COMPLEXITEIT EN PLASTICITEIT VAN DE HERSENEN Naam: Klas: Datum:
INLEIDING De hersenen kun je zien als het besturingssysteem van je lichaam. Ze ontvangen en verwerken informatie en sturen signalen uit naar de rest van het lichaam. De hersenen bestaan dan ook uit een complex netwerk van zenuwcellen, dat in de meeste gevallen gesmeerd werkt. In deze module leer je meer over de complexiteit van de hersenen. Ook zul je zien dat de hersenen niet statisch zijn, zoals lang werd gedacht, maar dat ze veranderingen ondergaan. Om de hersenen goed en flexibel te kunnen laten werken, is het belangrijk om ze gezond te houden. Je verdiept je in factoren die hier belangrijk voor zijn. OPDRACHT 1: KNAPPE KOP De hersenen zijn onderdeel van het centrale zenuwstelsel. Het centrale zenuwstelsel bestaat uit de grote hersenen, kleine hersenen, de hersenstam en het ruggenmerg. De zenuwen vormen het perifere zenuwstelsel. Deze opdracht gaat in op de bouw van de hersenen en functies van bepaalde hersengebieden. Ook doe je kleine testjes om te ontdekken waar je hersenen onder andere goed in zijn en wat ze juist lastig vinden. De opdracht is bedoeld om voorkennis op te halen en vormt een voorbereiding op de rest van de module, waarin je als hersenwetenschapper aan de slag gaat. 1.1 In de twee afbeeldingen hieronder is een verticale doorsnede van het hoofd van een mens weergegeven. Verbindt de termen tussen de afbeeldingen met de juiste plaats in de afbeelding(en). Maak eventueel gebruik van: http://www.bioplek.org/animaties/zenuwstelsel/zenuwennieuw.html Kleine hersenen Grote hersenen Sensorische cortex Auditieve cortex Ruggenmerg Motorische cortex Hersenstam Visuele cortex Corpus callosum Figuur 1.1. Verticale doorsnede hoofd mens. Bron: www.bioplek.org Bioplek Pagina 1
1.2 Vul de ontbrekende woorden in onderstaande zinnen in. Gebruik eventueel de volgende website: https://www.hersenstichting.nl/alles-over-hersenen/de-hersenen/hersenen-in-het-kort A. De hersenen zijn opgebouwd uit miljarden., die bestaan uit een cellichaam en uitlopers. B. Het.. verbindt de linker- en rechterhersenhelft met elkaar. C. De.. stof bestaat uit de cellichamen. D. De.. stof bestaat uit de zenuwuitlopers. E. De lange uitlopers van zenuwcellen worden genoemd. De kortere uitlopers heten. F. De plaats waar zenuwcel A via neurotransmitters communiceert met zenuwcel B wordt een genoemd. Je hersenen ontvangen signalen op uit de omgeving, verwerking die signalen, en sturen vervolgens weer signalen naar andere lichaamsdelen. Dit alles gebeurt razend snel en goed gecontroleerd. De hersenen zijn een heel knap orgaan, maar wat gaat ze goed af en wat vinden ze lastig? Ervaar het zelf. 1.3 Lees de volgende tekst. A. Hoe ging het lezen? B. Hoe denk je dat dit komt? Bedenk en formuleer een hypothese. Pagina 2
1.4 Bekijk de afbeelding hiernaast. A. Wat zie je in de afbeelding?........................................................................................................ B. Wat kun je daaruit concluderen? 1.5 Probeer zo snel mogelijk hardop te zeggen welke kleur je ziet. Vorm een groepje van drie en hou allemaal bij hoe lang je er over doet. A. Wie was het snelste? Hoe vond je het gaan? B. Kun je hier een mogelijke verklaring voor geven? In deze opdracht heb je je voorkennis over de hersenen opgehaald. Ook heb je gezien dat je best een knappe kop hebt. In de volgende opdrachten stap je in de rol van hersenwetenschapper, om zo meer over de hersenen en hersenonderzoek te weten te komen. Pagina 3
OPDRACHT 2: HERSENEN IN BEELD Om meer over de werking van de hersenen te weten te komen, kun je als hersenwetenschapper allerlei scantechnieken gebruiken. Deze technieken meten verschillende zaken en geven andere beelden. In deze opdracht maak je kennis met enkele scantechnieken, zodat je in de volgende opdracht de hersenscans kunt interpreteren. 2.1 Vorm een groepje van drie leerlingen en verdeel de scantechnieken uit de tabel op de volgende bladzijde in je groepje. Schrijf eerst de volledige naam van de scantechniek onder de afkortingen. 2.2 Ieder groepslid vult de tabel in voor twee scantechnieken. Maak gebruik van het artikel op kennislink.nl en de website van de hersenstichting: http://www.kennislink.nl/publicaties/hersenscans-wat-meten-ze-nou-precies https://www.hersenstichting.nl/alles-over-hersenen/hersenaandoeningen/ onderzoekstechnieken-en-behandelingen/pet 2.3 Wissel in je groepje de informatie uit, zodat iedereen een volledig ingevulde tabel heeft. Pagina 4
T e c h - niek MRI fmri DTI EEG PET TMS Waarvoor gebruik je deze techniek? Wat voor soort beeld krijg je? Eventuele voor- en nadelen van de techniek Pagina 5
OPDRACHT 3: PLASTICITEIT VAN DE HERSENEN Lange tijd werd gedacht dat volwassen hersenen statisch zijn. Nadat de hersenen volledig ontwikkeld zijn, zouden er geen veranderingen meer optreden, en eenmaal beschadigde hersencellen zouden niet meer kunnen herstellen of terug kunnen komen. Het blijkt echter dat de hersenen veel plastischer zijn dan eerder werd gedacht. Maar hoe plastisch zijn je hersenen eigenlijk? In soapseries komen scenes voor waarin verlamde mensen weer leren lopen. Hoe realistisch is dat? En wat kun je aan plasticiteit zien op een hersenscan? Als echte hersenwetenschapper trek je in deze opdracht aan de hand van verschillende experimenten, afbeeldingen en hersenscans conclusies over de plasticiteit van de hersenen. PLASTICITEIT Plasticiteit van de hersenen komt tot uiting in de ontwikkeling, bij leren en bij herstel na hersenschade. In het algemeen verstaan we onder plasticiteit: het vermogen van de hersenen om zich aan te passen aan veranderingen. Bij de ontwikkeling ontstaan nieuwe zenuwcellen en nieuwe verbindingen tussen zenuwcellen. Door leren ontstaan bepaalde voorkeurswegen in het neurale netwerk, en bij herstel kunnen soms nieuwe routes worden gebruikt. 3.1 In de afbeelding hieronder is het principe van plasticiteit in deze drie situaties weergegeven. In de afbeelding van herstel is echter wel de beschadiging weergegeven (als vlek over het beschadigde gebied), maar niet het herstelmechanisme. Teken in de afbeelding hoe de functie wordt hersteld. Figuur 3.1. Neurale plasticiteit. Uit: Dr. Ben van Cranenburgh Toegepaste neurowetenschappen (deel 1) (aangepast met toestemming). Pagina 6
PLASTICITEIT EN LEREN Om in kaart te brengen of er in de hersenen zichtbaar iets verandert bij het leren van een taak, werk je met onderstaande proefopstelling. Het proefdier (de aap) moet met zijn tweede en derde vinger het schijfje laten draaien. Dit lukt alleen als de aap met precies de juiste kracht op het schijfje drukt. Als het schijfje draait, krijgt de aap een beloning in de vorm van een stukje banaan. Voorafgaand aan de training (B,C in de afbeelding) en na afloop van de training (D,E in de afbeelding) heb je gekeken welke zenuwcellen in de sensorische schors horen bij de verschillende vingers van de aap. Dit worden ook wel projectiegebieden genoemd. Figuur 3.2. De bananenautomaat. De cijfers 1 t/m 5 stellen de 5 vingers voor. d = distaal (vingertop), m = midden en p = proximaal (deel van de vinger dichtbij de handpalm). Uit: Dr. Ben van Cranenburgh Toegepaste neurowetenschappen (deel 1). 3.2 Wat kun je aan de hand van dit experiment concluderen over de invloed van training op de projectiegebieden van de verschillende vinger(delen) in de hersenen? Let daarbij niet specifiek op de donker gekleurde vlakken in de afbeelding. Pagina 7
Ook bij het leren van niet-motorische vaardigheden treden er veranderingen op in de hersenen. Zo ook bij het leren van een tweede taal, zoals Engels, Duits of Frans door jongvolwassenen. Deze veranderingen verdwijnen later in het leertraject weer, mogelijk omdat je dan zo goed in de taal bent geworden, dat de verwerking van de nieuwe taal lijkt op die van de verwerking van je moedertaal. Twee soorten veranderingen die kunnen optreden, zijn functionele veranderingen en structurele veranderingen. In je onderzoek heb je op verschillende tijden tijdens het leertraject scans gemaakt van de hersenen van je proefpersonen. Je vindt verschuivingen in verbindingen tussen gebieden die belangrijk zijn bij taalverwerking. 3.3 Gaat het hier om een functionele of een structurele verandering? Leg je antwoord uit. 3.4 Leg uit welke techniek uit opdracht 2 je hebt gebruikt om dit resultaat te vinden. PLASTICITEIT EN HERSTEL In opdracht 3.1 heb je al kennis gemaakt met één vorm van herstel in de hersenen. Er zijn echter nog meer manieren waarop herstel kan plaatsvinden. Dit is te zien in de volgende afbeelding. Figuur 3.3. Manieren van herstel. De rode vlek geeft de plaats aan waar schade is opgetreden. De groene en blauwe gebieden geven hersengebieden weer. A stelt de taak schrijven voor. B is een alternatief voor schrijven. Bron: Dr. Ben van Cranenburgh Hersen-Herstel poster (aangepast met toestemming). Pagina 8
3.5 In figuur 3.3 ontbreekt de uitleg van de verschillende herstelmechanismen. Trek een lijn tussen de nummers links en de juiste uitleg rechts. De nummers komen overeen met de nummers in de figuur. 1a Compensatie: een ander lichaamsdeel / een andere strategie wordt gebruikt om de taak uit te voeren. 1b Neurale reactivatie: hersendelen die in een zogenaamde neurale shock zijn geraakt worden gereactiveerd. 2 Neurale reorganisatie: Andere hersengebieden leren de taak uit te voeren. 3 Omgevingsaanpassing: Er wordt een andere taak uitgevoerd (bijvoorbeeld typen i.p.v. schrijven). 4 Neurale reorganisatie: Andere banen worden ingezet om de taak te kunnen uitvoeren. In de wetenschap wordt gebruik gemaakt van modelorganismen. Dat was in de proefopzet bij opdracht 3.1 een aap. Om herstel na hersenschade te onderzoeken, kun je hersenscans van patiënten gebruiken. Echter ben je dan erg afhankelijk van de patiënten die beschikbaar zijn en mee willen werken aan onderzoek. Om gerichter onderzoek te kunnen doen, kun je ook hersenschade induceren in rattenhersenen. Aan de hand daarvan kan je dan kijken of en wat voor herstel er mogelijk is. 3.6 De volgende afbeeldingen zijn scans of plaatjes van de hersenen van een mens of een rat. Elke afbeelding geeft een mechanisme van herstel weer. Geef voor elke afbeelding aan van welk herstelmechanisme uit figuur 3.3 sprake is. Doe dat door er 1a, 1b, 2, 3 of 4 bij te zetten. Figuur 3.4. Hersengebieden voor horen, zien en voelen bij een normaal individu (boven) en bij een blind, doof of gevoelloos individu (onder). Uit: Dr. Ben van Cranenburgh Toegepaste neurowetenschappen (deel 4). Herstelmechanisme:............................... Pagina 9
COMPLEXITEIT EN PLASTICITEIT VAN DE HERSENEN Figuur 3.5. Gedeeltelijk herstel na een halfzijdige verlamming. De zwarte vlek geeft de plaats van hersenschade weer. Pijlen geven weer hoe activatie van hersengebieden plaatsvindt. Uit: Dr. Ben van Cranenburgh Toegepaste neurowetenschappen (deel 4). Herstelmechanisme:... Figuur 3.6. Activiteit bij het bewegen van de rechterhand. Links: normale proefpersonen, rechts: patiënten die een verlamming aan de rechterhand hadden, maar herstelden door intensief oefenen. Boven: rechter hersenhelft, onder: linker hersenhelft. Uit: Dr. Ben van Cranenburgh Leven na hersenbeschadiging. Herstelmechanisme:... Pagina 10
Figuur 3.7. Herstel na een geïnduceerd herseninfarct bij een rat. Boven: normale activiteit, midden: activiteit 3 dagen na het infarct, onder: activiteit 14 dagen na het infarct. CBV = cerebraal bloedvolume, wat een maat is voor de neurale activiteit. De kleuren geven van paars naar geel een toenemende mate van activatie aan. Bron: Dijkhuizen (UMCU). Herstelmechanisme:............................... Figuur 3.8. Hersengebieden die betrokken zijn bij hardop spreken. A: normaal individu, C: individu met de hersenschade zoals weergegeven in B. Uit: Dr. Ben van Cranenburgh Toegepaste neurowetenschappen (deel 4). Herstelmechanisme:............................... Figuur 3.9. Herstel na een laesie (beschadiging) bij b. De hoofdletters geven zenuwcellen en uitlopers weer. a geeft een uitgroeiende uitloper weer. Uit: Dr. Ben van Cranenburgh Toegepaste neurowetenschappen (deel 4). Herstelmechanisme:............................... Pagina 11
COMPLEXITEIT EN PLASTICITEIT VAN DE HERSENEN Figuur 3.10. Herstel na een geïnduceerd herseninfarct bij een rat. Links: 1 week na het infarct, rechts: 10 weken na het infarct. Bron: Dijkhuizen (UMCU). Herstelmechanisme:... Naar twee scans uit de voorgaande opdracht ga je wat beter kijken. Hieronder staan nogmaals de scans weergegeven van de hersenactiviteit bij beweging van de rechterhand. Figuur 3.11. Activiteit bij het bewegen van de rechterhand. Links: normale proefpersonen, rechts: patiënten die een verlamming aan de rechterhand hadden, maar herstelden door intensief oefenen. Boven: rechter hersenhelft, onder: linker hersenhelft. Uit: Dr. Ben van Cranenburgh Leven na hersenbeschadiging. De scans in figuur 3.11 zijn gemaakt met een fmri-scanner. Pagina 12
3.7 Wat meet je met een fmri-scanner, en waarom zegt dat iets over de activiteit van de hersenen? Gebruik eventueel het artikel op kennislink.nl: http://www.kennislink.nl/publicaties/hersenscans-wat-meten-ze-nou-precies 3.8 Waarom neem je bij normale proefpersonen voornamelijk activiteit in de linker hersenhelft waar? 3.9 Welk gebied licht bij de normale proefpersonen op? 3.10 Wat kun je concluderen uit de scan van de patiënt? Hieronder staat de scan van de hersenen van een rat nogmaals weergegeven. Tevens zie je in het ingezoomde deel het corpus callosum aangegeven. Figuur 3.12. Herstel na een geïnduceerd herseninfarct bij een rat. Links: 1 week na het infarct, rechts: 10 weken na het infarct. Bron: Dijkhuizen (UMCU). Pagina 13
3.11 Welke scantechniek uit opdracht 2 is gebruikt om deze scan te maken? Leg je antwoord uit. 3.12 Wat meet je precies met de gebruikte techniek? Gebruik eventueel het artikel op kennislink.nl: http://www.kennislink.nl/publicaties/hersenscans-wat-meten-ze-nou-precies CASUS Je krijgt een patiënt te zien die een herseninfarct heeft gehad, en nu een visueel getoond voorwerp (bijvoorbeeld een lepeltje) niet kan benoemen. In onderstaande afbeelding zijn de hersengebieden en zenuwbanen weergeven die betrokken zijn bij het benoemen van een visueel getoond voorwerp. Ook is de plaats van het infarct weergegeven. Figuur 3.13. Hersengebieden en zenuwbanen die betrokken zijn bij het benoemen van een visueel getoond voorwerp. De grijze vlek geeft de laesie weer. Uit: Dr. Ben van Cranenburgh Toegepaste neurowetenschappen (deel 1). Gebied 1 is betrokken bij het herkennen van het lepeltje, gebied 2 is betrokken bij de woordvinding. 3.13 Wat zal de functie van gebied 3 zijn? Pagina 14
Door testjes te doen met de patiënt, kun je zonder scan te maken al aardig bepalen waar de laesie zich bevindt. Zo kun je bijvoorbeeld het theelepeltje laten zien en vragen of de patiënt een beweging wil maken die daarbij hoort. Als de patiënt een roerbeweging maakt, weet je dat hij/zij het voorwerp visueel heeft herkend. De laesie bevindt zich dan dus niet in gebied 1. 3.14 Geef zelf nog een ander proefje die je kunt gebruiken om de laesie te lokaliseren zonder een scan te maken. 3.15 Welk mechanisme van herstel zou bij deze patiënt nodig zijn om volledig herstel te krijgen? Leg je antwoord uit. OPDRACHT 4: HOE HOUDEN WE ONZE HERSENEN GEZOND? De laatste tijd beseffen we steeds meer hoe belangrijk het is om onze hersenen gezond te houden. De leeftijdsgrens voor het drinken van alcoholische dranken en het roken van sigaretten is opgeschroefd naar 18 jaar, en het dragen van een helm wordt aanbevolen of is soms zelfs verplicht. Maar hoe hou je je hersenen gezond? Daar gaat deze opdracht over. Als hersenwetenschapper vind je het belangrijk om jongeren bewust te maken van factoren die nodig zijn om hun hersenen gezond te houden. Je maakt daarom voorlichtingsmateriaal voor onderbouwleerlingen. 4.1 Wat kunnen jullie als team hersenwetenschappers al bedenken aan factoren die een positieve of negatieve invloed hebben op de vitaliteit van je hersenen? Vorm een drietal en maak een woordweb in het volgende kader. Pagina 15
4.2 Verdiep je nu in je groepje in factoren die de hersenen gezond houden. Maak hierbij tenminste gebruik van de volgende website: https://www.hersenstichting.nl/alles-over-hersenen/de-hersenen/gezonde-hersenen Maak hieronder aantekeningen: 4.3 Maak met je groepje voorlichtingsmateriaal voor onderbouwleerlingen, waarin je ze bewust maakt van het belang van gezonde hersenen, en ze tips geeft om hun hersenen gezond te houden. Je mag zelf een vorm bedenken. Je kunt bijvoorbeeld denken aan een filmpje van 1-2 minuten, een flyer, een poster, een webpagina, etc. Let erop dat de inhoud van het materiaal biologisch gezien correct is, dat het qua niveau aansluit bij de doelgroep en dat het aansprekend is. Pagina 16
OPDRACHT 5: WIE IS DE SLIMSTE HERSENWETENSCHAPPER? In deze opdracht gaan jullie in teams van hersenwetenschappers de strijd met elkaar aan. Welk team van hersenwetenschappers weet het meeste over de hersenen en over hersenfeitjes? Elk team maakt vragen voor de grote hersenquiz. Met je eigen vragen heb je dus voordeel, maar hoeveel succes hebben jullie met de vragen van de andere teams? 5.1 Bedenk in je groepje van drie leerlingen twee vragen voor de quiz. De vragen moeten gaan over feiten over de hersenen en/of over weetjes die te maken hebben met het gezond houden van de hersenen. Denk bijvoorbeeld aan een vraag als: licht de linkerhersenhelft op in een scanner als je goed bent in rekenen? (deze vraag mag nu niet meer!). Zorg dat de vraag met ja/nee, juist/onjuist, of A, B, C, D te beantwoorden is. Geef ook een uitleg bij de antwoorden op jullie vragen. 5.2 Lever je quizvragen in bij je docent, en ga tijdens de quiz de strijd aan met de andere teams! De quiz gaat als volgt: De docent leest de vraag voor. Als team bepaal je het antwoord. Het antwoord is ja of juist? Steek dan het groene papiertje in de lucht. Het antwoord is nee of onjuist? Steek dan het rode papiertje in de lucht. Bij een multiple choice vraag steek je het papiertje met de juiste letter omhoog. Het team dat de vraag heeft bedacht ligt het antwoord vervolgens toe. Pagina 17
OPDRACHT 6: HERSENS OP SCHOOL (OPTIONEEL) Deze opdracht maak je alleen als je na deze module bezoek krijgt van Hersens op school. Er komen dan echte hersenwetenschappers op school langs. Bedenk een vraag die je aan de hersenwetenschappers zou willen stellen. Schrijf die hieronder op: De Hersenstichting wil actief bijdragen aan gezonde hersenen. Hoe meer we van de hersenen begrijpen, hoe beter we ze gezond kunnen houden. Daarom laten we wetenschappelijk onderzoek doen, voeren we innovatieve projecten uit en dragen we bij aan goede patiëntenzorg. Pagina 18