Hoofdstuk 11 Hogere cerebrale functies Intermezzo 11.1 De activiteitstoestand van de cortex cerebri kan worden afgeleid 2 uit het elektro-encefalogram Intermezzo 11.2 Het reward -systeem van de hersenen 3 Intermezzo 11.3 De anatomie van het limbische systeem 4 Intermezzo 11.4 Niet-invasieve beeldvorming van structuur en functie van 5 de hersenen bij de mens: MRI en PET Intermezzo 11.5 Afasie, een communicatieprobleem 7 Intermezzo 11.6 Het gespleten brein ( split brain ) 8 Aanvullend materiaal bij Bouman/Boddeke/Muntinga: Leerboek medische fysiologie. http://extras.bsl.nl/leerboekmedischefysiologie 1
Intermezzo 11.1 De activiteitstoestand van de cortex cerebri kan worden afgeleid uit het elektro-encefalogram Door plaatsing van afleidelektrodes op de hoofdhuid kan men elektrische activiteit registreren die het gevolg is van de activiteit van een groot aantal onderliggende corticale neuronen: het EEG of elektro-encefalogram. Overeenkomstig met het ECG is dit dus niet de elektrische activiteit van de individuele zenuwcellen, maar de voortgeleide activiteit van een neuronaal netwerk. Hiermee kan onder andere een verschil in dag- en nachtactiviteit van de hersenen worden geregistreerd. Als tijdens waken de hersenschors in rust is, zoals in de visuele schors wanneer men de ogen gesloten houdt, verschijnt er een ritmisch activiteitspatroon van zogenoemde α-golven met een relatief hoog voltage, die een frequentie hebben van 10 Herz (Hz)/s (8-12 Hz/s) (figuur 11.1.1). Als men bedenkt dat het gebied onder de elektrode vele duizenden neuronen omvat, kan een dergelijk ritmisch patroon alleen verschijnen als het grootste deel van deze neuronen zich synchroon ontlaadt met een frequentie van 10 Hz. Wij spreken dan ook van synchronisatie. Zouden ze zich at random ontladen, dan zou de ritmiek onmiddellijk verdwijnen, zoals gebeurt bij een groep militairen die plotseling uit de pas gaat lopen. Worden de ogen geopend, dan gaat het α-ritme onmiddellijk over in een β-ritme, dat gekenmerkt wordt door veel kleinere uitslagen van hogere frequenties (15-30 Hz). Wij spreken dan van desynchronisatie. Worden de ogen weer gesloten, dan maakt het β-ritme weer plaats voor het α-ritme. Figuur 11.1.1 Het elektro-encefalogram (EEG) onder verschillende omstandigheden. A In wakkere toestand met dichte (α-ritme) of geopende (β-ritme) ogen. B Het EEG in rust en bij verschillende slaapdiepten. Aanvullend materiaal bij Bouman/Boddeke/Muntinga: Leerboek medische fysiologie. http://extras.bsl.nl/leerboekmedischefysiologie 2
Intermezzo 11.2 Het reward -systeem van de hersenen Elektrische prikkeling op verschillende plaatsen in het limbische systeem veroorzaakt aangename (rewarding) of onaangename (aversieve) gevoelens. Om dit te bestuderen worden bij proefdieren onder narcose elektrodes in de te onderzoeken kernen geïmplanteerd. Zijn deze aangebracht in structuren die bij het dier aangename gevoelens opwekken en kunnen de dieren als ze uit de narcose zijn ontwaakt zelf een stroom door de elektrodes sturen door op een hefboompje te drukken, dan zullen ze nadat ze dit ontdekt hebben in eindeloze herhaling op het hefboompje blijven drukken, waarbij andere behoeften zoals eten, drinken en slapen volkomen worden genegeerd. Uit het onderzoek is verder gebleken dat vooral dopaminerge neuronen bij de beloning betrokken zijn. De nucleus accumbens is hierbij als centre of reward van belang gebleken. Ook bij patiënten bij wie tijdens een operatie het hersenoppervlak is blootgelegd en die uit de narcose bij bewustzijn zijn gebracht zodat met hen kon worden gecommuniceerd, zijn centra in het limbische systeem elektrisch geprikkeld prikkeling van hersenweefsel veroorzaakt geen pijn waarbij vergelijkbare resultaten werden verkregen. In dit gebied ligt ook het aangrijpingspunt voor verslavende stoffen zoals opiaten, alcohol, nicotine, cocaïne en amfetamine. Zijn de elektrodes aangebracht op een plaats die onaangename gevoelens opwekt, dan zal het dier na de eerste aanrakingen het contact met het hefboompje vermijden (avoidance reaction). Aanvullend materiaal bij Bouman/Boddeke/Muntinga: Leerboek medische fysiologie. http://extras.bsl.nl/leerboekmedischefysiologie 3
Intermezzo 11.3 De anatomie van het limbische systeem Het limbische systeem is het fylogenetisch oudste deel van het telencephalon en werd vroeger wel het rhinencephalon genoemd vanwege de bij de meeste dieren bestaande directe relatie met het reukorgaan. De naam is gebaseerd op de ligging als een randzone (limbus) rond de plaats waar de hersenhemisferen vanuit de primitieve neurale buis zijn ontstaan. Het dichtst rond de hilus van de hemisfeer bevindt zich de allocortex die slechts uit drie cellagen bestaat; daaromheen ligt een tweede laag, de juxtallocortex die de overgang vormt naar de neocortex die zes cellagen telt. De verbindingen van de hypothalamus met het limbische systeem zijn redelijk goed bekend. Er bestaat een circuit het circuit van Papez tussen de hypothalamus en het limbische systeem (figuur 11.6B in het boek) dat bij de gedragsregulatie betrokken is. Dit circuit staat in verbinding met vele delen van de neocortex, in het bijzonder met de frontale en temporale kwabben. Via de associatiegebieden van de prefrontale cortex komen impulsen binnen in de gyrus cinguli, die parallel loopt aan het corpus callosum. Van hieruit bestaat er een verbinding naar de hippocampus (waarvan in par. 11.1 duidelijk is geworden dat hij betrokken is bij de geheugenvorming). De hippocampus staat via de fornix in verbinding met het corpus mammillare van de hypothalamus en dat staat via de tractus mammillothalamicus weer in contact met de voorste thalamuskernen. Andere structuren van het limbische systeem, waaronder de amandelkern (amygdala, diep in de temporale kwab) en de nucleus accumbens (het limbische deel van de basale kernen) vormen kleinere lussen binnen deze hoofdkringloop. De formatio reticularis, die van alle binnenkomende sensorische vezelbanen collateralen ontvangt en verantwoordelijk is voor de regulatie van het bewustzijn (zie par. 11.2.3), geeft eveneens impulsen af aan het limbische systeem. Aanvullend materiaal bij Bouman/Boddeke/Muntinga: Leerboek medische fysiologie. http://extras.bsl.nl/leerboekmedischefysiologie 4
Intermezzo 11.4 Niet-invasieve beeldvorming van structuur en functie van de hersenen bij de mens: MRI en PET Met behulp van geavanceerde computertechnieken is het mogelijk om bij de levende mens de structuur van het centrale zenuwstelsel en de mate van stofwisseling van de verschillende hersengebieden met behulp van stralingsmeting te bepalen. De techniek voor het zichtbaar maken van de structuren binnen de schedel heet magnetic resonance imaging (MRI), verschillen in stofwisselingsgraad kunnen zichtbaar worden gemaakt en gemeten met behulp van positronemissietomografie ofwel een PET-scan. Dankzij het niet-invasieve karakter van beide methoden die bij bewustzijn toegepast kunnen worden, is baanbrekend onderzoek verricht naar complexe cognitieve functies zoals geheugen, taalgebruik en emoties. Wij zullen deze geavanceerde methoden daarom hier kort beschrijven. Beide methoden maken gebruik van tomografie (letterlijk: snijvlaktekening), een techniek waarbij door draaiing van een stralingsbron een doorsnede door een orgaan kan worden gemaakt, waarbij de structuren buiten het snijvlak vervagen. Uit de diverse snijvlakken kan met behulp van een computer vervolgens een driedimensionaal beeld worden verkregen (computertomografie). Met MRI kunnen chemische verschillen in de samenstelling van verschillende structuren worden afgebeeld en vervolgens gereconstrueerd tot een compleet beeld. Bij deze methode maakt men gebruik van de eigenschap dat atoomkernen met een oneven lading door de ongelijkmatige verdeling van de kernlading in een draaiende beweging komen (kernspin) als ze worden blootgesteld aan een sterk magnetisch veld. De as waaromheen de draaiing plaatsvindt, richt zich naar het magnetisch veld, zodat deze van alle atomen dezelfde kant op gericht is. Dit kan veranderen door een korte puls van radiogolven met een bepaalde kritische golflengte die verschillend is voor verschillende verbindingen door het materiaal te sturen. Hierdoor worden de atomen uit balans gebracht, zodat de as van de draaiing per atoomkern verschillend is. Na de puls herstelt de draaiing zich (kernspinrelaxatie), maar terwijl de as terugkeert naar zijn oorspronkelijke stand, zendt het atoom radiogolven uit (resonantie). De frequentie en de duur van dit signaal zijn eveneens afhankelijk van de verbinding waarin de uitzendende atomen zich bevinden. Doordat de verhouding van de bouwstenen en de samenstelling van de verschillende delen van het zenuwstelsel voldoende van elkaar verschillen, is het mogelijk het uitgezonden signaal met behulp van een computer om te zetten in een tweedimensionale doorsnede door het zenuwstelsel en die vervolgens te integreren tot een complete driedimensionale afbeelding, waarin alle grotere structuren kunnen worden onderscheiden. Op deze afbeelding kan men onder andere afwijkingen in ligging of omvang van hersenen en hersenstam waarnemen, of de aanwezigheid van tumoren vaststellen. Bovendien is het mogelijk de techniek te combineren met de hieronder te bespreken PET, waarmee functieverschillen kunnen worden vastgesteld. Naast deze structurele beeldvorming met behulp van MRI bestaat er een functionele vorm van MRI, fmri, waarmee veranderingen van de activiteit in specifieke hersengebieden in de tijd gevolgd kunnen worden als gevolg van het uitvoeren van een taak. De meest gebruikte vorm van fmri maakt gebruik van de detectie van het lokale zuurstofgehalte van het bloed (het blood oxygenation level dependent (BOLD-)effect). Op het BOLD-effect gebasseerde fmri is gevoelig voor de verhouding tussen oxyhemoglobine en deoxyhemoglobine. Deze verhouding hangt direct samen met de lokale hersenactiviteit en het metabolisme. Tijdens toename van de hersenactiviteit neemt door de exacte autoregulatie van de hersenperfusie de toestroom van zuurstofrijk bloed toe waardoor het niveau van oxyhemoglobine stijgt en dat van deoxyhemoglobine daalt aan de veneuze zijde van het actieve gebied. Deze zogenoemde hemodynamische respons geeft dus indirect het verloop van de hersenactiviteit in de tijd aan en wordt vaak gebruikt om specifieke hersenfuncties in kaart te brengen door middel van manipulaties in de aangeboden taak. Aanvullend materiaal bij Bouman/Boddeke/Muntinga: Leerboek medische fysiologie. http://extras.bsl.nl/leerboekmedischefysiologie 5
Met de PET-techniek wordt gebruikgemaakt van positronenuitstralende (= emitterende) isotopen van de elementen die de normale bestanddelen vormen van het zenuwstelsel: 11 C, 13 N, 15 O, of van een passende vervanger. 18 F is een goede vervanger voor H-atomen. Deze isotopen worden geproduceerd in een cyclotron, door protonen (H-kernen) in de natuurlijke atomen van deze elementen te schieten. Het extra proton valt spoedig uiteen in een neutron, dat stabiel in de kern achterblijft, en in een onstabiel positron, dat uit de kern wegvliegt. Op een per element verschillende afstand botst het positron tegen een elektron, waarna onder uitzending van γ-straling beide deeltjes versmelten en verdwijnen (annihilation). De afgegeven γ-straling is twee kanten op gericht en is in beide richtingen even sterk. Door twee detectoren om het object te plaatsen, die alleen een signaal afgeven als ze beide worden belicht, kan worden gedetecteerd wanneer atomen in de lijn van deze detectoren annihilatie vertonen. De aard van het signaal bevat informatie over de soort atomen waar het om gaat. Bij 18 F ligt de plaats van annihilatie slechts 2 mm van de plaats waar zich de isotoopkern bevindt. Om de graad van stofwisseling van een weefsel te meten, maakt men gebruik van extern toegediend 2-desoxyglucose waarin de isotoop 18 F waterstof voor een deel vervangt. Deze stof wordt opgenomen in de koolhydraatsplitsing en gefosforyleerd door hexokinase, maar het product van deze reactie kan niet verder worden verwerkt en hoopt zich in de cel op. De snelheid waarmee dit gebeurt, is een maat voor de sterkte van de glucosestofwisseling ter plaatse. Aanvullend materiaal bij Bouman/Boddeke/Muntinga: Leerboek medische fysiologie. http://extras.bsl.nl/leerboekmedischefysiologie 6
Intermezzo 11.5 Afasie, een communicatieprobleem Een beschadiging in een van de bij de spraak betrokken schorsvelden, zoals vaak na een herseninfarct wordt gezien, veroorzaakt een kenmerkende stoornis in het hanteren van taal als verbaal communicatiemiddel. Schade aan het veld van Broca veroorzaakt het duidelijkste symptoom: de patiënt kan niet spreken omdat hij de woorden niet meer weet te vinden. De eigen taal is ineens een onbekende taal geworden. Men noemt dit een motorische afasie. Is de schade exact tot het veld van Broca beperkt, dan kan de patiënt wel iets voorlezen en begrijpen; ook het gesproken woord wordt normaal begrepen en geduid. Dat is niet het geval bij een beschadiging van het veld van Wernicke. De sensorische afasie die dan optreedt, kan worden omschreven als woorddoofheid. Het is alsof de patiënt wordt toegesproken in een taal die hem niet bekend is. Als de verbindingsbundel tussen de twee centra, de fasciculus arcuatus, beschadigd is, treedt een geleidingsafasie (= parafasie) op, waarbij de patiënt problemen heeft met de zinsconstructie en met het vinden van de juiste woorden. Dit wordt vaak ten onrechte beschouwd als een psychiatrisch ziektebeeld. Ten slotte kunnen er ook stoornissen ontstaan door schade in een van de interpretatiecentra (zie par. 11.5.1). Men verliest dan het vermogen de gevoelswaarde van het gesprokene te ervaren (bijv. droevig of juist vrolijk), of men is niet meer in staat deze gevoelens verbaal of non-verbaal over te brengen. Aanvullend materiaal bij Bouman/Boddeke/Muntinga: Leerboek medische fysiologie. http://extras.bsl.nl/leerboekmedischefysiologie 7
Intermezzo 11.6 Het gespleten brein ( split brain ) Bij patiënten met vrijwel onbehandelbare aanvallen van epilepsie is in het verleden om therapeutische redenen chirurgisch een commissurotomie uitgevoerd, dat wil zeggen een doorsnijding van het corpus callosum en van de commissura anterior, waardoor de linker- en rechterhemisfeer volkomen van elkaar werden gescheiden. Dit leidde tot een verbetering van de toestand van de patiënt. Na de ingreep bleken er geen duidelijke functionele tekortkomingen in het gedrag van de patiënt te bestaan. Dat was eigenlijk ook de verwachting, want alle kruisingen in de opstijgende en afdalende baansystemen liggen op een lager niveau dan het corpus callosum. Niettegenstaande deze schijnbaar normale toestand, bleken zich toch bijzondere verschijnselen voor te doen die erop wezen dat de ene hemisfeer letterlijk niet wist wat de andere deed. Verder kon worden aangetoond dat de ene hemisfeer neuronale informatie bleek te verwerken die verschilde van die van de andere, en dat sommige cerebrale functies beperkt bleven tot slechts één hersenhemisfeer. Psychologische tests bevestigden hetgeen reeds bekend was, namelijk dat sensorische en motorische functies (afgezien van de reuk) in de contralaterale hemisfeer worden verwerkt, c.q. gereguleerd. Ook wat men uit de pathologie van het herseninfarct reeds wist, werd bevestigd, en wel dat de sensorische verwerking van de spraak (in het centrum van Wernicke in de temporale kwab) en de regeling van de motoriek van het spreken (vanuit het centrum van Broca in de premotorische cortex) bij rechtshandigen uitsluitend in de linkerhemisfeer plaatsvonden (zie par. 11.5). Wanneer tactiele, visuele of auditieve prikkels werden aangeboden die op de linkerhemisfeer terechtkwamen, kon de patiënt deze nauwkeurig beschrijven; bij projectie naar de rechterhemisfeer lukte dat niet (zie intermezzo 11.6). Behalve bij de spraak waren er nog andere activiteiten waarin de linkerhemisfeer uitblonk, in het bijzonder het mathematisch vermogen, het denken in symbolen en het logisch deduceren en concluderen. De rechterhemisfeer excelleerde in het ruimtelijk zien, in muzikale en artistieke begaafdheid en andere hogere functies die niet gemakkelijk door computers zijn te evenaren. Het schijnt dat bij het jonge kind alle functies nog min of meer bilateraal aanwezig zijn, maar dat ze geleidelijk een voorkeur voor de linker- of rechterhelft krijgen. Ook het opwekken van emoties is per hemisfeer verschillend. Een beschadiging van de linkerhemisfeer kan gevolgd worden door een depressie en overschatting van de ernst van de aandoening. Bij een beschadiging van de rechterhemisfeer ziet men juist een tamelijk onbezorgde reactie op het letsel. Men zegt daarom wel dat de linkerhemisfeer euforie (= opgewektheid) geeft en de rechter depressie (= somberheid). Vermoedelijk spelen de frontale kwabben en hun verbindingen met de limbische cortex hierbij een belangrijke rol. Aanvullend materiaal bij Bouman/Boddeke/Muntinga: Leerboek medische fysiologie. http://extras.bsl.nl/leerboekmedischefysiologie 8