Neuronale netwerken, een samenvatting November 2020...Neuronale netwerken, een samenvatting November...

Neuronale netwerken, een samenvatting November 2020 1

Neuronale netwerken, een samenvatting.

Onderstaand een samenvatting en update van een artikel wat eerder onder de titel

“Neuronale netwerken” op deze site verscheen. Het oorspronkelijke artikel is

samengevat, en deze samenvatting is voorzien van bijlagen waarin de gedetailleerde

weergave is te vinden over diverse onderdelen. Ook zijn de laatste bevindingen uit

de literatuur over deze onderdelen toegevoegd.

Inleiding.

In een ander artikel (2.a.) is beschreven hoe een zenuwcel er uitziet en hoe hij

ongeveer werkt. In het vervolg wordt er van uit gegaan dat de lezer die kennis tot

zich genomen heeft. Een volgende stap is nu om na te gaan hoe zenuwcellen met

elkaar samenwerken. Ons brein bestaat immers uit miljoenen neuronen (en

daarnaast ook glia cellen) die op de een of andere manier samen betrokken zijn bij

ons geheugen, ons denken, ons voelen, ons geloven en ons handelen, kortom bij wie

we zijn.

Het onderzoek op het terrein van de neuronale netwerken is van relatief recente

datum; ook is nog lang niet alles gezegd over neuronale netwerken wat er te zeggen

valt, wekelijks komen er nieuwe feiten boven water. Daarom is wat hier beschreven

wordt, slechts een moment opname.

1. Circuits.

Zenuwcellen vormen met elkaar netwerken. Elke zenuwcel in het centrale

zenuwstelsel staat met duizenden andere in verbinding en vormen zo netwerken.

Deze netwerken vallen uiteen in twee typen, het ene waarbij zenuwcellen met andere

zenuwcellen in hun onmiddellijke nabijheid in verbinding staan, en het andere waarbij

verbindingen gelegd worden tussen verschillende onderdelen van de hersenen zoals

bv de cortex met de hippocampus, etc. Het eerste type wordt ook wel microcircuit

genoemd1 2; logischerwijze zou het tweede type dan met macrocircuit kunnen

worden aangeduid, maar dit wordt in de literatuur niet zo gedaan.

Bij microcircuits kunnen we begrijpen dat als de architectuur en/of functie van een

hersendeel intern verstoord is, bv door genetische defecten3, er ook stoornissen in

de functie van dat microcircuit zullen optreden4 én dat de interactie van dit

hersenonderdeel met andere delen binnen het macrocircuit verstoord is.


De hersenschors bestaat uit zes lagen die onderling met elkaar in verbinding staan;

een gestoorde lagenopbouw op dit microniveau zal ook tot een gestoorde functie

leiden5. De hersenen kunnen in dit perspectief beschreven worden als een

ongelofelijk ingewikkelde kluwen van netwerken met onderlinge verbindingen tussen

feitelijk alle onderdelen. Byrne6 geeft ons een indeling van patronen van configuraties

van microcircuits. In principe is deze indeling ook voor macrocircuits te gebruiken.

Byrne onderscheidt zes hoofdpatronen van configuratie. Deze worden in meer detail

weergegeven in bijlage 1, die op zijn werk gebaseerd is; hier benoemen we de

diverse typen.

A. Feedforward excitation. Boodschappen worden van het ene op het andere

neuron over gedragen en stimuleren dat neuron.

B. Feedforward inhibition. Idem maar dan remmend.

C. Convergentie/divergentie. Meer dan één volgend neuron wordt geprikkeld of

geremd.

D. Laterale inhibitie. Remming van “buur”neuronen.

E. Feedback/recurrent inhibitie. Remming door terugkoppeling.

F. Feedback/recurrent excitatie. Stimulering door terugkoppeling.

Al deze patronen komen in de praktijk voor. Deze patronen zorgen er voor dat

reflexen verlopen zo als ze behoren te verlopen, dat we zaken goed kunnen

waarnemen, dat we ons lopen kunnen coördineren etc. Maar sommige van deze

patronen leiden er ook toe dat we ons van sommige dingen niet bewust worden

terwijl we ze wel degelijk waarnemen, b.v. als we iets over het hoofd zien, of als we

een vlieg die op onze han dis gaan zitten wegjagen zonder ons bewust te zijn dat we

dat doen.

Ahmed et al 7 definiëren een neuraal netwerk als een serie onderling verbonden

neuronale knopen die gezamenlijk een fysiologische functie bepalen. Hij heeft het

dus duidelijk over macrocircuits. Deze netwerken bestaan volgens Ahmed et al op

microscopisch (neuronen en synapsen), macroscopisch of structureel (anatomische

regio’s en vezels) en functioneel (fysiologische verbanden) niveau.

Neuronale netwerken worden actief door externe stimulering, dus doordat we dingen

waarnemen, via oog, oor of gevoel. Echter de meeste hersenactiviteit wordt intern in

de hersenen gegenereerd. Er zijn drie soorten activering van netwerken te

onderscheiden8: (a) respons op voorbijgaande (externe) stimuli.(b) natuurlijk


afwisselende netwerk activiteit (niet alle neuronen zijn tegelijk actief, maar ze maken

als het ware ‘beurten’) (c) spontane chaotische activiteit, die op een E.E.G.

teruggezien wordt in ingewikkelde patronen van achtergrond activiteit en waarvan de

‘bron’ vooralsnog niet duidelijk is.

In de recente literatuur wordt ingegaan op specifieke net werken en

computermodellen om neuronale netwerken na te bootsen, mar wordt geen nieuwe

informatie toegevoegd.

Het is niet de bedoeling hier een ‘atlas’ te presenteren van alle netwerken die ontdekt

zijn, enerzijds omdat dit een heel boekwerk zou omvatten en dat past niet in de

scope van dit artikel, anderzijds omdat zo’n atlas verouderd zou zijn op het moment

dat hij gereed gekomen zou zijn. Enkele netwerken die geïdentificeerd zijn kunnen

hier echter wel benoemd worden1:

2. Aspecifieke netwerken.

Allereerst een aantal tamelijk aspecifiek netwerken, zie ook bijlage 2. Dit betreft

netwerken die naast allerlei andere functies kunnen worden ingezet.

- Het z.g. Salience netwerk. Dit netwerk is betrokken bij het opsporen,

analyseren en integreren van sterke stimuli ten opzichte van intern aanwezige

potentialen met betrekking tot emotie.

- Het z.g. Default mode netwerk. Wanneer er taken zijn waarbij aandacht van

belang is en het Salience netwerk geactiveerd wordt, wordt dit netwerk minder

actief. Tegelijk is het zo dat aspecifieke stimuli dit netwerk activeren.

- Het Executief controle netwerk. Dit is vooral betrokken bij het verwerken en

behouden van informatie voor het werkgeheugen, aandacht vasthouden

keuze van reactie en doelgericht gedrag.

Bij diverse ziektebeelden blijken functie stoornissen in de netwerken te bestaan. Dit

is niet de plaats om daar uitgebreid op in te gaan, maar netwerkstoornissen zijn

onder andere beschreven bij Alzheimer, bij amyotrofische lateraal sclerose (ALS), bij

frontaal kwab dementie, en bij parkinsonisme. Ook lijkt er een verband te zijn met

bepaalde typen diabetes, waarbij de achterliggende gedachte is dat het zelfde

1 Er wordt van uit gegaan dat de lezer bekend is met de benamingen van de diverse hersen regionen; ze zijn anders gemakkelijk in een neuro anatomische atlas terug te vinden.


mechanisme wat de diabetes veroorzaakt ook de verstoorde neuronale netwerk

functie veroorzaakt.

Dankzij de nieuwste onderzoek technieken zoals PET scan valt te verwachten dat er

nog veel meer netwerken in kaart gebracht zullen worden en bij nog meer ziekten

vastgesteld kan worden dat daarbij netwerk-afwijkingen bestaan.

3. Specifieke netwerken die verband houden met mentale functies.

Hieronder wordt van een aantal mentale functies weergegeven, voor zover bekend,

welke netwerken er bij betrokken lijken te zijn.

• Bewustzijn. We moeten van elkaar onderscheiden “awareness” en

“wakefullness” . Awareness wijst op de mate waarin dingen tot ons doordringen, je

bewust zijn van gevaar, van de consequenties van besluiten of van je omgeving, wie

lopen er om je heen, etc. Wakefullness wijst op de mate van wakker zijn. Traditioneel

wordt die weergegeven met de Glasgow coma schaal. Bij beide aspecten zijn deels

dezelfde onderdelen van de hersenen betrokken, maar ze vallen niet samen.

Duidelijk is dat een aantal specifieke hersen gebieden actief zijn als we bij bewustzijn

(awake) zijn. Zhao et Al9 gaan uit van een netwerk waarbij de paraventriculaire

nucleus de controlerende nucleus is, maar deze werkt nauw samen met de

neuronen in de achterste cerebrale cortex. Daarnaast vervult het claustrum een

sleutelrol bij het bewustzijn en het doorgeven van controlerende informatie t.a.v.

bewust zijn. De neurofysiologen waren het er lang niet over eens welke onderdelen

van de hersenen verder betrokken zijn bij bewustzijn. Nader onderzoek wordt nog

verricht. In bijlage 3 wordt de literatuur hierover wat uitgebreider weergegeven.

Duidelijk is dat bij bewustzijn een netwerk betrokken is.

• Oriëntatie. Deze wordt doorgaans in de klinische praktijk onderverdeeld in

oriëntatie in tijd, plaats en persoon. Juist gezien al deze verschillen is het moeilijk hier

een eenduidige lokalisatie aan te geven. Wel is duidelijk dat de hersenstam bij dit

alles betrokken is10. Over de specifieke oriëntaties in tijd, plaats of persoon werd

geen literatuur aangetroffen; wel is duidelijk dat bij oriëntatie in plaats en in persoon

de optische schors betrokken is, en dat bij oriëntatie in tijd heel verschillende

onderdelen van de cortex actief zijn. Maar dan gaat het in de literatuur meestal over

het meten van tijdsintervallen tussen prikkels, en niet om het weten of het dag of

nacht is of hoe laat het is; het is echter heel goed denkbaar dat ook de perceptie van


licht gekoppeld is aan het besef van dag of nacht. Vanuit de literatuur wordt duidelijk

dat bij oriëntatie netwerken betrokken zijn die gebruik maken van thalamische

kernen, waar de signalen van de retina, het evenwichtsorgaan en de

proprioceptische signalen uit het lichaam binnen komen, en dat die van daaruit

doorgezonden worden naar de neocortex11. Voor visuele signalen is dat naar de

visuele cortex, voor andere signalen daar andere corticale regio’s. In het artikel van

Priebe waarnaar verwezen werd wordt dit voor de visuele cortex in detail uitgewerkt.

Duidelijk wordt dat hierbij allerlei microcircuits actief zijn in de cortex. Priebe gaat er

van uit dat bij niet-visuele oriëntaties analoge processen in de bijbehorende corticale

regio’s plaatsvinden. Het voert te ver voor ons doel om de details hier weer te geven,

voor ons is het voldoende om vast te stellen dat ook bij oriëntatie netwerken

betrokken zijn met als lokalisatie tenminste de thalamus en de neocortex.

• Intellectuele functies. Intelligentie kan worden gedefinieerd als een algemeen

mentaal vermogen om te kunnen redeneren, problemen op te kunnen lossen en te

kunnen leren. Vanwege het algemene karakter, integreert intelligentie cognitieve

functies zoals perceptie, aandacht, geheugen, taal of planning. Intelligentie is het

integratieve vermogen; de andere genoemde aspecten kunnen als afzonderlijke

functies worden beschouwd. Door middel van beeldvormende technieken is duidelijk

geworden dat voor intelligentie in de zin zoals hierboven gedefinieerd een fronto-

pariëtaal netwerk bestaat12. Dit zelfde netwerk is ook belangrijk voor functies zoals

perceptie, korte termijn geheugen en taal. Dit fronto-pariëtale netwerk is verbonden

met netwerken elders in de hersenen en die zijn actief afhankelijk van het onderwerp

wat aan de orde is, bv bij intelligentie die nodig is om zaken te visualiseren is naast

het fronto-pariëtale netwerk ook de optische schors actief. Het gaat buiten het bestek

van dit artikel om alle inmiddels bekende details over deze netwerken weer te geven.

- Psycho-sociale functies. Hiermee bedoelen we die functies welke maken dat

mensen in staat zijn sociale interacties aan te gaan. Hierbij zijn ook weer een groot

aantal delen van de hersenen betrokken. Bos13 beschrijft in een proefschrift in 2011

van welke onderdelen vaststaat dat zij hierbij betrokken zijn. De afbeelding op de

volgende pagina is hieraan ontleend. Ook hierbij is duidelijk dat er netwerken ten

grondslag liggen aan het kunnen uitoefenen van deze functies, en dat er vele

verbindingen tussen divese hersengebieden moeten zijn om ze mogelijk te maken.


:

Afkortingen in deze afbeelding: aMPFC = anterior Medial Prefrontal Cortex, TPJ =

Temporal Parietal Junction, pSTS = posterior Superior Temporal Sulcus, TP =

Temporal Poles, Vstr = Ventral Striatum, A = Amygdala, VMPFC = Ventro Medial

Prefrontal Cortex OFC = Orbito frontal Cortex, dACC = dorsal Anterior Cingulate,

DLPFC = Dorsolateral Prefrontal Cortex, VLPFC = Ventrolateral prefrontal Cortex,

PPC = Posterior Parietal Cortex.

• Temperament en persoonlijkheid. Persoonlijkheid is een breed begrip. Er

worden wel vijf ‘domeinen’ onderscheiden om persoonlijkheid te beschrijven:

(1)Neuroticisme, (2) Extraversie, (3) openstaan voor ervaringen, (4) mate van

instemmen met opvattingen en (5) geweten(strikt of juist niet). Details hierover

worden beschreven in bijlage 4.

Samenvattend kunnen we zeggen dat bij het determineren van de persoonlijkheid

veel hersengebieden betrokken zijn. Niet alle hersengebieden zijn altijd tegelijk

actief; dat verklaart de verschillen in persoonlijkheden. Ook zijn de netwerken

waarmee de hersengebieden met elkaar verbonden zijn bij verschillende personen

niet identiek; wel in grote lijnen maar niet in detail.

- Slaap. Gedurende de 24 uur van een etmaal doorlopen onze hersenen

verschillende stadia: we slapen ’s nachts en zijn overdag wakker. Wanneer we


wakker zijn, zijn op het EEG (electro-encephalogram) golven te zien met snelle

activiteit met een laag voltage en niet gesynchroniseerd. Bij het slapen is de

elektrische activiteit van de neuronen in de hersenen veranderd, we zien we

langzamere golven van een hoger voltage en die meer gesynchroniseerd zijn dan

wanneer we wakker zijn. In de literatuur14 worden 5 stadia onderscheiden, die in

bijlage 5 beschreven worden. Er wordt verondersteld dat er twee processen zijn die

onderling elkaar beïnvloeden: slaap homeostase en circadian ritme. (Hiermee wordt

de ‘biologische klok’ bedoeld). In deze bijlage 5 staan meer details over slapen.

Samenvattend kunnen we vaststellen dat er niet één specifiek neuronaal netwerk

aan te wijzen is, wat verantwoordelijk is voor het slapen, maar dat slaap deprivatie

leidt tot het slechter functioneren van de netwerken die we nodig hebben voor het

uitvoeren van bepaalde functies. Tegelijk moeten we vaststellen dat het circadiane

slaap-waakritme gereguleerd wordt door een kern in de hypothalamus. Of we

werkelijk wakker zijn of slapen wordt echter bepaald door externe factoren.

• Aandacht en concentratie. Een van de grondleggers van de neurofysiologie,

Stephen Grossberg, publiceerde in 1999 een artikel dat onder andere over aandacht

gaat15. In dit artikel stelt Grossberg, dat onze hersenen een continue stroom aan

informatie moeten verwerken. Deze informatie is zo overvloedig, dat de hersenen

selecteren van welke informatie we ons bewust worden. Dat doen de hersenen door

deze informatie te vergelijken met informatie die reeds aanwezig is. Dit proces van

vergelijken noemt Grossberg “resoneren”. Nieuwe informatie die binnenkomt noemt

Grossberg top-down informatie, bestaande informatie noemt hij bottom-up informatie.

In het genoemde artikel geeft Grossberg aan dat dit zeker geldt voor visuele

informatie en voor auditieve informatie; hij postuleert dat deze manier van werken

een algemeen principe is wat door heel ons brein plaatsvindt. De plaats waar deze

vergelijking plaatsvindt hangt af van de soort informatie; visuele informatie wordt

“geresoneerd” in de pariëtale cortex. De informatie kwam binnen via de retina, ging

vervolgens naar de visuele cortex en daarna naar de pariëtale cortex, en van daar

gaat informatie naar de frontaal kwab. Vandaar zijn er weer verbindingen via

amygdala en hypocampus naar andere delen van de hersenen. De retina vangt

diversen beeldjes als het waren naast elkaar op, en stuurt die via de Nervus opticus

naar de visuele cortex. Daar vindt een proces van integratie van de diverse beeldjes

van de retina tot één geheel plaats; het geïntegreerde beeld gaat naar de pariëtale


cortex waar de resonantie plaats vindt . Als de nieuwe informatie dan echt nieuw

blijkt te zijn wordt die in de frontaal kwab opgeslagen; echter deze informatie wordt

heel makkelijk “overschreven” door andere informatie; daarom spreken we hier van

het korte termijn geheugen. Informatie die stand houdt wordt elders in de hersenen

opgeslagen, in wat we noemen het lange termijn geheugen. Waar dat is hangt af van

de soort informatie, informatie die te maken heeft met motoriek in de motorische

schors, met geur in de olfactorische schors etc. In bijlage 6 wordt meer literatuur over

dit onderwerp geciteerd. Opvallend is dat na 2000 erg weinig nieuwe literatuur over

dit onderwerp opdook.

Concluderend kunnen we stellen dat aandacht en concentratie complexe neurale

netwerken vereisen van diverse delen van de hersenen. Het is afhankelijk van het

onderwerp waarmee de persoon bezig is welke delen precies actief zullen zijn

- Geheugen. Allereerst algemeen: over de verbindingen tussen de zenuwcellen

zijn intussen twee zaken bekend die met elkaar in strijd lijken, maar dat toch niet zijn.

Enerzijds worden we geboren met alle verbindingen tussen alle zenuwcellen die

nodig kunnen zijn. Tijdens het leven leren we om daarvan die verbindingen te

gebruiken, die voor ons in onze situatie nuttig/zinvol zijn, en de overige verbindingen

blijven als het ware slapend. Dus alles is er vanaf onze geboorte, maar het wordt niet

allemaal gebruikt. Daarnaast is inmiddels algemeen geaccepteerd dat zenuwcellen

steeds nieuwe verbindingen met elkaar aangaan, d.w.z. er worden telkens nieuwe

synapsen gevormd. Het ontstaan van deze nieuwe synapsen (synaptische

plasticiteit) staat onder invloed van de NMDA-glutamaat receptor; bij een laag aantal

NMDA receptoren zal het opnieuw ontstaan van synapsen dan ook relatief weinig

voorkomen16. De combinatie van deze twee zaken kan alleen maar betekenen, dat

zenuwcellen die reeds een verbinding met elkaar hebben, tijdens het leven van het

individu een telkens ‘inniger’ contact met elkaar krijgen. Deze innige contacten

representeren o.a. het leerproces, waarbij we niet alleen moeten denken aan

cognitief leren, maar ook aan het aanleren van ‘automatische’ handelingen zoals

bewegen volgens een patroon en nog andere zaken die we aanleren. Bij het opslaan

van patronen van motoriek is altijd de hippocampus betrokken; als het om

gevoelsmatige zaken gaat is altijd de amygdala betrokken; combinaties van de twee

zijn zeer gebruikelijk, en als een zaak een emotionele lading heeft is dan ook naast

het circuit uit het cognitieve geheugen, een circuit met de amygdala daarin


ingeschakeld. In de temporaal kwab bevindt zich bovendien een gebied waarvan

prikkeling leidt tot hevige gevoelens van spirituele transcendentie, gecombineerd met

een gevoel van mystieke aanwezigheid17. Het functioneren van dit gebied is

essentieel voor religieuze belevingen en zoals voor religieus geloven. Het

functioneert altijd in combinatie met andere gebieden bv de frontale of pre-frontale

cortex en de hippocampus en/of de amygdala, maar de combinaties daarvan kunnen

wisselend zijn. Religieus geloven gaat niet niet buiten de amygdala om.

Meer specifiek kunnen we over het geheugen het volgende zeggen18 19:

Het onderwerp ‘geheugen’ is nauw verbonden met het proces van leren; leren is het

proces waarbij we geheugeninhoud verwerven. Bij het cognitieve geheugen

onderscheiden we meerdere geheugen systemen20. Elk van deze systemen heeft

haar eigen eigenschappen met betrekking tot de wijze waarop zij werkt. Ook heeft elk

systeem haar eigen banen in de hersenen. Zie verder bijlage 7.

De cellulaire basis van het geheugen is synaptische plasticiteit, en afhankelijk van

het actief zijn van de synaps21. Ook dit wordt nader toegelicht in bijlage 7. Bij het

actief worden van neuronale circuits spelen oppervlakte eiwitten een rol. Bij deze

eiwitten gaat het om immuunglobulinen. Deze eiwitten zorgen er voor dat de

uitsteeksels van de axonen en dendrieten waarop de synapsen zich bevinden een

corresponderende vorm hebben22 23. Verder speelt de WnT- familie van

gesecerneerde eiwitten een cruciale rol in het centrale zenuwstelsel. Deze eiwitten

regelen de plaatsing, polarisatie van de zenuwcel, de ontwikkeling van axonen en

dendrieten en de synaptogenese24.

Als een synaps actief is kan hij dus betrokken zijn in het geheugen. Het gaat hierbij

om lange termijn potentiëring. (LTP), een langer durende toename in de sterkte van

een synaptische respons volgend op stimulering van de synaps. LTP vinden we

vooral in de hippocampus, maar daarnaast ook in de corticale gebieden en andere

hersengebieden die betrokken zijn bij het geheugen. LTP wordt geïnduceerd door

het samenvallen van een prikkel en intracellulaire depolarisatie in een synaps. Hierbij

zijn NMDA receptoren betrokken; deze maken de instroom van Ca++ in de synaps

mogelijk; dat activeert op zijn beurt cyclisch AMP, dat activeert weer diverse

kinasen, waarvan er sommige het aantal synaptische receptoren verhogen, en

andere weer via een eiwit in de celkern van het neuron genen activeert. Onder de

eiwitten die daardoor weer geproduceerd of geactiveerd worden is neurotrophine,


wat op zijn beurt de groei van de synaps stimuleert. Er treedt dus een keten van

reacties op, die in samenhang leiden tot een verandering in de synaptische functie.

Dit is in detail besproken in het artikel over het functioneren van het neuron. Er zijn

gegevens die er op wijzen dat het definitief opslaan van geheugenfeiten afhankelijk is

van het optreden van deze moleculaire cascade. Stoffen die interfereren met o.a. de

NMDA receptor maken ook het geheugen slechter.

Naast LTP is er ook een mechanisme wat precies de andere kant uit werkt, lange

termijn depressie( LTD) Dit mechanisme betreft dezelfde moleculen als LTP, maar

treedt op wanneer de prikkel en de intracellulaire depolarisatie niet simultaan

plaatsvinden. De combinatie van LTP en LTD maken een continue ingewikkelde

reorganisatie van de circuits die de neurale representatie van informatie betreffen

mogelijk. Beide processen komen voor in alle hersenonderdelen die betrokken zijn bij

het geheugen. Ze vinden binnen een bestek van seconden of minuten plaats, en zijn

essentieel voor het overplaatsen van gegevens uit het korte termijn geheugen naar

het lange termijn geheugen.

Behalve met inschakeling van LTP/LTD vindt er ook fixatie van geheugenfeiten

plaats door emotionele activering en stress. Door emotioneel actief zijn, wordt de

afgifte van glucocorticoiden en adrenaline in een mechanisme via de amygdala en de

hypothalamus geactiveerd. Deze stoffen hebben op hun beurt weer een fixerende

invloed op het geheugen systeem.

Er is toenemend bewijs dat de amygdala noodzakelijkerwijze betrokken is bij het

verwerven, opslaan en uiten van tot uiting komen van ons geheugen voor angst, en

LTP in de laterale kern van de amygdala wordt gezien als het belangrijkste

synapsfenomeen waar angst kan worden geassocieerd met andere geheugen

elementen. De verbinding tussen prefrontale cortex en amygdala is essentieel voor

het aan- en afleren van angst25.

De werking van het korte termijn geheugen wordt in een recente review beschreven

door Bi en Zhou26. Zij lokaliseren het korte termijn geheugen vooral in de temporaal

kwabben. Zij benoemen vier factoren die mogelijk het vormen van sterke signalen

faciliteren: ingewikkeldheid van een uit te voeren taak, overlappende sensibele input

van signalen, multitasking en anticiperen van timing. Sterke signalen leiden er

waarschijnlijk toe dat input echt onthouden wordt en niet weer verdwijnt. Details zijn

te vinden in hun artikel.


De werking van het lange termijn geheugen wordt beschreven in een review door

Yu27. Deze beschrijft het bestaan van gespecialiseerde cellen en structuren

daarbinnen (sigma cellen en tanh cellen) die samenwerken in vastliggende

netwerken op micro en macro niveau.. Deze maken het mogelijk dat informatie van

het korte termijn geheugen naar het lange termijn geheugen overgedragen wordt,

mits het tijdsinterval tussen de prikkels niet te groot is. Gedetailleerde informatie is te

vinden in het artikel van Yu.

- Psychomotorische functies. Deze kunnen worden onderverdeeld in drie

groepen (Taal, rekenen en psychomotoriek in engere zin). Het valt op bij het zoeken

naar recente literatuur over deze onderwerpen, dat er telkens gegrepen wordt naar

computer modellen, maar dat er nauwelijks iets te vinden is over onderzoek in het

brein zelf. Wat hieronder beschreven wordt berust dan ook op wat oudere literatuur.

o Mentale functies gerelateerd aan taal.

Al sinds vele jaren wordt aangenomen dat de taal gelokaliseerd is in de area’s van

Broca en Wernicke. Deze twee anatomen lokaliseerden de spraak links inferio-

frontaal bij rechtshandigen en rechts inferio-frontaal bij linkshandigen. De motoriek

nodig voor het spreken zou dan gelokaliseerd zijn in het aansluitende deel van de

motorische schors, achterop bij de frontaal kwab. Deze aanname was gebaseerd op

het uitvallen van de spraak bij personen met letsels in deze gebieden. Sinds het

mogelijk is met beeldvormende technieken zoals de PET scan meer inzicht te krijgen

in de lokalisatie van hersenprocessen is dit beeld wel genuanceerd.

In 2002 publiceerde Pulvermüller een boek28 waarin hij aangaf neuronale netwerken

voor woorden en woordvolgorde te hebben vastgesteld. In een artikel in 2010 samen

met Fadiga29 geeft hij vorderingen weer. Hij laat zien dat het percipiëren van taal niet

alleen in de centrale schors gebeurt, maar ook activiteit oproept in motorische

schors. De klassieke ‘separatie benadering’ meent dat na perceptie van taal eerst

aandacht, emotie en geheugen circuits geactiveerd worden en dan als een reactie

daarop kan er een motorische respons komen. Echter nu is duidelijk geworden dat er

ook een rechtstreekse lijn loopt van perceptie naar motorische schors. Dat blijkt ook

voor andere hersengedeelten zo te zijn als er geen motorische reactie nodig is;

afhankelijk van de inhoud van hetgeen gesproken wordt, worden ook verschillende

hersengebieden geactiveerd zoals voor kleur, vorm arm been gezicht etc. De spreker

‘ziet’ dus als het ware zelf ook wat hij zegt. In een andere publicatie in 2010


stipuleert Pulvermüller30 verder dat ook zaken als grammatica opgeslagen worden in

neuronale netwerken. Er is een deel wat de afzonderlijke woorden registreert en een

nabij gelegen deel bevat grammatica, weer een ander deel uitspraak (vragend of juist

niet). Weer een ander, ook nabij gelegen, deel registreert de taal; bij tweetaligheid

wordt in de situatie van betrokkenen het juiste taal-deel ingeschakeld, vonden weer

andere onderzoekers31. Er is dus volgens hen een gebiedje betrokken op b.v.

Nederlands, een ander gebiedje op Engels, of Frans, Duits, etc. Dit gebiedje omvat

een ‘woordenlijst’ en een ‘grammatica boek’. Opvallend was tijdens deze studies dat

de schorsgebieden die betrokken waren veel meer omvatten dan de regio’s van

Broca en Wernicke. Malik32 meent dat spraak niet slechts in één hemisfeer

gelokaliseerd is, maar dat beide meedoen. In het bijzonder na trauma (b.v. een

beroerte) kan de andere hemisfeer veel overnemen. Verder meldt Malik, dat

wanneer het over het begrijpen van metaforen gaat, grote gebieden worden

geactiveerd, zowel links als rechts: de prefrontale cortex, de gyrus temporalis media,

en de prosodische regio’s. Friedemann33 tenslotte stelt vast dat er specifieke

netwerken zijn voor diverse taalfuncties zoals het kunnen spreken, begrijpen,

werkgeheugen voor woorden etc.

Samenvattend kunnen we stellen dat er diverse netwerken bij taal betrokken zijn die

zich niet beperken tot de klassieke regio’s van Broca en Wernicke. Op basis daarvan

is te begrijpen dat bij hersenziekten soms slechts sommige taal-functie verstoord zijn.

o Mentale functies gerelateerd aan rekenen. In 1991 schreven Kahn en

Whitaker een artikel34 over de lokalisatie van rekenen in de hersenen. Hun conclusie

is: er is geen specifieke regio in de hersenen is die de rekenfunctie vervult. In

andere meer recente literatuur35 wordt gesproken over rekenen als functie van de

dieper gelegen area’s van de hersenschors, die uit tenminste 6 lagen bestaat, maar

wel diffuus door de hersenen gelegen. Het gaat daarbij dus om een complex

netwerk. Rickard36 et Al vonden bij MRI-onderzoek dat de area 44 van Brodman

actief werd tijdens rekenwerkzaamheden, en daarnaast de dorso-laterale prefrontale

cortex, verder enkele pariëtale area’s en enkel gebieden die eigenlijk bij taal horen.

Aangezien deze bevindingen dus uitgebreide hersengebieden omvatten zijn ze niet

in strijd met de andere bevindingen.

Samenvattend vindt rekenen dus plaats in een uitgebreid netwerk in de diepere

corticale lagen, wat niet geheel exact te lokaliseren is. Het blijkt ook dat letsels in de


genoemde hersengebieden pas leiden tot acalculi als ze zeer uitgebreid zijn;

kennelijk kunnen naast gelegen gebieden taken overnemen.

o Bepalen sequentie bij complexe bewegingen en motoriek in het algemeen.

Vroeger werd gedacht dat er als het ware een kaart van het lichaam getekend was

op de motorische cortex (dat deel van de hersenen wat in de voorste wand van de

centrale sulcus ligt, en verder het aansluitende deel van de voorste centrale sulcus

en in het aansluitende dele van de paracentrale lob). en dat daarmee vaststond welk

hersendeel verantwoordelijk was voor welke spier. Dit ligt wat minder vast als tevoren

gedacht, al is wel duidelijk dat dit hersengedeelte essentieel is voor het bewegen.

Het staat echter in verbinding met talloze andere hersendelen, die daardoor de

motoriek kunnen beïnvloeden. Het blijkt verder dat dezelfde neuronen betrokken

kunnen zijn bij geheel verschillende motorische activiteiten. Dit suggereert dat de

motorische schors ook actief betrokken is in het organiseren en controleren van

motorisch gedrag en niet alleen bij het uitvoeren van een beweging37. Het vermogen

van een anatomisch afgebakend circuit om meerdere gedragspatronen te kunnen

‘ondersteunen’ is wijdverbreid in de dierenwereld en er is geen reden om te moeten

aannemen dat dit bij de mens anders zou zijn. Er zijn argumenten om te mogen

aannemen dat multifunctionele circuits weliswaar een vastliggende structuur hebben,

maar de activiteitspatronen van individuele betrokken neuronen die betrokken zijn bij

meerdere gedragingen wijd kunnen variëren. Verschillende mechanismen,

waaronder input van gegevens van buiten, parallel activiteit van neuronen die nabij

elkaar liggen, neuromodulatie en biomechanische factoren zijn verantwoordelijk voor

het wisselen tussen patronen38.

4. Bespreking.

Nog lang niet alles is bekend over de neurale netwerken. Het lijkt reëel om te

veronderstellen dat zaken als persoonlijkheid etc. in de patronen van het gebruik van

de neurale netwerken ligt. Het is ook aannemelijk dat genetische factoren hier een rol

spelen bij het bepalen van die netwerken, c.q. onderdelen daarvan, welke bij

voorkeur gebruikt worden. Anderzijds kan niet uitgesloten worden dat hier

omgevingsfactoren een rol spelen, zoals het aanleren van de meest geschikte

reactie op een stimulus, door het voorbeeld van b.v. ouders na te volgen. Veel

gebruikte trajecten binnen de netwerken worden bij een volgende prikkeling


makkelijker gebruikt, en dat leidt tot z.g. voorkeurstrajecten. Een volgende keer kan

zo’n traject gevolgd worden zonder dat de betrokken persoon zich daarvan bewust

is; dat zien we b.v. al bij het wegjagen van een vlieg die op iemands arm komt zitten,

wat kan plaatsvinden zonder dat de betrokkene zich realiseert dat hij dit doet.

De ‘bron’ van de spontane hersenactiviteit, zoals waargenomen wordt op een E.E.G,

en daarmee ook van de spontane netwerkactiviteit is niet duidelijk. Op basis van wat

we weten van het functioneren van het neuron mogen we aannemen dat een en

ander in het neuron begint met een chemisch signaal vanaf het DNA, die via een

cascade leidt tot een depolarisatie van het neuron in combinatie met een chemische

cascade in het axon, die er toe leidt dat de juiste transmitter-stoffen worden

afgescheiden in de synapsen die het ene neuron verbinden met het volgende,

waardoor geleidelijk aan een netwerk geactiveerd wordt. Wat echter aanleiding is tot

het chemische signaal vanaf het DNA is niet duidelijk; het is denkbaar dat restanten

van inkomende impulsen er toe leiden, maar ook andere oorzaken kunnen niet

worden uitgesloten.

Het ontstaan van nieuwe synapsen bij de ontwikkeling van het geheugen (zowel

cognitief als voor wat betreft ‘automatische’ handelingen) laat ons begrijpen hoe een

zelfde neuron betrokken kan zijn bij het doorgeven van verschillende ‘herinneringen’.

Immers door dat er nieuwe eindbuttons bij komen, kan de over te dragen boodschap

anders zijn dan een eerdere; het neuron kan een andere ‘code’ in signaalstoffen over

dragen aan het volgende neuron, zie ook het artikel over het functioneren van de

zenuwcel. Eichenbaum39 maakt in zijn artikel niet duidelijk welk biologisch substraat

ten grondslag ligt aan ‘relational memory processing’. Het is echter aantrekkelijk om

te postuleren dat het zal gaan om de koppeling van signalen aan elkaar die op

chemisch differentiatieniveau niet veel van elkaar verschillen en die gebruik maken

van het zelfde neuron. Dit past ook bij de bevinding dat een waan een foutieve

koppeling is; wanen zien we veel bij mensen met schizofrenie of een verwante

stoornis, die door hun ziekte een functioneel tekort hebben aan NMDA receptoren,

en daardoor een gebrekkige synaptische plasticiteit. Dit past bij de bevinding dat

mensen met schizofrenie minder functionerende netwerken hebben in de

hersenschors dan gezonden 40; in het artikel over schizofrenie komen we daar

uitgebreid op terug. Omdat de ‘nieuwe’ boodschap toch via het neuron moet die een

oorspronkelijke boodschap kon doorgeven, maar de synaps eigenlijk niet geschikt is


daarvoor, mislukt de aangepaste codering en lukt het onderscheiden van de

boodschappen niet. De eerste boodschap heeft ooit het karakter van ‘waar,

betrouwbaar’ gekregen en de tweede krijgt dit hierdoor ten onrechte ook.

Het is ook niet irreëel om te veronderstellen dat er in de synaptische overdrachtscode

een meelopend signaal verborgen zit, waardoor in een netwerk externe prikkels van

spontane activiteit van het netwerk, dus van interne prikkeling, onderscheiden

kunnen worden. Door een gebrek aan synaptische plasticiteit zal ook dit onderscheid

bij mensen met een tekort aan functionele NMDA receptoren niet lukken, en

ontstaan hallucinaties. Voeg daarbij de toestand van overactief zijn van het

dopamine en het serotonine systeem, ook weer als gevolg van een relatief tekort aan

NMDA receptoren en dan begrijpen we hoe de verwardheid en hallucinaties etc. bij

een schizofrenie patiënt tot stand komen. Ook het ontstaan psychotische angst

kunnen we zo begrijpen, de overprikkeling zal ook leiden tot activering van

netwerken waarin de amygdala is betrokken, en dat zal leiden tot het beleven van

angst via het activeren van het adrenerge systeem. Gezien de grote variatie in

verstoorde functies bij schizofrenie is het niet reëel te veronderstellen dat een

verstoring van een specifiek netwerk gevonden zal worden bij schizofrenie, evenmin

trouwens als bij andere hersenafwijkingen die tot een gevarieerd beeld leiden zoals

Alzheimer dementie, of een bipolaire stoornis. Wel kunnen we de functie-afwijkingen

bij aandoeningen zoals multiple sclerose verklaren uit de lokalisatie van de laesies.

5. Conclusie

We kunnen de hersenen beschrijven als een verzameling van neuronale netwerken

die elkaar onderling kunnen beïnvloeden, maar die wel elk hun eigen functie

vervullen. Men kan het ook omdraaien door te zeggen dat bij elke functie en/of

vaardigheid een neuronaal netwerk past, wat precies is toegesneden op deze functie

of vaardigheden. Hoe dan ook, bij elke functie of vaardigheid zoals beschreven in de

ICF en waarover in een ander artikel meer gezegd wordt hoort een neuronaal

netwerk. Er is echter nog veel niet bekend over deze neuronale netwerken; we

beginnen pas te begrijpen hoe netwerken in principe functioneren. Met wat we weten

kunnen we ons een beeld vormen van wat er gebeurt in de hersenen. Echter over

zaken als willen, denken (in de zin van afwegingen maken), motivatie, geloven, etc.

kunnen we op dit moment niets meer zeggen, dan dat we onze hersenen er voor


nodig hebben, dat voor sommige zaken zelfs aan te wijzen is welk onderdeel van de

hersenen daarbij in ieder geval nodig is, en dat er neuronale netwerken bij betrokken

zijn. Echter de diepste bron ervoor kennen we niet.


Bijlage 1, Typen circuits.

A. Feedforward excitation. Hierbij geeft het ene neuron een boodschap door aan

het volgende neuron. Lange ketens neuronen kunnen zo informatie

verspreiden door het zenuwstelsel.

B. Feedforward inhibition. Hierbij prikkelt een presynaptisch neuron een

remmend interneuron, wat dan weer een volgend neuron afremt. Hiermee

wordt de prikkelingstoestand van een neuronaal netwerk verlaagd.

C. Convergentie/divergentie. Een post-synaptisch neuron ontvangt input van

diverse andere neuronen, en/of geeft signalen door aan meerdere andere

neuronen.

D. Laterale inhibitie. De boodschap wordt wel doorgegeven maar collaterale

axonen remmen neuronen die vlak bij het oorspronkelijke neuron liggen.

E. Feedback/recurrent inhibitie. Hierbij zijn er twee typen. Het bij het eerste type

remt het post-synaptische neuron via aan collateraal axon het oorspronkelijk

vurende neuron af. Daardoor wordt de stroom informatie via ene route in het

netwerk afgeremd. Bij het tweede type remt elk geprikkeld neuron het

volgende af en dooft zo het signaal uit.


F. Feedback/recurrent excitatie. Hierbij zijn er ook weer twee typen: bij het eerste

prikkelt ene collateraal axon het oorspronkelijk vurende neuron om nog weer

een signaal af te geven. Bij het tweede type gebeurt het zelfde maar dan via

andere neuronen.


Bijlage 2 Aspecifieke netwerken.

- Het z.g. Salience netwerk (SN) is gelokaliseerd op de dorsale anteriore

cingula –cortex en de frontoinsulaire cortex en heeft uitgebreide verbindingen met

andere corticale en subcorticale regio’s, inclusief de superior temporale punt, de

dorsolaterale prefrontale cortex, de amygdala, thalamus, hypothalamus en de

substantia nigra en de ventrale tegmentale regio. Dit netwerk is betrokken bij het

opsporen, analyseren en integreren van sterke stimuli ten opzichte van intern

aanwezige potentialen met betrekking tot emotie. Onderdelen hebben verschillende

functies zoals opsporing, moduleren, integreren etc. Echter de insula is niet alleen bij

interne emotionele stimuli betrokken, maar ook bij externe zoals liefde, mededogen

empathie afkeer kwaadheid en geluk.

- Het z.g. Default mode netwerk (DMN) is een netwerk met belangrijke kernen in

de posterieure cingula, laterale parietale cortex en mediale prefrontale cortex, en

belangrijke verbindingen met kernen in de mediale temporaal kwab en gyrus

angulatus. Wanneer er taken zijn waarbij aandacht van belang is en het Salience

netwerk geactiveerd wordt, wordt dit netwerk minder actief. Tegelijk is het zo dat

aspecifieke stimuli dit netwerk activeren, zoals geheugen m.b.t. het eigen verleden

en zaken zoals morele afwegingen, samen gaan met het activeren van tot dit netwerk

behorende kernen in de mediale prefrontale cortex. Het feit dat het SN en het DMN

elkaars tegenhanger zijn bij morele afwegingen accentueert de rol van de insula bij

het overgaan van het ene op het andere grote netwerk. Zoals gezegd is het DMN

actief bij gezonde mensen bij morele afwegingen. Echter tegelijk staan deze kernen

in verbinding met kernen in de SN. Bij patiënten met een frontaal kwab dementie zijn

deze verbindingen niet goed. Dit uit zich in het ontbreken van morele afwegingen bij

deze groep patiënten.

- Het executief controle netwerk (ECN) verbindt de dorsolaterale frontale kwab

en de parietale neocortex met de dorsale caudatus en voorste insula. Het ECN is

vooral betrokken bij het verwerken en behouden van informatie voor het

werkgeheugen, aandacht vasthouden keuze van reactie en doelgericht gedrag.

Afhankelijk van welke taak het betreft, vertonen het ECN en het DMN

antagonistische reacties. Bij voorbeeld wanneer iemand een taak uitvoert waarbij

aandacht nodig is en waarbij enkele geheugen-taken niet vereist zijn, zal het ECN


actief zijn en het DMN minder. Deze wisselingen worden gefaciliteerd door het SN,

en in het bijzonder het voorste deel van de insula.


Bijlage 3 Netwerken bij het bewustzijn.

- Ons bewustzijn is volgens Nelson41 gelokaliseerd in de Nucleus Coeruleus,

een kleine kern in de hersenstam. Koch et al42 lokaliseren het echter in de posteriore

cortex. Damasio en Meyer bevestigen dit43. King en Soso44 daarentegen menen dat

er geen specifieke lokalisatie te geven is; Yirka45 concludeert ook dat ons bewustzijn

niet zo zeer in één kern te lokaliseren is maar meer gezien moet worden als een

toestand van optimale verbindingen van neurale netwerken. Hij laat daarbij

onderstaande figuur zien, waarin aangegeven is welke verbindingen in grote lijnen

actief zijn als wij bij bewustzijn zijn.

Deze figuur maakt in ieder geval duidelijk dat er heel veel hersen onderdelen actief

zijn bij mensen die bij bewustzijn zijn. Een exacte lokalisatie is dan ook niet te geven;

maar dat de door Nelson en door Koch en door Damasio en Meyer genoemde delen

er onderdeel van uitmaken is ook duidelijk. Om deze figuur te kunnen interpreteren

is het nodig dat we weten waar de betrokken persoon mee bezig was mentaal op het

moment dat de opname gemaakt werd. Waarschijnlijk worden hier vele netwerken

weergegeven die allemaal tegelijk actief zijn, maar op zichzelf genomen niet

essentieel zijn voor het bewustzijn. Dit betekent dat niet uit te sluiten is dat er één

kern/of ander ‘centraal’ netwerk is dat essentieel is voor ons bewustzijn. Zhao et Al46


Maken duidelijk dat er tenminste drie elementen een rol spelen: (1) de

paraventriculaire nuclei in de thalamus, waar door middel van de neurotransmitters

orexine en glutamaat het niveau van bewustzijn (awakeness) geregeld wordt, (2) het

claustrum, een dunne onregelmatige laag die verbonden is met de onderkant van de

neocortex centraal in de hersenen, en die nauw verbonden is met de frontaal kwab,

waaronder de motorische schors, prefrontale cortex, cingula, maar dat ook

verbonden is met de visuele cortex en nog een aantal andere corticale gebieden

zoals die welke horen bij reuk. De verbindingen zijn reciprook, d.w.z. signalen

kunnen heen en weer bewegen. Het claustrum lijkt een “commandocentrum” te zijn

van waaruit de mate van bewustzijn geregeld wordt, maar waarbij intensief contact

met andere hersenonderdelen onderhouden worden. (3) de achterste corticale regio

van de achterhersenen. Hiervan is duidelijk dat het ene rol speelt echter hoe dat in

zijn werk gaat is nog niet duidelijk.

Tenslotte wijzen we hier op een artikel van Bayne et Al47, die suggereert dat het

denkbaar is dat je bij bewustzijn bent terwijl de hersenen van de rest van het lichaam

gescheiden zijn. Dat heeft nogal wat ethische consequenties.


Bijlage 4. Temperament en persoonlijkheids domeinen.

Gebleken is dat elk van deze vijf domeinen correspondeert met een uniek patroon

van betrokken hersengebieden. Deze patronen hingen ook samen met functionele

‘onder-domeinen’ zoals motivatie, empathie en vooruit denken. Bij neuroticisme en

extraversie, de twee het meest onderzochte van de vijf domeinen, bleken er

verbindingen te bestaan tussen specifieke hersengebieden en de dorso mediae

prefrontale cortex en laterale paralimbische gebieden. Echter

persoonlijkheidstrekken hangen samen met functionele verbindingen die niet-

consistent aanwezig zijn. Dat betekent dat er welliswaar een basis structuur van

verbindingen is, maar daarboven een variëteit aan persoonlijke patronen48.

Onderstaande afbeelding is ontleend aan Adelstein et al.

Seed locations. General location of the nine seeds: five within the anterior cingulate cortex (ACC; seeds s1, s3, s5, s7 and i9) and four within the precuneus (PCU; seeds p4, p6, p14, p17). Hier wordt de lokalisatie van de belangrijkste hersengebieden die samenhangen met

de persoonlijkheid (‘seed regions’) aangeduid.


In de figuur hier onder, ook ontleend aan Adelstein et al, wordt weergegeven hoe de

samenhang is tussen persoonlijkheid en verbindingen tussen de ‘seed regio’s.

Connections identified as having a relationship with personality, grouped by color according to the personality domain that predicted their RSFC. For the purpose of illustration, significant findings were collapsed across seed regions and RSFC/personality score relationship valence (i.e., whether the correlation was significantly positive or negative). White represents overlap of findings for multiple (one or more) personality domains predicting RSFC. LH = left hemisphere; RH = right hemisphere. Voor meer gedetailleerde informatie wordt verwezen naar het geciteerde artikel.

Kennis et Al49 beschrijven dat het ventrale en dorsale striatum en de prefrontale

cortex actief zijn als de amygdala actief is na negatieve prikkeling, Er is weinig grond

voor de stelling dat stress samengaat met activiteit in de prefrontale cortex en de

ACC. Etkin et al50 beschrijven geheel in lijn met Adelstein dat emoties belangrijke

determinanten zijn van gedrag, denken en ervaring. Emoties kunnen op

verschillende wijze worden gereguleerd. Vanuit neuro-imaging weten we dat er

diverse hersengebieden bij emoties betrokken zijn, zoals de ventrale voorste cingulus

en de ventromediale prefrontale cortex en de laterale prefrontale en pariëtale cortex.


- Bijlage 5. Slaap

De stadia van slapen worden hieronder in tabel vorm weer gegeven, met daarbij

welek soort activiteit op het eeg gezien wordt:

Slaap stadium beschrijving Type op EEG

Frequentie van pieken

wakker Voortdurende alpha activiteit

1 Geen alpha, weinig beta en theta activiteit

Delta 0-4

2 Minder dan 20% delta activiteit, K complexen aanwezig; spindles2 K complexen met laag frequentie

golven rond 1.0 Hz, met een amplitude van tenminste 75 Mv.

Theta 4-8

3 Meer dan 20% en minder dan 50% delta activiteit

Alpha 8-13

4 Meer dan 50% delta activiteit Beta 1 13-22

REM Laag amplitude golven met weinig Theta activiteit en vaak zaagtand

golven. De golven bij REM en wakker kunnen op elkaar lijken , maar bij REM

is er weinig aplha activiteit.

Beta 2 22-35

Vanvinckenroye et Al51 beschrijven dat de activiteit van de cortex van de hersenen

ook samenhangt met de periode dat we al wakker zijn. Slaaphomeostase betekent

dat naar mate men langer wakker is, de neiging om in slaap te vallen steeds sterker

wordt. Het hangt sterk samen met wat men gewoon is aan slaap gedrag. Het

circadiane proces omvat een cyclus van ongeveer 24 uur. Het zorgt er voor dat wat

er buiten aan licht en donker en aan overige activiteiten gedurende een etmaal

afspeelt synchroon loopt met de interne biologische timing van de mens. Dit proces

wordt gecontroleerd door de Nucleus supra-chiasmaticus in het voorste deel van de

hypothalamus. Dit proces maakt dat we in staat zijn een slaap waak ritme aan te

houden van 8-16 uur. Als de normale tijd om te slapen is aangebroken schakelt het

circadiane ritme over naar een signaal wat slaap bevordert, en het organisme kan

niet langer zo efficiënt tegen slaap strijden als te voren.

2 Een spindle is een groep goed gedefinieerde golven van 11 tot 15 Hz met een tijdsduur van meer dan 0,5 seconden. Er is geen criterium voor de amplitude van een spindle.


Het is niet alleen van belang om te weten welke gebieden met elkaar communiceren,

maar ook hoe ze dat doen. Er worden drie typen onderscheiden: (1) structurele

connectiviteit: het anatomische “stratenplan" van axonen en synaptische

verbindingen. (2) functionele connectiviteit, de onderlinge afhankelijkheid van

hersengebieden. Gebleken is dat bij slaapdeprivatie de integratie van de signaal

overdracht afneemt. Verder is gebleken dat in de eerste uren na het wakker worden

afzonderlijke neuronale netwerken slechter met elkaar samenwerken.

Slaapdeprivatie heeft vooral effect op de prefrontale schors. (3) effectieve

connectiviteit, dit betreft de directe invloed die de ene regio uitoefent op de andere.

Deze varieert gedurende en met de slaap –waak cyclus.

Diepe slaap gaat samen met veranderingen in de organisatie van neuronale

netwerken52 ( (structurele connectiviteit).Langdurig wakker zijn leidt tot een

homeostatische respons in de er opvolgende “inhaal-slaap” die op het EEG te zien is

als meer langzame golf activiteit (Slow Wave activity 1-4,5 Hz, SWA). SWA duidt een

herstelproces aan in corticale en subcorticale structuren, en is het gevolg van sterk

gesynchroniseerde neuronale activiteit. Het is een betrouwbare afspiegeling van de

diepte van de slaap en van de lokale plasticiteit in de hersenen. Leren of sensibele

stimulering gedurende wakker zijn versterkt de SWA in de daarop volgende slaap. Dit

suggereert dat SWA lokaal is en afhankelijk van het actief zijn van het

desbetreffende hersengedeelte. Bij volwassenen is SWA het meest duidelijk in de

frontale hersengebieden. Dit past bij het feit dat veel cognitieve zaken via de frontale

regio gehanteerd worden. Slaap deprivatie belemmert functies die door de

prefrontale cortex beïnvloed wordt zoals werkgeheugen, aandacht, en vloeiend

spreken.


- Bijlage 6 Aandacht en concentratie

Kim et Al53 bevestigen deze bevindingen van Grosberg op basis van functionele MRI

beelden. Zij beschrijven dat bij aandacht bij een visuele prikkel de frontale oog

velden, de posteriore pariëtale cortex, de gyrus cingulatus, het putamen en de

thalamus actief werden. In aansluiting op extra prikkels werden daarnaast ook de

voorste insula de dorsolaterale prefrontale cortex de tempero occipitale cortex en de

middelste en onderste gyri, de bij behorende motorische area en het cerebellum

actief. Zij concluderen dan ook dat er een gemeenschappelijk deel is wat bij visuele

prikkels altijd actief wordt en daarnaast afhankelijk van de aard van de prikkel worden

aanvullende delen actief. Taylor et al54 stelden vast dat er twee manieren zijn waarop

informatie verwerkt wordt: een “automatische’ en een “aandachtige’ . Het

automatische verwerken vindt plaats in de ventrale en limbische delen van de

hersenen, het aandachtige deel ( d.w.z. het deel waarbij je aandacht betrokken is),

heeft betrekking op cognitieve aspecten van ervaringen en maakt gebruik van meer

dorsaal gelegen componenten. Er lijkt een strijd gaande te zijn tussen emotionele en

cognitieve elementen: emoties verduisteren het intellect en bij hoge cognitieve

alertheid is er weinig ruimte voor emotie. Dit fenomeen kennen we uit het dagelijks

leven, maar vinden we terug in de activiteit van hersen gebieden. Echter de cingula

is bij beide aspecten actief; vermoedelijk wordt daar de balans tussen de twee

geregeld. Insula en somato-sensorische cortex zijn actief bij inkomende signalen die

afkeer oproepen , en tenslotte zijn er in de ventrale prefrontale cortex neuronen actief

in reactie op angst. De amygdala, de basale ganglia en de hypothalamus zijn actief

bij prikkeling ten gevolge van met emoties. Raz55 stelde vast dat er weliswaar sprake

is van twee hoofdstromen in deze netwerken, maar dat feitelijk deze zijn opgebouwd

uit meerdere deel-netwerken. In de onderstaande figuur, ontleend aan zijn publicatie,

wordt duidelijk welke gebieden betrokken kunnen zijn bij ‘aandacht’:

De pulvina, de colliculus superior, de superior pariëtale kwab, en de frontale visuele

velden blijken vaak geactiveerd bij onderzoek naar netwerken betrokken bij de

oriëntatie. De temporo-pariëtale junction is actief wanneer er iets nieuws opduikt. De

gyrus cingulatus anterior is een belangrijk deel van het netwerk wat betrokken is bij

het uitvoeren van handelingen. De rechter frontale en pariëtale gebieden zijn actief

wanneer mensen alert blijven. Vossel et al56 tenslotte stellen vast dat hoewel de twee

beschreven netwerken afzonderlijk functioneren, er toch ook weer veel


•

‘dwarsverbindingen’ bestaan. Juist die dwarsverbindingen maken het mogelijk

flexibel samen te werken. De lokalisatie van deze dwarsverbindingen wordt

gereguleerd vanuit de frontale gebieden (Gyrus frontalis inferior en media).


Bijlage 7. Geheugen.

Het geheugen is verbonden aan synaptische plasticiteit (zie een volgende alinea).

Die is van belang voor het doorgeven van informatie wordt doorgegeven binnen

neuronale circuits. Als een synaps blijft bestaan betekent dit dat een circuit blijft

bestaan en iets onthouden wordt. In onderstaande tabel worden de vijf belangrijkste

vormen van geheugen in samenvatting weergegeven.

Vijf vormen van geheugen met hun belangrijkste hersengebieden. Een deel van de hersenen dat essentieel is voor het functioneren van het desbetreffende geheugen is gecursiveerd

Type geheugen Omschrijving Betrokken hersendelen

Declaratieve geheugen Het vermogen aan om alledaagse gebeurtenissen te onthouden en weer voor de geest te halen.

prefrontale, pariëtale en temporale cortex, cingula, hippocampus

Korte termijn geheugen - iconisch geheugen

- werkgeheugen

Gegevens die binnen komen worden hier meteen kortdurend opgeslagen. Het vermogen gegevens die binnenkomen op hun waarde te wegen

Prefrontale en frontale cortex Prefrontale cortex in samenhang met veel andere hersendelen

Episodische geheugen Herinneringen van specifieke persoonlijke ervaringen die op een bepaalde tijd en plaats plaatsvonden.

Parahippocampale gebieden, hippocampus, cortexdelen.

Semantisch geheugen Het blijvende geheugen Veel cortexgebieden, door complexe netwerken onderling verbonden

Impliciet geheugen Het vermogen vaardigheden gewoonten en voorkeuren te onthouden.

Diverse cortex gebieden in samenhang met striatum en cerebellum

In deze tabel staan gebieden aangegeven die via macrocircuits met elkaar

verbonden zijn en samenwerken. Elk van de genoemde hersenschorsgebieden

heeft op microcircuit niveau een afzonderlijke rol in ingewikkelde aspecten van

waarnemen, bewegen, emotie en geheugen etc. Het cortico-hippocampale systeem

ondersteunt zowel ons gevoel van vertrouwdheid, herkenning van voorgaande

waarneming van de feiten waar het over gaat, als ons vermogen die ervaring zelf uit

ons geheugen terug te roepen. Dit stelsel werkt door middel van wat men noemt

‘relational memory processing’ waarbij zaken die onthouden moeten worden,

gekoppeld worden aan andere zaken vanuit de context waarin de ervaring zich

voordeed, verder aan de gebeurtenissen die er aan vooraf gingen en die welke er op

volgen, en aan zaken die er op lijken57. Het valt daarbij op dat wanen in dit

perspectief een fout in het onderling aan elkaar verbinden van verwante zaken

betreffen; er worden koppelingen gelegd tussen wel en niet reëel gebeurde zaken,


die daardoor toch in het netwerk van aan elkaar verbonden geheugenfeiten als

realiteit worden ingebed.

Synaptische plasticiteit en geheugen. Synaptische plasticiteit is een eigenschap van

het neuron waardoor het individu zich kan aanpassen aan invloeden vanuit de

omgeving, aan fysiologische veranderingen en aan ervaringen (zie het artikel over

het neuron). Dynamische veranderingen in de sterkte van reeds bestaande

verbindingen binnen neurale circuits , veranderingen in cortico-corticale en cortico-

subcorticale samenhang in relatie tot de taak die uitgevoerd wordt, en aanpassingen

in verband met gedrag en neurale activiteit, vinden plaats in reactie op veranderingen

in hetzij indrukken die binnen komen, dan wel in eisen die gesteld worden aan

uitgaande impulsen. Dit proces van voortdurende veranderingen gaat gepaard met

het ontstaan van nieuwe verbindingen door groei van de dendrieten en door

vertakking daarvan. Het draagt tegelijk het risico in zich, dat het zich immer

ontwikkelende patroon van neurale activering kan leiden tot abnormaal gedrag.

Plasticiteit is zo het mechanisme dat nodig is voor ontwikkeling en leren, maar

tegelijk ook een oorzaak van pathologie58.


Literatuur:

1 Fukai, T, Riken publications (laboratory website), 2009

2 Ardid, S, Wang X.J. Compte, A. An integrated Microcircuit Model of Attentional Processing in the neocortex.

J. Neurosci, Vol 27 32 2007 pp 8486-8495.

3 Flavell S.W. Greenberg ME Signalling mechanisms linking neuronal activity to gene expression and plasticity

of the nervous system Annu Rev Neurosci. 2008; 31: 563-90

4 Fukai, T, ibid.

5 Green, M, Schizofrenie ontsluierd,Nieuwezijds uitgeverij 2003 ISBN 90 5712 158 1

6 Byrne, JH Introduction to Neurons and Neuronal networks, University of Texas Health Centre 1997

7 Ahmed R.M, Devenney E.M , Irish M, Ittner A, Naismith S, Ittner L.M., Rohrer J.D, Halliday G.M, Eisen A, Hodges J.R, Kiernan M.C. Neuronal network disintegration: common pathways linking neurodegenerative

diseases. J Neurol Neurosurg Psychiatry 2016;87 : 8 Vogels T.P. Rajan K, Abbott L.F. Neural network dynamics Annu Rev Neurosci 2005; 28 357-76

9 Zhao T, Zhu Y, Tang H, Xie R, Zhu J,. Zhang J H Consciousness: New Concepts and Neural Networks Frontiers in Celular Neuroscience 2019

10 . Grillner S ,Deliagina T , El Manira A Hill R.H. Orlovsky G.N. Waltén P. , Ö. Ekeberg O Lansner A. Neural networks that co-ordinate locomotion and body orientation in lamprey , Trend in neurosciences 1995

11 Priebe NJ Mechanisms of Orientation Selectivity in the Primary Visual Cortex Annual reviews 2017

12 Colm R, Karama S, Jung R E, Haier R J Human intelligence and brain networks. www.dialogues-cns.org 2010

13 Bos, W. Proefschrift (summary in Dituch) openaccess leiden univ 2011

14 Jain V.P Shete VV Shiragapur B.K. Sleep stage classification using wavelet transform & neural network.

Journal of electronics 2012.

15 Grossberg, S. The link between Brain Learning, Attention and Conciousness. Academic press, Boston 1999.

16 Eichenbaum, H. (2008) Scholarpedia 3(3) 1747. revision #45577

17 Carter, R, Het brein in kaart. Uniepers Abcoude 1998 ISBN 90 6825 211 9

18 Milner, B, Squire L.R. Kandel E.R. Cognitive Neuroscience and the Study of Memory. Neuron vol 20 march

1998.

19 Rosenfield I, Ziff, E. How the Mind Works: Revelations. The New York Review of Books Volume 55

Number 11 June 26 2008.

20 Eichenbaum, ibid.


22 Hattori D, Miljard S, Wojtowicz W.M. Zipursky S.L. Dscam-Mediated Cell Recognition Regulates Neural

circuit Formation. Ann Review of Cell And Developmental Biology, 24 (597-620) 2008

23 Huberman A,D, Feller, M.B. Chapman, B. Mechanisms Underlying Development of Visual Maps and

Receptive Fields, Annual reviw of Neuroscience, 31 (479-509) 2008.

javascript:void(0);javascript:void(0);javascript:void(0);javascript:void(0);http://www.dialogues-cns.org/


24 Salinas, PC, Zou Y, Wnt signalling in neuralcircuit assembly, Annu Rev Neurosci. 2008; 31:339-58

25 Kim JJ Jung MW, Neural circuits and mechanisms involved in Pavlovian fear conditioning: a critical review.

Science direct 2005

26 Bi Z Zhou C Understanding the computation of time using neural network models PNAS 2020

27 Yu Y A Review of Recurrent Neural Networks, LSTM Cells and Network Architectures Neural Computation

2019

28 Pulvermuller F, The neuroscience of Language: on Brain Circuits of words and Serial Order. Cambridge

University Press 2002

29 Pulvermüller F Fadiga L. Active perception: sensimotor circuits as a cortical basis for language. Neuroscience

2010.

30 Pulvermüller M. Brain Embodment and grammar. Brain and Language 2010.

31 Bernis D, Pylkkänen L Neural circuits used in processing basic linguistic phrases. Science daily New York

University 2011.

32 Malik N. Neuronal network and language: a need for change and expansion of terminology. International

Journal of Multidisciplinary Thought 2015.

33 Friedemann Neural reuse of action perception circuits for language, concepts and communication. Prog.

Neurobiol 2017.

34 Kahn, H. J., & Whitaker, H. A. (1991). Acalculia: An historical review of localization. Brain and Cognition,

17(2), 102-115.

35 Lin H Tegmark M, arxiv.org/abs/1608.08225: Why Does Deep and Cheap Learning Work So Well? 2016

36 Rickard TC, Romero SG, GBasso G, Wharton C, Flitman S, Grafman J, The calculating brain: an fMRI study, Neuropsychologia 2000. 37 Graziano M. The organization of behavioral repertoire in Motor cortex. Annu Rev Neurosci. 2006 29 105-34.

38 Briggman K.L. Kristan W.B. Multifunctional patters-generating circuits. Annu Rev Neurosci 2008 31 271-

294.

39 Eichenbaum, ibid,

40. Hoffman R E McGlashan T H. Neural Network Models of Schizophrenia Neuroscientist 2001;

41 Nelson, K. De goddelijke hersenstam. Ten Have, 2011

42 Koch C Massimini M Boly M Tononi G. Neural correlates of conciousness: progress and problems.

Nature reviews neuroscience 2016

43 Damasio A, Meyer K, Consciousness: An Overview of the Phenomenon and of Its Possible Neural Basis. In Laurey S Tononi G, The neurology of consciousness. 2009. 44 King P, Soso M, Could consciousness become an emergent property of neural networks? Berkeley Redwood Center for Theoretical Neuroscience 2016

http://arxiv.org/abs/1608.08225


11. Yirka B. Brain study suggests consciousness a matter of optimal degree of connectedness in neural network.

Neuroscience 2016

46 Zhao T et Al ibid.

47 Bayne T Seth AK, Massimini MAre There Islands of Awareness? Trends in Neurosciences, 2020, 48 Adelstein JS, Shehzad Z, Mennes M, DeYoung CG, Zuo X-N, et al. (2011) Personality Is Reflected in the

Brain’s Intrinsic Functional Architecture. PLoS ONE 6(11): e27633. doi:10.1371/journal.pone.0027633

49 Kennis M, Rademaker AR Geuze E. Neural correlates of personality: An integrative review Researchgate 2012. 50 Etkin A, Büchel C, Gross JJ The neural basis of emotion regulation. Nature reviews 2015 51 Vanvinckenroye A, Vandewalle G, Phillips C,. Chellappa SL Eyes Open on Sleep and Wake: In Vivo to In Silico Neural Networks Hindawi Publishing Corporation Neural Plasticity 2016,

52 Kurth S, Dean DC, Achermann P, O’Muircheartaigh J, Huber R, Deoni SCL,. LeBourgeois MK, Increased

Sleep Depth in Developing Neural Networks: New Insights from Sleep Restriction in Children Frontiers in

Human Neuroscience 2016.

53 Kim, YH, Gitelman DR, Nobre,AC, Parrish TB,. LaBar KS, Mesulam MM*,§,The Large-Scale Neural Network for Spatial Attention Displays Multifunctional Overlap But Differential Asymmetry 1 NeuroImmage

1999.

54 Taylor JG Fragopanagos N, ANNA: An artificial Neural Network for Attention to emotional recognition.

KES 2003.

55 Raz A. Anatom,y of Attentional Networks. The anatomical record 2004.

56 Vossel S, Geng JJ, Fink GR. Dorsal and ventral Attention Systems: distinct Neural circuits but Collaborative

Roles. The Neuroscientist 2014


58 Pascal-Leone A, Amedi A Fegni F Merabet L.B. The plastic human brain cortex Annu Rev Neurosci 2005 28:

377-401.

Neuronale netwerken, een samenvatting November 2020...Neuronale netwerken, een samenvatting November...

Documents

Transcript of Neuronale netwerken, een samenvatting November 2020...Neuronale netwerken, een samenvatting November...