Faculteit Geneeskunde en Levenswetenschappen Zenuwen en Zintuigen 2de bachelor BMW dr. Nathalie Geurts (nathalie.geurts@uhasselt.be)

Vergelijkende neuroanatomie

Je hebt inzicht in de algemene organisatie en in het belang van het

ontstaan van een zenuwstelsel in evolutie, vooral in vertebraten

Je kent de voornaamste delen van het centrale zenuwstelsel van

gewervelde dieren en hoe ze bij zoogdieren zijn geëvolueerd

Je kan de verschillen en de gelijkenissen tussen de rattenhersenen en die

van de mens uitleggen (practicum)

Je hebt inzicht in de evolutie van de cortex bij vertebraten en in de bouw

van functionele cortexgebieden van zoogdieren (ZSO)

Doelstellingen

Inleiding

• Ontstaan centraal zenuwstelsel (CZS)

Het CZS: een kaleidoscopisch beeld

• Ruggenmerg

• Rhombencephalon

• Mesencephalon

• Prosencephalon

Overzicht

Inleiding

• Ontstaan centraal zenuwstelsel (CZS)

Het CZS: een kaleidoscopisch beeld

• Ruggenmerg

• Rhombencephalon

• Mesencephalon

• Prosencephalon

Overzicht

Van simpele

zenuwnetten

tot zeer

complexe systemen

Ontstaansgeschiedenis CZS

Ontstaansgeschiedenis CZS

Archaïsche onderdelen CZS

Ruggenmerg

Rhombencephalon

• Myelencephalon

• Metencephalon - Cerebellum

- Pons

Mesencephalon

Prosencephalon

• Diencephalon

• Telencephalon

• Bulbus olfactorius

Inleiding

• Ontstaan centraal zenuwstelsel (CZS)

Het CZS: een kaleidoscopisch beeld

• Ruggenmerg

• Rhombencephalon

• Mesencephalon

• Prosencephalon

Overzicht

Regelt primitieve lichaamsbewegingen

Lagere vertebraten: groot ‘reflexorgaan’ met grote

zelfstandigheid (vb. vissen)

Hogere vertebraten: ‘geleidingsorgaan’ met verloren

zelfstandigheid, signaalverwerking tussen hersenen en

lichaam (vb. mens)

dorsaal: voornamelijk sensorische functies

ventraal: voornamelijk motorische functies

Ruggenmerg

RM van enkele vertebraten

Aantal segmenten zeer variabel:

10 paar (amfibie) tot > 400 paar (slangen)

Over ganse lengte wervelkolom (vb. vissen) of over deel

wervelkanaal (vb. mammalia)

Morfologie sterk bepaald door manier van bewegen:

intumescentia gekoppeld aan aanwezigheid en omvang te

innerveren lidmaat

Ruggenmerg

CZS Brontosaurus

Lage vertebraten: heel zwak tot matig ontwikkeld

Lichaamsbewegingen in zeer geringe mate aangestuurd vanuit hogere hersencentra: romp en staart functioneren half-autonoom

Meeste bewegingen reflectorisch

Vissen: enkele sensibele banen tot in HS en cerebellum

Reptielen: enkele sensibele banen tot in prosencephalon

Hogere vertebraten: steeds beter ontwikkeld

semi-autonomie lichaam tegenover hersenen gaat verloren

Opstijgende en afdalende banen

Inleiding

• Ontstaan centraal zenuwstelsel (CZS)

Het CZS: een kaleidoscopisch beeld

• Ruggenmerg

• Rhombencephalon

• Mesencephalon

• Prosencephalon

Overzicht

Hersenen

Controle hogere functies, (plannen, zien , horen, etc.)

Hersenen van de vertebraten

Hersenen

Human

Elephant

Mouse

Gorilla

Cat

Macaque Dog

Dolphin

Grotere longen meer zuurstof

Grotere magen meer voedselvertering

…

Grotere hersenen meer intelligentie???

Wat denken jullie?

Grotere longen meer zuurstof

Grotere magen meer voedselvertering

…

Grotere hersenen meer intelligentie???

Wat denken jullie?

Er wordt aangenomen dat dieren met grotere hersenen intelligenter zijn

Grotere longen meer zuurstof

Grotere magen meer voedselvertering

…

Grotere hersenen meer intelligentie???

Wat denken jullie?

Er wordt aangenomen dat dieren met grotere hersenen intelligenter zijn

HG mens: 1,35 kg HG walvis: 2,6-9 kg HG olifant: 4,2 kg

Dus grotere hersenen as such betekent niet noodzakelijk meer intelligentie!

Relatie hersengewicht/lichaamsgewicht

Zwarte lijn: stijging HG loopt achter op de stijging in lichaamsgewicht ( lichaamsgewicht hersenen absoluut groter, maar relatief kleiner) Groene lijn: hoe ver HG afwijkt van gemiddelde waarde

Species Simple brain-to

body ratio (E:S)

small ants 1:7

horse 1:600

elephant 1:560

lion 1:550

human 1:40

mouse 1:40

hippopotamus 1:2789

shark 1:2496

frog 1:172

squirrel 1:150

small birds 1:14

dog 1:125

cat 1:110

tree shrew 1:10

E:S ratio Encephalisatiequotiënt

Species Simple brain-to

body ratio (E:S)

small ants 1:7

horse 1:600

elephant 1:560

lion 1:550

human 1:40

mouse 1:40

hippopotamus 1:2789

shark 1:2496

frog 1:172

squirrel 1:150

small birds 1:14

dog 1:125

cat 1:110

tree shrew 1:10

E:S ratio Encephalisatiequotiënt

Species EQ Species EQ

Human 7.44 Cat 1.00

Dolphin 5.31 Horse 0.86

Chimpanzee 2.49 Sheep 0.81

Rhesus Monkey

2.09 Mouse 0.50

Elephant 1.87 Rat 0.40

Whale 1.76 Rabbit 0.40

Dog 1.17

EQ getal dat aangeeft in hoeverre het hersenvolume afwijkt van de op grond van een regressielijn voorspelde waarde

EQ maat voor de afstand boven of beneden de regressielijn

cognitief vermogen

Mens:

grootste aantal corticale neuronen

hoge transmissiesnelheid

kleine afstand tussen neuronen

grootste ‘informatie-processing’ capaciteit

Hoe dan intelligentie voorspellen?

Einstein brain

Einstein’s Brain: New Insights into the Roots of Genius By Gary Stix | November 16, 2012 | 23

✓ De grootte en het gewicht van Einsteins hersenen waren niet anders dan gemiddeld. ✓ De prefrontale cortex (verantwoordelijk voor onder andere het doorzettingsvermogen en de concentratie) was wel groter dan gemiddeld. ✓ Ook specifieke hersengebieden die instaan voor zintuiglijke waarneming en gezichtsuitdrukkingen waren groter dan gemiddeld.

Lichaams-/hersengewicht (HG): + gecorreleerd, niet lineair

Relatie met andere variabelen?

oOmgeving en levenswijze oDieet o Locomotorische complexiteit o Selectiedruk

Hersengewicht

Lichaams-/hersengewicht (HG): + gecorreleerd, niet lineair

Relatie met andere variabelen?

o o o o

Hersengewicht

Omgeving/levenswijze

Opossum (buideldier)

Nachtdier

Omnivoor

Sterk ontwikkelde reuk

Zwak ontwikkeld visueel en auditief systeem

Omgeving/levenswijze

Rhesus aap

Dagdier

Omnivoor

Sterk ontwikkeld visueel en auditief systeem

Meer sociale intelligentie en patroonherkenning

Zeer “hand” vaardig

Sterk ontwikkelde

neocortex

Dieet

Herbivoren < vrucht-, insect- en vleesetende dieren

(maw roofdieren grotere hersenen dan prooidieren)

Carnivore dino’s groter HG dan herbivore dino’s

Tyrannosaurus (vleeseter): 8 ton, hersenvolume 400 cm3

Brachiosaurus (planteneter): 90 ton, hersenvolume 300 cm3

Omnivoor < carnivoor

Insectenetende carnivoor kleinere hersenen insecten vangen gemakkelijker dan mammalia vangen

Locomotorische complexiteit

Reptielen

Schildpadden: simpele bewegingen, zeer laag HG

Hagedissen: complexere bewegingen, relatief veel hoger HG

Vogels

grotere hersenen gecoördineerde acties bij vliegen

Kolibri: LG 2g, HG 0,17 g

Struisvogel: LG 100 kg, HG 42 g

(zeer laag HG, vliegt niet meer)

Reproductiegedrag

Polygamen (vroegrijp) < Monogamen (laatrijp)

Ouderzorg

Wolf: hele gemeenschap zorg voor jongen

Vos: beide ouders zorgen voor jongen

Kat: alleen wijfje zorgt voor jongen

heeft grotere hersenen dan vorige types

dit geldt niet voor mannetjes ;-)

Selectiedruk

Biologisch: behoud soort

Optie A (mens en vele zoogdieren)

Trage ontwikkeling, laatrijp, weinig nakomelingen

Vroegrijpe < laatrijpe species (grotere hersenen)

Grotere dieren met langere levensduur

Langdurige ouder/kind relatie lange leerperiode ingewikkelde sociale patronen grotere hersenmassa

Optie B: tegengestelde

Selectiedruk

Fysisch: behoud energie

Groot dier

Beter volume/oppervlak minder energieverlies

Hersenen = grote energieverbruiker! Meer neuronen meer capaciteit infoverwerking hoger energieverbruik gecompenseerd door toename lichaamsgrootte

In water warmteverlies hoger gecompenseerd door toename lichaamsgrootte

Klein dier Weinig mogelijkheid opstapelen energie

Voortdurend bezig met zoeken naar voedsel hoger energieverlies

Sterke selectiedruk naar kleine hersenen

Meer maar kleinere neuronen

Dicht opeengepakte neuronen

Oppervlakte - Warmteverlies

De hersenen

Myelencephalon

Groot schakelstation tussen hersenen en rest van lichaam Formatio reticularis

Medulla oblongata: kruising zenuwbanen (tast en motoriek)

Speciale structuren in functie van gedrag en levensstijl

Elektrisch orgaan bij sommige vissen

Infrarood receptoren voor warmtedetectie bij sommige slangen

Rhombencephalon

Vissen - Zeeprik

Metencephalon

Ventraal = pons = verbinding cortex-cerebellum Klein bij lagere species: buideldieren, Insectivora

Goed ontwikkeld bij Rodentia, Carnivora

Zeer goed ontwikkeld: zeezoogdieren, primaten

Dorsaal = cerebellum Meest variabel deel CZS

Coördinatie + controle motoriek

Goed ontwikkeld bij vogels

Grootte niet direct gerelateerd aan locomotorische mogelijkheden individu

o Niet/zwak ontwikkeld bij voorouders vertebraten

o Enorm ontwikkeld bij bepaalde elektrische vissen (olifantsvis)

Rhombencephalon

Vissen – Olifantsvis

Dorsaal deel = tectum (vierheuvelenplaat) Controle oriëntatie beweging = vlugge

combinatie en timing van oogbewegingen met deze van hoofd en hals en, via tonische nekreflexen, rest van lichaam

Input verschillende sensorische modaliteiten: auditief, somatosensibel, electrosensorisch, visueel

Sterk uitgebouwd bij niet-zoogdieren

Mesencephalon

Vogels - Duif

Ventraal deel = tegmentum

Coördinatie motoriek

o

o

Mesencephalon

TEGMENTUM TECTUM

Zeer sterke toename bij toename corticofugale vezels vb. opossum < Primaten

1. Epithalamus (met epifyse)

2. Thalamus

Verbindingsstation in hersenen

3. Hypothalamus (met hypofyse)

Sleutelrol in homeostase, emoties, hormoonhuishouding, fight-or flight, voortplantingsgedrag

4. Pineale complex Bij sommige soorten (prik) 2

onderdelen: paraphyse en epiphyse

Fotoreceptief complex bij reptielen (parietaal oog + epiphyse)

Prosencephalon - Diencephalon

Origineel = een reukkwab

Tijdens evolutie: meer en meer toevoegen “reukloze” deel hersenen

hersenschors of cortex

Meest variabel onderdeel hersenen (samen met cerebellum) Minuscuul bij vissen

Duidelijk bij reptielen

Groot bij vogels & zoogdieren

Enorm groot bij primaten & walvissen

Prosencephalon - Telencephalon

Reptielen - Hagedis

Vogels - Duif

Mammalia - Kat

Mammalia - Dolfijn

Mammalia - Mens

Oppervlakte Glad (= lissencephaal) bij vissen, reptielen,

vogels, insectivoren, kleine primaten

Geplooid (= gyrencephaal) bij carnivoren, primaten, …

Bij vogels duidelijk verschillend Rudimentaire neocortex

Hypertrofisch corpus striatum met

neo-, hyper- en archistriatum

Verder: Evolutie van de corticale lagen (zie COO)

Prosencephalon - Telencephalon

Glad versus geplooid

Uitwendig zichtbaar als aparte structuur

Ontwikkeling = facultatief (accuraatheid en belang van reuk in gedrag en leven van dier)

Zeer groot bij prik, hagedis, Insectivora

Heel zwak bij meeste vogels en primaten

Afwezig bij bepaalde walvissen (Cetaceae)

Bulbus olfactorius

Homo machinus ???

Homo sapiens

Homo cyberneticus

Futurisme Evolutie

Hersenen functioneren reeds op maximum capaciteit (?)

Microcephalin and ‘abnormal spindle-like microcephaly associated’ ( ASPM )

Mutaties in deze genen invloed op hersengrootte

Nog veel onderzoek vereist naar andere genen

natural selection

Grotere hersenen vele ‘nadelen’

Intelligentie verbeteren?

Genetic engineering computer interface?

Evolueert menselijk brein nog steeds?

http://science.howstuffworks.com/life/inside-the-mind/human-brain/brain-evolution.htm http://www.hhmi.org/news/human-brain-still-evolving http://happinessbeyondthought.blogspot.be/2012/03/were-as-smart-as-were-going-to-get.html

Einde…