Hoorcollege 2: Hersenanatomie en onderzoeksmethoden

Transcriptie

1 Hoorcollege 2: Hersenanatomie en onderzoeksmethoden Vorige hoorcollege Cellen van het zenuwstelsel: verschillende types neuronen en gliacellen, onderscheidbaar op basis van functie en vorm. Zenuwimpulsen: actiepotentialen bewegen langs axonen en zorgen voor een response bij de synaps, die een signaal doorgeeft aan dendrieten van andere zenuwcellen. Bloed-brein barrière: beschermen en voeden. Synaptische communicatie: signalen doorgeven van neuron tot neuron. Neurotransmitters, neuropeptiden en hormonen. Bij dit hoorcollege gaan we iets breder kijken: hoe de structuur opgebouwd is. Overzicht Deel 1: Structuur van het zenuwstelsel - Benamingen - Opbouw van anatomische structuur Deel 2: Organisatie van de hersenschors - Voornaamste kwabben en functies Deel 3: Onderzoeksmethodes - Hersenschade - Meten van hersenactiviteit - Relateren van neurale activiteit aan gedrag Structuur van het zenuwstelsel Hersenanatomie is net als leren kaartlezen. Het ene gebied is interessanter dan het andere gebied, omdat er meer gebeurt. Als je naar die interessante gebieden kijkt zijn er altijd wel weer meer clusteringen daarbinnen, net zoals bij een landkaart. Daar bovenop zit ook nog de activiteit van de gebeurtenissen. Hoe benoemen we de verschillende onderdelen van het zenuwstelsel?

2 Complete zenuwstelsel Zien we als het elektriciteitssysteem van het lichaam. Het omvat alle zenuwcellen en aanverwante cellen van het systeem. Samen voeren die alle belangrijke functies uit die met gedrag en zelfregulatie te maken hebben. Denk aan: Beweging Waarneming - Visueel, auditief, haptisch, smaak, reuk, pijn, balans, etc. Regulatie van lichaamsfuncties - Ademen, verteren, activeren/stress, etc. Subjectieve ervaringen en gedachtes De hersenen en het ruggenmerg zijn samen het centrale zenuwstelsel. Dit noemt men ook wel het controle centrum. Al het neurale materiaal buiten het centrale zenuwstelsel noem je het perifere zenuwstelsel. Centrale zenuwstelsel: hersenen en ruggenmerg Het ruggenmerg is de zenuwbaan binnenin de ruggengraat. Het lichaam van de wervel zit aan de buikkant en de uitsteeksels zitten aan de rugkant. Door die wervel loopt de zenuwbaan. Door de zijkantjes heb je de verbindingen met ruggenmergzenuwen, benoemd naar de positie van de wervels. De voorkant en de achterkant zit omgeven door vlies en daar zit ook vloeistof in. De wortels die eruit komen, komen weer samen en vertrekken uit de ruggengraad als één bundel. Daar zitten zowel sensorische als motorische kanten aan. Het waaiert uit in de lagere spinale zenuwen. Perifere zenuwstelsel: somatisch vs. autonoom zenuwstelsel Somatisch zenuwstelsel = sensorimotor functies.

3 Intentionele beweging. Waarneming: zien en horen (via hersenzenuwen) en haptisch (door dermatomen, in een soort stroken). Somatisch is dus bewegen en waarnemen (sensorisch). Autonoom zenuwstelsel = connecties met het hart, de darmen en andere organen. Sympathische en parasympatische zenuwstelsel. Autonoom is dus een zenuwstelsel van automatische processen, waar we geen intenties van hebben. Hersenzenuwen Uit de hersenstam en de cortex komen hersenzenuwen. Onthoud vooral dat er op dat niveau nog zenuwen zitten die beweging aansturen en waarnemingssignalen doorgeven (o.a. naar de organen). Deze hersenzenuwen zijn officieel nog onderdeel van het perifere zenuwstelsel. De hersenzenuwen bestaan uit 12 zenuwen direct uit het brein, die onder andere goed zijn voor: Gevoel van het hoofd/gezicht. Beweging van het hoofd/gezicht. Parasympatische signalen naar de organen. Afferente en efferente connecties Afferente zenuwen = sturen informatie naar het brein (bijvoorbeeld waarnemingssignalen). Efferente zenuwen = sturen informatie van het brein naar het lichaam (bijvoorbeeld bewegingssignalen). Ezelsbruggetje: afferent is naar het brein en efferent is weg van het brein (exit). Autonoom zenuwstelsel: sympathisch en parasympatisch zenuwstelsel Automatische processen worden uitgevoerd door twee aparte zenuwnetwerken: Sympathisch zenuwstelsel = activerende automatische processen. Het bereidt je voor op activiteit. Zenuwknopen (ganglia) liggen vlakbij het ruggenmerg. Toenames van hartslag, bloeddruk en ademhaling (bijvoorbeeld bij stress) Vecht/vlucht-respons! Parasympatisch zenuwstelsel = minder dringende processen. Het is meer ontspannen. Zenuwknopen (ganglia) liggen vlakbij de organen. Doet sympathische activiteit afnemen. Leidt tot ontspannende toestand ( rest & digest ).

4 Anatomische termen en definities Tract (witte stof baan) Een bundel axonen in het centrale zenuwstelsel, ook wel projectie genoemd. Als axonen van cellichamen in structuur A naar synapsen in structuur B leiden, zeggen we dat er een projectie is van A op B. Nerve (zenuw) Een bundel axonen in het perifere zenuwstelsel, ofwel van het centrale zenuwstelsel naar een spier of klier, of van een waarnemend orgaan naar het centrale zenuwstelsel. Nucleus Een cluster van cellichamen in het centrale zenuwstelsel. Ganglion Een cluster van cellichamen in, meestal buiten het centrale zenuwstelsel (zoals in het sympathisch zenuwstelsel, ook wel zenuwknoop genoemd). Gyrus (meervoud: gyri) Een uitstulping op het oppervlak van het brein. Sulcus (meervoud: sulci) Een vouw of groef tussen twee gyri. Fissure (fissuur) Een lange, diepe sulcus. Grijze en witte stof Zenuwweefsel kan er grijs of wit uitzien. De verhouding kan veranderen. Grijze stof = cellichamen. Witte stof = axonen met myeline. Het zijn verbindende banen door heel het zenuwstelsel. Vlakken en richtingen We gebruiken verschillende woorden om aan te geven hoe we naar het brein kijken (in 3D). Horizontaal (axiale snede) Van de zijkant (sagitale snede) Vanaf de voorkant (coronale) Check vooral nog even het plaatje hiernaast.

5 Je hebt ook nog rostraal en caudaal: van kop tot staart. Alleen is dat bij de meeste dieren anders dan bij mensen. Bij ons is het omgebogen van rostraal naar caudaal. Dat zie je hier: Richtingstermen voor 3D-oriëntatie Relatief aan de assen van het lichaam of andere hersengebieden: Dorsaal Richting de rug, weg van de ventrale (buik-)zijde. Ventraal Richting de buik, weg van de dorsale (rug-)zijde. Anterieur Naar de voorkant. Posterieur Naar de achterkant. Superieur Boven iets anders. Inferieur Onder iets anders. Lateraal Naar een zijkant, weg van het midden. Mediaal Naar het midden, weg van de zijkant.

6 Relatief aan andere (hersen-) gebieden: Proximaal Dichtbij iets anders. Distaal Verder weg van iets anders. Ipsilateraal Aan dezelfde kant van het lichaam. Contralateraal Aan de andere kant van het lichaam. Vlak van perspectief: Coronaal (frontaal) vlak Perspectief van voren/achteren. Sagittaal vlak Perspectief van de zijkant. Horizontaal (transverse, axiaal) vlak Perspectief van boven/onderaf.

7 Voornaamste componenten van het brein Achterhersenen Medulla, pons en cerebellum. Middenhersenen Deel van de hersenstam, inclusief sensorische en bewegingskernen. Voorbrein Inclusief hemisferen, corpus callosum en subcorticale dieper gelegen structuren (telencephalon en diencephalon). Hersenstam Combinatie van structuren in het voorbrein, middenbrein en achterbrein. Achterbrein Medulla oblongata Verdikte extentie van het ruggenmerg. Draagt bij aan vitale reflexen, schade is vaak fataal. Pons Verdikking boven de medulla (ventraal en anterieur!). Kruising van veel van de neurale banen van beweging en waarneming voor contralaterale verwerking. Cerebellum Kleine hersenen onder en achter de corticale hemisferen (dorsaal en inferieur!). Automatische aspecten van beweging, balans, tijdwaarneming, koppelen van waarneming en beweging, verplaatsen van aandacht. Oorsprong van hersenzenuwen V-XII Hersenzenuwen #5 tot #12.

8 Middenbrein Superieure/inferieure colliculi Dragen bij aan zicht en gehoor. Substantia nigra Draagt bij aan het opstarten van beweging. Oorsprong van hersenzenuwen II-IV. Hersenzenuwen #2 tot #4. Voorbrein Twee corticale hemisferen: Cortex (schors, gevouwen voor meer oppervlak). Vier kwabben (grotendeels contralaterale informatie). Corpus callosum Voornaamste verbinding tussen de hemisferen. Structuren onder de cortex Thalamus Hypothalamus Hypofyse Basale ganglia (Nucleus caudatus, putamen, globus pallidus) Hippocampus Oorsprong 1 e hersenzenuw (reuk)

9 Subcorticale structuren Thalamus Verzameling kleinere kernen, met sensorische en bewegingsdelen. Het is een soort opeenhoping van verschillende nuclï, die eigen functies hebben. Er zitten bewegingsfuncties in, sensorische functies, en misschien het belangrijkste: het fungeert als een soort schakelstation. Sensorische input gaat door de thalamus naar primaire sensorische gebieden, en motor output naar de spieren. Bedenk je dat als het brein een treinnetwerk is, dat de thalamus Utrecht Centraal is. Alles moet daar doorheen. Het is ook een soort poortwachter mechanisme: de thalamus zorgt voor selectie in het doorlaten van signalen en prioritiseert. Dus de thalamus bestaat uit: Verzameling kleinere kernen Sensorische en bewegingsdelen Bewegingsfuncties Sensorische functies Schakelstation Poortwachter mechanisme Hippothalamus Belangrijk voor gedragsregulatie, zoals emotie en motivatie, voedselinname, activitietsniveau, seksueel gedrag, etc. Hypofyse Hormoon-producerende klier die reageert op de hypothalamus. Veel aspecten van gedrag worden hier geregeld.

10 Basale ganglia Ligt iets dieper in de hemisfeer, samen met de thalamus. Putamen, nucleaus caudatus en globus pallidus worden samen de basale ganglia genoemd. Het is primair een motorfunctie. Schade bij ziekten van Parkinson en Huntington. Het is betrokken bij het starten van beweging. Het is ook betrokken in het leren van motor sequenties, ook meer abstract leren van sequenties. Het hangt ook samen met tijdgevoel en ritmegevoel. Dus, de basale ganglia bestaat uit: Putamen, nucleaus caudatus en globus pallidus Motorfunctie Leren van motor sequenties Abstract leren Tijdgevoel Ritmegevoel Hippocampus Vooral belangrijk voor het geheugen. Het hangt samen met de visuele vergelijking met een zeepaardje. Het ligt in de temporale kwab. Het verschrompelt bij patiënten met de ziekte van Alzheimer. Circuits van structuren Over het algemeen werken gebieden samen om complex gedrag te kunnen uitvoeren. Ventrikels en liquor spinalis (ofwel cerebrospinal fluid) De openingen die je ziet worden ventrikels genoemd, ze zijn gevuld met zgh vloeistof. De vloeistof wordt geproduceerd door de gliacellen in de ventrikelwanden. De vloeistof beschermt het brein tegen snelle inslag. Samenvatting deel 1: Structuur van het zenuwstelsel Er zijn twee voornaamste delen van het zenuwstelsel: centraal en perifeer. Centraal = hersenen en ruggenmerg. Perifeer = al het andere (zenuwen en ganglia). Het ruggenmerg verbindt het brein met het lichaam, verstuurt sensorische- en bewegingsinformatie. Tussen elke ruggenwervel komt er een sensorische en motorzenuw vandaan, zowel links als rechts. Het sympathische zenuwstelsel ondersteunt activiteit. Het parasympatische zenuwstelsel ondersteunt ontspanning en minder dringende processen. Het brein kan worden opgedeeld in het achter-, midden- en voorbrein. Achterbrein = medulla, pons en cerebellum. Middenbrein = clusters van kernen die bijdragen aan perceptie en beweging. Voorbrein = corticale hemisferen, subcorticale structuren. Sensorische informatie komt binnen via de thalamus (behalve reuk!)

11 Brein frijdt in liquor spinalis, openingen heten ventrikels. Benaming en termen! Organisatie van de cerebrale cortex Cellagen in de cortex Corticale kwabben Occipitaalkwab Parietaalkwab Temporaalkwab Frontaalkwab Herkenningspunten op de cortex Bindingprobleem Cellagen in de cortex Verschillende soorten neuronen zijn vaak verdeeld in cellagen. Sensorische (input), interneuronen (schakel) en motor (output) neuronen zijn gegroepeerd. De dikte van elke laag is hierdoor verschillend in verschillende delen van de cortex, afhankelijk van de functie. De verschillende soorten neuronen komen dus functioneel wel op dezelfde plek terecht. Neuronen met gerelateerde functies zijn georganiseerd in kolommen. Corticale kwabben We hebben de occipitaalkwab, de parietaalkwab, de temporaalkwab en de frontaalkwab. Primaire sensorische gebieden Er zijn gebieden waar sensorische informatie als eerst terecht komt. Informatie van specifieke zintuigen wordt verwerkt in de primaire gebieden. Primaire sensorische gebieden zijn de eerste plek waar zintuig-specifieke informatie aankomt, via de thalamus. Van daaruit wordt de informatie doorgespeeld en gedetailleerder verwerkt.

12 Herkenbare gyri en sulci Als we naar het hele brein kijken, zien we bulten en groeven op de cortex. Het oppervlak bestaat uit gyri en sulci. Sommige zijn heel herkenbaar, iedereen heeft die. Er zijn enkele herkenbare fissuren, sulci en gyri: Longitudinale fissuur (Verdeling tussen linker en rechter hersenhelft) Centrale sulcus (Tussen de frontale en pariëntale kwab) Laterale fissuur ( Fissuur van Sylvius ) (Tussen de temporaalkwab en pariëntaalkwab) Precentrale gyrus Post-centrale gyrus Occipitaalkwab Striate cortex: primaire visuele cortex. Het eerste corticale station na de thalamus voor de ogen. Gekruiste visuele velden, één hemisfeer krijgt input uit twee ogen! Beide kanten verwerken informatie van het contralaterale visuele veld. Schade zorgt voor corticale blindheid. Parietaalkwab Postcentrale gyrus: primaire somatosensorische cortex. Verwerkt signalen van aanraking en pijn, maar ook informatie uit spieren en gewrichten. Integreert lichaamsinformatie met visuele informatie. Spatiele en numerieke cognitie (hoofdrekenen, voorstellingsvermogen, etc.).

13 Somatosensorische homunculus Homunculus = klein mens. Het laat zien waar je het meest gevoelig bent als mens. Zoals je ziet is de hand en het gezicht ontzettend groot vergeleken met andere plaatsen op het lichaam. Lichaamsrepresentatie op de somatosensorische strip in parietaalkwab: somatotopie. Niet elk lichaamsdeel is even groot, sommige delen zijn véél gevoeliger. Temporaalkwab Primaire auditieve cortex. Het bevat complexe aspecten van visuele perceptie, zoals objectherkenning. Ook zit er een geheugenfunctie, want de hippocampus zit in de temporaalkwab genesteld. Frontaalkwab Presentrale gyrus: primaire motor cortex. Het laatste station voordat het naar de spieren gaat. Het is primair waar de spieren worden aangedreven. Motor planning gebieden. Prefrontale cortex: ondersteunt verschillende functies (werkgeheugen, planning, respons initiatie of inhibitie, impulse controle). Motor vs. somatosensorische homunculus Motor hoe precies je bewegingen kunt uitvoeren.

14 Sensorisch hoe gevoelig plekken zijn. De plekken die gevoelig zijn, zijn motorisch niet altijd even goed. Bindingprobleem Hoe integreren we informatie? Dat is nog niet geheel duidelijk! The binding problem: integratie probleem. We nemen een geïntegreerd beeld waar als verschillende bronnen van informatie samenkomen in tijd en plaats. Het brein kan gemakkelijk voor de gek gehouden worden! Kleine onregelmatigheden worden vaak over het hoofd gezien. Samenvatting deel 2: Organisatie van de hersenschors Hersengrootte varieert enorm tussen diersoorten, maar grove indeling is vergelijkbaar. Primaten hebben een relatief grote cortex. Corticaal weefsel bestaat uit 6 lagen neuronen die functioneel verschillen. Occipitaalkwab is primair verantwoordelijk voor visuele perceptie. Parietaalkwab verwerkt waarnemingen uit het lichaam en integreert informatie. Temporaalkwab draagt bij aan gehoor, geheugen, emotie, aspecten van visuele perceptie. Frontaalkwab organiseert gedrag; fijne motoriek maar ook verschillende cognitieve functies. Prefrontale cortex is met name belangrijk voor planning en impulscontrole! Met het binding problem doelen we op het integreren van informatie vanuit de verschillende zintuigen om een coherent percept te vormen. Samenkomst in plaats en tijd! Onderzoeksmethoden Er zijn verschillende manieren om te leren hoe het brein werkt: Het effect van hersenschade: lesie methode Het effect van hersenstimulatie Het meten van neurale activiteit tijdens gedrag Het relateren van anatomie aan gedrag

15 Hersenschade Normale veroudering (atrofie) Tumoren Vasculair (beroerte) Trauma (ongelukken) Ontwikkelingsstoornissen, soms erfelijk Inclusief neurodegeneratieve stoornissen Toxiciteit (zoals alcoholgebruik tijdens de ontwikkeling) Infecties (zoals viraal, bacterieel) Operaties (bijvoorbeeld voor epilepsie) Er is altijd een gelegenheid om onderzoek te doen, maar elke patiënt en elk schadepatroon is uniek! De dokter, en soms de patiënt, kunnen beroemd worden om de vondsten die zijn gedaan. Meten van hersenactiviteit Transcraniele magnetische stimulatie: TMS. Interfereert met de activiteit van een specifiek gebiedje: simuleert een lesie! Non-invasief, omkeerbaar. Door gedrag te meten met en zonder de beschikbaarheid van een bepaald hersengebied, kunnen causale verbanden worden aangetoond. Maar Het is een onnatuurlijke situatie. Natuurlijke, veranderende patronen Binnen de structuur van het brein zijn er meetbare veranderende patronen, zoals Elektrische signalen Zuurstofgebruik Neurotransmitters en hormonen Etc. Manieren om hersenactiviteit te meten Elektrische signalen: EEG (Electroencephalographie) Elektroden in een kapje meten kleine elektrische stroomstootjes op de hoofdhuid. Stroompjes zijn het gevolg van vele actiepotentialen. MEG (Magnetoencephalographie) Meet magnetische velden gerelateerd aan diezelfde actiepotentialen. Bloed toevoer en zuursttofgebruik: Positron-Emission Tomography Meet het verval van geïnjecteerde radioactieve stof en laat zien waar het bloed naartoe gaat.

16 fmri (Functionele Magnetic Resonance Imagery) Meet veranderingen in zuurstofniveau als gebieden actief worden. Correlationele methodes En nog meer! Relateren van neurale activiteit aan gedrag CAT (Computerized Axial Tomography) Toont hersenstructuur door middel van röntgenstralen en een geïnjecteerde contrastvloeistof. Dit is gebruikelijk in ziekenhuizen. MRI (Magnetic Resonance Imagery) Maakt hoog-resolutie 3D-beelden van de hersenen. Dit is steeds gebruikelijker, maar wel veel duurder! Mensen met specifieke eigenschappen verschillen soms ook wat betreft hun hersenstructuur. Bijvoorbeeld: taxichauffeurs in Londen. Maguire & collega s lieten zien dat chauffeurs een groter hippocampus-volume hadden dan buschauffeurs. Over het algemeen: moeilijk te interpreteren. Is het nature of nurture? Conclusies gebaseerd op hersenmetingen Veel studies tonen tegenstrijdige resultaten! Hoe krijgen we nu bevindingen die we kunnen vertrouwen? Robuuste statistische methodes zijn nodig om gigantische datasets te beheren. Pas op met interpretaties, vooral correlatie/causatie! Maak geen assumpties over de rol van een hersengebied: de verdeling van functies is niet 1- op-1. Grotere steekproeven verkleinen de kans op vals-positieven. Goede subject-selectie helpt ook! Denk aan leeftijdsgroep, geslacht, expertise, etc. Veel replicaties nodig, liefst uit verschillende labs en scanners. Voorbeeld: intelligentie en hersengrootte Intuïtief idee: een groter brein is beter. Maar: noch absolute, noch relatieve hersengrootte van de mens verklaart verschillen in cognitief vermogen met andere dieren. Toenames in meetmethodes staan preciezere metingen toe dan ooit, en laten een matig verband zien tussen IQ en hersengrootte, maar: De resultaten zijn binnen specifieke groepen, bijvoorbeeld mannen/vrouwen en jong/oud. Over groepen verdwijnt het verband. De verschillen tussen deze groepen zijn dermate groot dat een simpel groter = beter - verband de resultaten niet verklaard.

17 Deel 3: Onderzoeksmethoden Samenvatting Bij hersenschade kunnen we heel direct iets leren over de functies van het beschadigde gebied. Alleen: elke patiënt en zijn/haar schadepatroon is uniek! Lesies kunnen worden gesimuleerd met TMS. Dit is non-invasief en omkeerbaar. Hersen-gedrag relaties worden zichtbaar door te kijken naar de neurale activatie tijdens een taak. Verschillende methodes beschikbaar, zoals EEG, MEG en fmri. Neuroanatomische verschillen zijn soms ook gerelateerd aan gedragsverschillen. De oorzaak is vaak onbekend, tenzij je longitudinaal kan kijken: verschillende meetpunten in. Sommige resultaten geven aan dat er een relatie is tussen hersengrootte en intelligentie, maar er is nog veel onduidelijkheid. Het is zeker geen simpel groter=beter -verband. Het interpreteren van hersenmetingen is erg complex. Algemene punten Bij het leren van hersenanatomie komen een hoop nieuwe woorden kijken. Vind je eigen ezelsbruggetjes: vooral herhaling helpt. Hersenanatomie is in 3D: richtingstermen helpen je navigeren. Als we naar functie kijken, kijken we ook over tijd (4D). De meest complexe functies zitten niet in één gebied, maar worden ondersteund door een netwerk van verbonden structuren. Dit komt in de komende colleges verder aan de orde. Herhalen, herhalen, herhalen!