarschijnlijk ook effectief zijn als onderzoekers een manier vinden om ze in de hersenen te krijgen.