Biologische psychologie IIHoofdstuk 1 : OnderzoeksmethodenExperimentele ablatieIs een van de meest belangrijke onderzoeksmethoden. Hierbij gaat men doelgericht hersenweefsel uitschakelen, en daarna het gedrag van het dier observeren. De functies die dan niet meer uitgevoerd kunnen worden zijn degene die gecontroleerd werden door het beschadigd hersengebied. a. Hersenlesie Hersenlesie = Een wond/beschadiging aan een deel van de hersenen. De studie die zich hier mee bezighoudt heet lesieonderzoek. Men kan ook tijdelijke lesies aanbrengen door middel van verdoving, maar meestal voert men permanente lesies uit. Men moet voorzichtig zijn met conclusies trekken. Bv men kan denken dat een rat kan zien omdat ze zich normaal door een doolhof beweegt, maar misschien is de rat wel blind en maakt ze gebruik van haar snorharen om richting te geven. Lesiestudies zijn ontstaan als reactie tegen de frenologie ( = Schedellezen). Bv. Gall: probeerde de structuur van de schedel in kaart te brengen, in stukjes. De vorm van de schedel ging dan samen met bepaalde gedragingenFlourens: Paste de ablatie toe Bv. Het uitschakelen van het cerebellum leidt tot veranderingen in het motorisch gedrag. Hoe gebeurt een hersenlesie? Dit kan corticaal, door aspiratie = Wegzuigen van hersenweefsel door middel van een glazen pipet en een vacum pomp. Dit gebeurt echter niet in de hersenen, maar wel aan de oppervlakte. Men kan ook subcorticaal hersenlesies gaan aanbrengen, door : Een elektrode implantaat : Hierbij gaat men met een stalen draad (elektrode) waarvan alleen de top actief is naar de plaats in de hersenen die men wil vernietigen. De top gaat men activeren, deze straalt een radiogolven uit die voor hitte zorgen waardoor de nabije cellen vernietigt worden. Het nadeel hieraan is dat het weinig precies is en daardoor schade kan toebrengen aan cellichamen en zenuwbanen. Een andere vorm van subcorticale hersenlesies is een excitotoxische lesie : Hierbij gaat men in de hersenen een lesie aanbrengen door middel van een intracerebrale injectie van een chemische stof (aminozuur). Hierdoor worden de neurale cellichamen vernietigt maar de axonen van van andere neuronen blijven gespaard. Bv. Het mediaseptum is betrokken in de neurogenese van de gyrus dentatus van de hippocampus. De neurogenese is belangrijk bij ongevallen of bij ouderdom, waardoor de hippocampus belangrijk is. Het voordeel van deze methode is dat het gericht aan cellichamen bindt en daardoor de zenuwbanen spaart. Het nadeel aan deze methode is dat men een klein beetje schade aanbrengt wanneer men de elektrode of cannule door de hersenen naar het targetgebied beweegt.

b. Stereotaxische ingreep Een stereotaxisch apparaat is een boormachine die bestaat uit een houder die de kop van het dier in een standaardpositie vastzet. Daarnaast bevat het ook een drager die een cannule of elektrode over een bepaalde afstand beweegt in zowel de hoogte, de breedte als de diepte. Men geeft de cordinaten van de hersenstructuur in (die men vindt in de atlas) zodat men exact kan weten waar men boort, ten opzichte van het bregma. Wanneer men een stereotaxische ingreep wil uitvoeren moet men eerst de stereotaxische atlas bestuderen. De stereotaxische atlas : Geen twee breinen zijn hetzelfde. Toch kan men de locatie van een specieke hersenstructuur, relatief ten opzichte van het hoofd voorspellen. Zo dient bv. Het bregma vaak als referentiepunt. Het bregma = De plaats waar de fontanellen naar de geboorte zijn dichtgegroeid. Een stereotaxische atlas bevat dan fotos of tekeningen die corresponderen aan frontale secties genomen op verschillende afstanden rostraal en caudaal van het bregma. Elke pagina van de atlas is dan genummerd naargelang de afstand van de sectie anterieur of posterieur aan het bregma. Het rooster op elke pagina wijst de afstand ventraal naar de top van de schedel en lateraal tot de middenlijn aan. Wanneer men dan een bepaalde hersenstructuur moet vinden gaat men deze opzoeken in de atlas, en via de afstanden ten opzichte van het bregma (dat men kan zien bij het dier) bepalen waar men de ingreep moet uitvoeren. Bij het openen van de schedel is vindt er een schok plaats door de operatie en de eigenlijke ingreep. Zo weet men soms niet of het verder gedrag een resultaat is van de aangebrachte lesie, of van de schade die reeds ontstond bij de operatie om tot bij het hersenweefsel te raken. Om te resultaten niet te verwarren gaat men een sham lesie uitvoeren op een placebogroep. Bij een sham lesie voert men dezelfde operatie uit maar verwijdert men geen hersenweefsel. Men boort dus ook de schedel open, brengt de elektrode binnen tot de juiste diepte, maar verder doet men niets. Dergelijke ingrepen worden soms ook op mensen uitgevoerd, bv. Bij de ziekte van Parkinson. c. Histologische methoden Nadat de lesie bij het dier werd aangebracht en het gedrag geobserveerd heeft, gaat men de hersenen van het dier dissecteren om zo de plaats van de exacte lesie de verifiren. Wanneer men de hersenen wil bestuderen zoals ze waren voor de dood van het dier, moet men de autolytische (zelfvernietigende) enzymen vernietigen. Het hersenweefsel moet ook bewaard worden om het tegen bacterin te beschermen. Om dit te bereiken plaats men het hersenweefsel in een fixeermiddel. Het vaakst gebruikte fixeermiddel is formaline, een waterige oplossing van formaldehyde, een gas. Formaline houdt de autolyse tegen, versterkt het brein en vernietigt microorganismen die het brein kunnen aantasten. Voor de hersenen echter gefixeerd worden wordt het eerst geperfuseerd. Dit wil zeggen dat het bloed verwijdert wordt en vervangen met een andere vloeistof, een zoutoplossing. Hierna worden de hersenen met een microtoom in schijfjes gesneden. De dikte van deze schijfjes is afhankelijk van de microscoop die men achteraf wil gebruiken. Voor een lichtmicroscoop zijn de schijfjes tussen 10 en 80 micrometer dik. Bij een elektronenmicroscoop zijn ze dunner dan een micrometer. Hierna worden de verschillende coupes gekleurd door middel van verschillende chemische oplossingen, waardoor men de details beter kan zien. De verschillende weefseltypes kan men van elkaar onderscheiden omdat ze verschillende stoffen absorberen. Bv. Nissl

(methyleenblauw) voor DNA, RNA en protenen, cresyl violet voor celnuclei. Daarna wordt de coupe onder een microscoop geplaatst. d. Microscopie De lichtmicroscoop is gelimiteerd door het feit dat door natuur van licht zelf, het vergroten van een beeld tot 1500 maal geen details toevoegt. Synaptische blaasjes en organellen blijven hier onzichtbaar. Om zulke kleine details te kunnen zien, moet men gebruik maken van een transmissie elektronenmicroscoop. Hierbij worden een straal elektronen door het preparaat gestuurd, waarbij de straling zorgt voor een schaduw van het weefsel op een fluorescerend scherm dat gescand wordt in een computer. Op basis van deze schaduwprojecties kan men dan een reconstructie maken van het weefsel. Scanning elektronenmicroscopie vergroot het beeld minder dan een elektronenmiscroscoop dit doet, maar het heeft als voordeel dat het een object in 3 dimensies kan worden getoond. De microscoop scant het weefsel door middel van een bewegende balk van elektronen. De informatie die men verkrijgt door middel van de reflectie van de balk wordt ontvangen door een detector waardoor de computer een 3D-beeld kan vormen. Confocale laser scanning microscopie : Hierbij is is het niet nodig dat de hersenen in dunne plakjes worden gesneden. Men gaat de cellen waarin men genteresseerd is fluoresceren. Zo kunnen bij voorbeeld neuronen die een bepaald peptide produceren gelabeled worden met een fluorescerende kleur. Een balk licht van een specifieke kleur wordt dan geproduceerd door een laser en overgedragen door een spiegel die licht van bepaalde golflengtes doorgeeft en licht van andere golflengtes reflecteert. Het licht dat de fluorescentie in het weefsel triggert gaat dan door de spiegel en het licht van de fluorescente moleculen wordt gereflecteerd door lenzen die een beeld vormen. Een kleine opening in de microscoop blokkeert al het licht dat uitgezonden wordt door het weefsel behalve het licht dat van een bepaalde diepte komt. Het licht dat door de opening gaat wordt dan gemeten door een detector. Twee bewegende spiegels zorgen ervoor dat het licht van de laser het weefsel scant, waardoor de computer de informatie krijgt om een beeld te vormen van een schijf van het weefsel op een afstand bepaald door de locatie van de opening. Dit kan bij levend weefsel!

e. Opsporen van neurale verbindingen Stel : Na histologisch onderzoek bij ratten vind je dat het VMH geassocieerd is met reproductief gedrag. Maar hoe ziet deze verbinding er precies uit? Het VMH speelt niet rechtstreeks in op dit gedrag, het heeft waarschijnlijk invloed op een weefsel, dat op zijn beurt ook invloed heeft op iets anders, etc. Dit spoort men op de efferente axonen van de structuur te traceren. Dit doet men door middel van een anterograde labelling methode. Deze methoden gebruiken chemicalin die worden opgenomen door dendrieten of cellichamen en dan door de axonen getransporteerd worden naar de terminale uiteinden. Een lektine dat geproduceerd wordt door kivietsbonen, PHA-L, wordt gebruikt om efferente axonen te identificeren. Om de bestemming van de efferente axonen van neuronen die gelokaliseerd zijn in het VMH te weten te komen, injecteert men PHA-L in de nucleus ervan. De moleculen van PHA-L worden opgenomen door dendrieten en worden getransporteerd door het soma in het axon waar ze naar de terminale uiteinden reizen. Binnen een paar dagen zijn de cellen volledig gevuld met PHA-L. Wanneer het dier dan sterft snijden we de hersenen in plakjes en leggen ze onder de microscoop. Immunocutochemische methode = Maakt gebruik van de immuunreactie. Het immuunsysteem van ons lichaam kan antilichamen produceren als respons op antigenen. Na dissectie van de hersenen worden ze blootgesteld aan een antistof die gekoppeld is aan een fluorescerende stof. Het contact tussen een PHA-L protene en de antistof zorgt dan voor een immuunreactie, waardoor de fluo kleur zichtbaar wordt onder een lichtmicroscoop. Wanneer men de input van het VMH, dus het pad voor de VMH wil onderzoeken moet men de afferente axonen traceren. Dit houdt in : Van het terminale uiteinde naar de celkern. Dit doet men door middel van de retrograde labelling methode. Hierbij gaat men eerst een kleine hoeveelheid fluorogold in het VMH injecteren. Dit wordt opgenomen door de terminale uiteinden en teruggebracht naar de cellichamen door de axonen. Enkele dagen later wordt het dier gedood, zijn hersenen gesneden in plakjes en het weefsel wordt onderzocht onder licht van de gepaste golflengte. De moleculen van fluorogold fluoresceren onder dit licht. (Zo ontdekte men dat de mediale amygdala n van de gebieden is die input geeft aan het VMH.) Anterograde en retrograde methoden identificeren slechts een enkelvoudige link tussen geschakelde neuronen. De transneurale tracing methode identificeert 2, 3 of meer neuronen die onderling synaptisch verbinden. Het meest effectieve voorbeeld hiervan is het injecteren van een virus (bv. Pseudorabis, een verzwakte vorm van het varkensherpesvirus) direct in een hersengebied, wordt meteen opgenomen door neuronen die het infecteert. Het virus verspreid zich door de neuronen en en wordt uiteindelijk vrijgelaten waardoor het virus voortgedragen wordt door neuronen waarmee verbindingen worden gemaakt. Sommige neuronen sterven af, sommigen overleven. Door middel van deze methoden kan men zowel het anterograde als het retrograde pad in kaart brengen. f. Studie van het levende menselijke brein (in vivo hersenonderzoek)

Recente vooruitgang in X-ray technieken heeft ervoor gezorgd dat men nu het brein ook bij levende personen kan onderzoeken. De eerste methode die hierbij werd ontwikkeld heet computarized topography (CT). Deze procedure, die vaak een CT scan wordt genoemd gaat als volgt te werk : Het

hoofd van de patint wordt in een grote ringvorm geplaatst die een X-straal buis bevat en direct tegenover deze buis een X-straal detector. De X-straal gaat door het hoofd van het subject en de detector meet de hoeveelheid radioactiviteit die erdoor passeert. Het hoofd wordt langs alle kanten gescand, de resultaten worden verzonden naar een computer die op basis van de informatie een beeld kan construeren. Hierbij worden botstructuren wit, en zachte weefsels zwart afgebeeld. Een andere methode is de diffusion tensor imaging (DTI) : Dit is gebaseerd op de beweging van watermoleculen. Wanneer een weefsel veel diffusie vertoont wijst dit op meer integriteit. Dikke weefsels laten minder watermoleculen door. Deze methode brengt kleinere vezelbundels en banen in kaart brengen en de verbindingen tussen de gebieden. Deze methode maakt gebruik van een aangepaste MRI scanner. H moleculen in vezelbanen aligneren zich spontaan met de richting van het gemyeliniseerd axon bij een specifieke temperatuur, na computerverwerking leidt dit tot helder gekleurde weergaven.

Fractional anisotropy (FA) = het meten van de anisotropie (mate van diffusie) Hierbijcorrespondeert de waarde 0 met een perfecte bolvormige diffusie, en een waarde 1 met een ideale lineaire diffusie. Een goed gemarkeerde zenuwbaan of tractus heeft een FA van minimaal 0.20. Mean diffusivity: berekening van de totale diffusie van wat men meet (voxel), word vaak gebruikt om witte stof lesie te lokaliseren.

Registratie en stimulatie van de neurale/neuronale activiteit.Hierbij gaat men het verband zoeken tussen het gedrag en de intensiteit van de activatie in een specifieke hersenregio. g. Registratie van neurale activiteit Actiepotentialen en synapsen kunnen geregistreerd worden en veranderingen in de elektrische activiteit van een bepaald hersengebied kunnen bepalen of een bepaald hersengebied een rol heeft in een bepaald gedrag. Stel, men wil weten of de activiteit van serotonerge en noradrenerge neuronen varieert naargelang de verschillende fases in de slaap. Dit gaat men meten door middel van microelektrodes. Deze elektrodes meten het actipotentiaal en het postsynaptisch potentiaal in een individueel neuron (wordt ook wel single unit recording genoemd). Vaak zijn de signalen van een microelektrode eerder zwakt, daarom worden ze versterkt door een versterker. De signalen worden dan vertoond op een oscilloscoop en opgeslagen op een computer voor latere analyse. Soms wil men echter de activiteit van een hersengebied in zijn geheel onderzoeken, dit doet men dan door het gebruik van macroelektrodes. Deze registreren de postsynaptische signalen van een groep neuronen rondom de elektrode. Dit gebeurt zowel invasief, door middel van een implantaat, of niet-invasief door middel van een externe meting op de schedel. De metingen worden weergegeven door middel van een polygraaf, dat een elektroencephalogram produceert. Het EEG vindt zijn oorsprong in 2 processen: 1) De synaptische aktiviteit van de corticale neuronen onder invloed van neurotransmitters waardoor er 2) Veranderingen ontstaan in de membraanpotentialen van de neuronen = Postsynaptische potentialen (bron van EEG-golven). Electrodes registreren voltageverschillen tussen lokaties. De voordelen hiervan zijn : Een hoge temporele resolutie en een rechtstreekse en eenvoudige meting. De nadelen hiervan zijn dat er enkel een oppervlaktemeting plaatsvindt en een lage spatile resolutie. Het EEG wordt gebruikt voor onderzoek bij epilepsie,

hersenletsels en vermoeden van TIA (kortstondige periode waar bloedvaten verstoord zijn, door bloedklonter). Magnetoencephalografie: Elke electrische stroom veroorzaakt magnetisch veld. Deze magnetische veldjes rond actiepotentialen en postsynaptische potentialen = meetbaar met SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Magnetoencephalografie = gebundelde groep SQUIDs dat het magnetisch veld van een groep synchroon geactiveerde neuronen meet.

h. Registratie van metabolische en synaptische activiteitHersenacitiviteit zorgt voor energieverbruik, wat op zijn beurt zorgt voor iontransport in het celmembraan. De metabolische activiteit kan men registreren door middel van : Een injectie van radioactief 2DG (2-deoxy-glucose), dat als glucose wordt opgenomen. Activiteit verhoogt dan de concentratie van de radioactieve stof. Glucose: is de energiestof in de hersenen dat het meest word gebruikt. Hoe meer activiteiten hoe meer 2DG (een stof dat lijkt op glucose) word opgenomen omdat de hersenen energie nodig hebben. Daarna gaat men met een postmortem onderzoek de activiteit meten Postmortem autoradiografie = coupes met emulsie ontwikkelen zich als een film in donkere kamer. Donker-licht contrast toont dan de concentratieverschillen. FOS protene in celnucleus wordt bij celactivatie actief, het word geproduceerd in de nucleus van een neuron door respons van synaptische stimulatie. Door het kleuren van fos kan men zien welke breindelen actief waren. De metabole activiteit van specifieke hersengebieden kan gemeten worden PET-scans (position emission tomography). Hierbij wordt de persoon genjecteerd met een dosis radioactief 2DG. Dan wordt het hoofd van de persoon in een machine gelijkaardig aan een CT scanner geplaatst. Wanneer de radioactieve moleculen van 2DG dan vervallen, stoten ze subatomische partikels, genaamd positronen, uit. Deze worden gedetecteerd door de scanner. De computer berekent dan een 2D beeld van regio(s) die radioactieve substantie hebben geabsorbeerd = actieve zones. Daarna produceert het een beeld ba, ee, schijf in het brein, waarbij het activiteitsniveau van verschillende gebieden in die schijf wordt getoond. Een absoluut voordeel = registreert concentratie van chemische stof in specifieke regios. De nadelen: Duur (De chemische stoffen verliezen zeer snel hun radioactiviteit Ze worden geproduceerd in een cyclotroon), lage spatiale resolutie (onscherp beeld), lage temporele resolutie (betrouwbare emissie registratie / verzerking vereist minimale tijd (+ 90) >< kortdurende activaties worden gemist). De methode blijft toch invasief en dus schadelijk. Een andere methode is de fMRI (Functionele Magnetische Resonantie). Dit is een verbeterde fMRI, waarbij de beelden zeer snel verkregen worden en het toelaat het regionale metabolisme te meten door middel van detectie van de zuurstofniveaus in de bloedvaten van de hersenen. De fMRi scans hebben een hogere resolutie (spatiaal + temporeel) dan PET scans, ze werken veel sneller en geven meer gedetailleerde informatie. Het nadeel is dat ze geen neurotransmissie traceert en een indirect correlaat meet.

i.

Stimuleren van neurale activiteit

Tot nu toe zagen we methoden die de hersenactiviteit meten. Soms zullen we echter deze activiteit in diverse gebieden artificieel wijzigen, om na te gaan welke effecten dit heeft op het gedrag. Bv. We zagen reeds dat VMH een rol speelt in de voortplanting. Nu is het zo dat ratten waarvan de eierstokken verwijderd zijn, geen seksueel gedrag meer vertonen. Misschien is

het zo, dat wanneer we het VMH activeren, dit compenseert voor het gebrek aan eierstokken en de rat toch seksueel gedrag zal vertonen? Ja. Men kan neuronen activeren door zowel elektrische als chemische stimulatie. In het geval van de elektrische stimulatie dient men elektrische stroom in een specifiek hersengebied toe door middel van een zeer fijne draad. Op deze manier activeert men de cellichamen en hun langslopende axonen. Chemische stimulatie wordt bereikt door middel van de injectie van een excitatorisch aminozuur, dat bindt op de glutamaatreceptoren, waardoor enkel de cellichamen of dendrieten van de doelregio worden geactiveert Zeer specifiek. Het axon wordt hier niet geactiveerd! Deze injecties kunnen geboren door middel van een apparaat dat permanent aan de schedel geplaatst wordt, zodat het gedrag van het dier meermaals geobserveerd kan worden. Dit heet een intracraniale cannule. Het nadeel aan deze methode is dat het gecompliceerder is dat de elektrische methode. Een groot voordeel echter is dat de effecten meer gelokaliseerd zijn, aangezien hierbij het axon niet geactiveerd wordt. Men kan specifieke neuronenpopulaties selectief activeren door middel van foto-stimulatie. Dit gebeurt door middel van een injectie van foto-sensitieve protenen (ChR2 & NpHR). Deze reageren zeer snel op blauw en geel licht. Wanneer ze dan belicht wordt door de gepaste frequentie veroorzaakt dit depolarisatie of hyperpolarisatie van het ionkanaal. Wanneer men dit koppelt aan gemodificeerde genen laat dit toe om zeer selectief bepaalde neuronenpopulaties te gaan onderzoeken. Men gebruikt lichtbundels voor zones die dieper in de hersenen gelegen zijn, door middel van LED diodes boven de schedelboring, of door een stereotaxisch implantaat in de optische vezels. Nog een andere methode is transcranile magnetische stimulatie (TMS). Hier worden neuronen geactiveerd door een externe spoel die door middel van magneetpulsen stroom opwekt en bepaalde zones stimuleert. Dit maakt gebruik van het lokaal (subcraniaal) magnetische veld. Het probleem hiermee is dat dit alleen corticaal kan gebruikt worden en diepere gebieden niet gestimuleerd worden. Het voordeel hieraan is dat de stimulatie erg gelijkaardig is aan de effecten van directe stimulatie. Deze methode kan toegepast worden bij een regressieve depressie (= Wanneer men zelfs niet meer communiceert) of bij psychoses.

Neurochemische methodenStel : We weten dat een bepaalde drug het gedrag benvloed. Hoe onderzoeken we dan de neurale circuits die verantwoordelijk zijn voor de effecten van de drug? Hoe lokaliseren we neuronen met specifieke receptoren of die verantwoordelijk zijn voor de secretie van een bepaalde stof. Bv. Enkele jaren geleden ontdekte men dat boeren die blootgesteld waren aan bepaalde soorten insecticiden, organofosfaten, zeer bizarre en intense dromen hadden, en zelfs illusies rapporteerden in wakkere toestand. De verklaring hiervoor is dat de drug de neurale circuits die verantwoordelijk zijn voor dromen stimuleert. De methoden voor het opsporen van neuronen met een specifieke secretie zijn : Ten eerste kunnen we op zoek gaan naar de stof zelf. Bv. Protenen en peptides kunnen direct gelokaliseerd worden door middel van immunocytochemische methoden (zie voorgaande). Ten tweede kan men dit doen de enzymen die de stof produceren op te sporen. Tenslotte kan men nog het messenger RNA dat betrokken is bij de synthese opsporen. Dit doet men door radioactief RNA te koppelen aan mRNA.

Bv. In situ hybridisatie : De productie van RNA dat complementair is aan een bepaalde messenger RNA zodat men de messenger RNA kan opsporen Dit betekent : Men maakt gekleurd RNA aan, dit bindt aan het messenger RNA dat we willen vinden, waarna we de RNA binding gemakkelijk terugvinden door de kleuring. Men kan ook de gesecreteerde stoffen zelf gaan opsporen. Dit doet men door een metalen buisje, uitlopend op een cylindervormige koker met een selectief doorlaatbaar membraan in de te planten. Door de diffusiekracht wordt extracellulair vocht in de dialysekoker gedreven, waarna het vocht voor analyse wordt opgepompt en kan men de concentratie van de stoffen in het membraan meten. Dit heeft zeer uitzonderlijk een klinische toepassing, namelijk het monitoren van concentraties van bepaalde stoffen na een bloeding of trauma.

Genetische methodenTweelingenstudies : Een sterke methode om de invloed van erfelijkheid op een bepaalde trek te meten is door middel van het concordantieniveau te vergelijken tussen monozygote (eencellige) en dizygote (tweecellige) tweelingen te vergelijken. Monozygote tweelingen hebben 100 % identieke genotypes, terwijl dit bij dizygote tweelingen 50 % is. Deze hypothese is gebaseerd op de waarneming dat genetisch gestuurde kenmerken hogere concordantie ratios hebben bij monozygote tweelingen. Adoptie onderzoek : Hierbij gaat men ervan uit dat gedrag een interactie is tussen genetica en de omgeving (zowel prenataal als postnataal). Hier gaat men de overeenkomsten met de biologische versus de adoptieouders onderzoeken. Doelgerichte mutaties : Soms gaat men een gemuteerd gen in de chromosomen implanten, met als doel om een specifiek functioneel protene niet wordt aangemaakt. Antisense oligo-nucleotiden : Hier gaat men een antisense oligo-nucleotide (= Meestal een gemodificeerde string RNA of DNA) injecteren dat de proteneproductie, gencodeerd voor een bepaald gen, blokkeert.

Hoofdstuk 2 : Leren en geheugenInleidingLeren refereert naar het proces waarbij ervaringen ons zenuwstelsel en ons gedrag veranderen. Deze veranderingen vinden dan plaats in onze hersenstructuur en zijn eigenlijk dus de veranderingen in de sterkte tussen synapsverbingen. Deze veranderingen noemt men herinneringen. Het geheugen wordt gevormd door de consolidatie van informatie, wat een zeer moeilijk proces is. Leren bestaat in verschillende vormen. Ten eerste bespreken we hier perceptueel leren. Dit is de vaardigheid om stimuli die men eerder heeft gepercipieerd te leren herkennen. De primaire functie van dit type leren is objecten en situaties te kunnen identificeren en categoriseren. Perceptueel leren wordt vooral door de visuele - en de sensorische associatiecortex gedaan. Daarnaast kan men ook leren door klassieke conditionering. Hierbij leert men een bepaald gedrag te stellen wanneer een specifieke stimulus wordt gepresenteerd. Een onbelangrijke stimulus neemt dan de eigenschappen van een specifieke stimulus over. Zo komt er een associatie tussen beide stimuli. (Voor meer info, zie boek). Instrumentele conditionering/operante conditionering houdt in dat bepaalde gedragingen niet automatisch gebeuren zoals bij de klassieke conditionering, maar dat ze aangeleerd worden. Dit vergt een associatie tussen een respons en een stimulus. Het is een flexibele vorm van leren omdat het een organisme toelaat het gedrag aan te passen aan de gevolgen van dit gedrag. (voor meer, zie boek) Motorisch leren : Bij voorbeeld, leren stappen. De laatste vorm van leren is relationeel leren. Bv. Wanneer men s nachts een kat hoort miauwen, kan men zich een beeld vormen van hoe een kat eruit ziet. Zo kan men er dus vanuit gaan dat de neurale circuits in de auditorische associatie cortex verbonden moeten zijn met de visuele associatie cortex. Dit bestaat uit 2 vormen : Ruimtelijk leren, waarbij men objecten eerst moet herkennen en dan hun locatie relatief ten opzichte van elkaar. De andere vorm is episodisch leren (of : het autobiografisch geheugen). Dit is zeer complex, omdat men niet enkel de mensen, plaatsen etc. zich moet herinneren maar ook de volgorde waarin de gebeurtenissen plaatsvonden. Donald Hebb formuleerde de dual-trace memory formation De cellulaire basis van leren. Hij stelt dat : Als neuron A er regelmatig in slaagt om neuron B te activeren, zal de verbinding tussen beide efficinter worden. Ook, wanneer groepen neuronen vaak samen actief zijn verhoogt dit de sterkte van hun interconnectiviteit.

De neurale basis van leren : Synaptische pla sticiteitDe neurale basis van leren is de communicatie van neuronale informatie via een synaps. De ontvangende neuronen ontvangen multipele boodschappen van andere neuronen, en deze boodschappen bepalen dan of er een actiepotentiaal ontstaat of niet. Vele theorien betreffende het leren stellen dat langetermijnpotentiatie (=doordat er een hoge activiteit is gaat de synaptische sterkte tussen 2 neuronen versterken men gaat leren) en langetermijndepressie ( = doordat er een lage activiteit is gaat de synaptische sterkte tussen 2 neuronen verminderen men gaat vergeten), de mechanismen van synaptische plasticiteit, de cellulaire basis van het leren is.

a. Mechanismen van synaptische plasticiteit Synaptische plasticiteit = Het vermogen van de synaps tussen twee neuronen om van sterkte te Veranderen Hiermee wordt bedoeld dat de elektrische prikkelbaarheid van neuronen verandert. Er gebeuren dan veranderingen in de grootte van het voltage bij het doorgeven van een signaal in de postsynaptische cel, dit heet het postsynaptische potentiaal. Dit veroorzaakt een verandering van de intersynaptische chemische gradint. Wanneer er dan voldoende post-synaptisch potentiaal is veroorzaakt dit een polarisatie. Een postsynaptische respons kan zowel exciterend of inhiberend zijn. Dit is afhankelijk van het type kanaal dat gekoppeld is aan een receptor. Bv. AMPA en niet-NMDA reageren snel, maar NMDA reageert trager. Daarnaast is de respons ook afhankelijk van de ionenconcentratie zowel binnen als buiten de cel (dit heet de drempelwaarde). Deze drempelwaarde mot eerst overschreden worden voor er actie ondernomen wordt, dit bepaald de depolarisatie. De langetermijnpotentatie (LTP) is een versterking van een synaptische verbinding tussen twee neuronen door activatie van een pre- en postsynaptisch neuron. Dit is dus een toename van het postsynaptisch antwoord na een korte periode van een hoogfrequente stimulatie aan de synaps van een neuron. Het mechanisme van het potentiatie-effect omvat een toename van calcium in het postsynaptische uiteinde en een verhoogde gevoeligheid voor glutamaat. Chemische transmissie gebeurt in 2 stappen : Eerst is er de transmissiestap met vrijgave van de neurotransmitters door de presynaptische cel in de synaptische spleet. Daarna volgt de receptieve stap, waarbij de neurotransmitter aan de postsynaptische cel wordt gebonden via een chemische receptorzijde. Dus : LTP = Een verhoging van de doeltreffendheid van een synaps ; Herhaalde stimulatie van een synaps leidt tot een verhoging van een excitatorisch postsynaptisch potentiaal (EPSP) en van de gevoeligheid voor neurotransmitters. Een van deze neurotransmitters is glutamaat. Dit glutamaat veroorzaakt de calcium instroom. Glutamaat heeft zowel snelle exciterende receptoren (AMPA of non-NMDA) als trage potentiaalafhankelijke exciterende receptoren (NMDA, dit gaat traag omdat geen enkele stof er onmiddellijk in kan omdat er een magnesium stop op de doorgang zit van het kanaal, pas als het ion kanaal voldoende word gestimuleerd gaat de calcium weg en kunnen de stoffen door). Een kortdurend LTP heeft enkel kortetermijn effecten. Zowel langetermijnpotentiatie als depressie is mogelijk. Dit is enkel gebaseerd op veranderingen in de waarschijnlijkheid van de presynaptische actiepotentialen. Een langdurend LTP duurt meer dan enkele uren. Enkel de synapsen die actief zijn wanneer het postsynaptische membraan gedepolariseerd is worden dan versterkt, maar protenesynthese is nodig. LTP initieert 2 processen. Ten eerste produceert het protenes door synthese van messenger RNA in de ribosomen in de nucleus en van de cel en in de dendrieten. Ten tweede produceert het een chemische tag/adres in de dendritische uitlopers waar de LTP plaatsvindt, zodat de protenes naar een specifieke synaps gaan. De nieuwe protenes dringen eerst door de dendrieten van de cel en worden opgenomen door tags en gebruikt om LTP te voorzien.

Elektrische stimulatie van circuits binnen de hippocampus kunnen leiden tot langetermijn synaptische veranderingen die lijken verantwoordelijk te zijn voor het leren. Lomo vond dat intense elektrische stimulatie van axonen die leiden naar de entorhinale cortex naar de dentate gyrus een lange termijn stijging in de grootte van excitatorische postsynaptische potentialen in de postsynaptische neuronen veroorzaakt. Dit noemt men de lange termijnspotentiatie. De anatomie van de hippocampus : De hippocampale formatie is een gespecialiseerd gebied van de limbische cortex, gelokaliseerd in de temporele lob. Omdat de hippocampale formatie gevouwd is in n dimensie, en dan geplooid in een andere heeft het een complexe 3 dimensionale vorm. De hippocampale formatie bestaat uit het subiculaire complex, de hippocampus zelf en dentate gyrus. LTP in de hippocampus : Het bovenste gekromde deel van de hippocampus wordt de Ammonshoorn genoemd en bestaat uit 4 kerngebieden : De CA1, CA2, CA3 en CA4 velden. De schors van de CA1, CA2 en CA3 velden bevat voornamelijk piramidecellen. De gyrus dentatus bevat graankorrelcellen. Het grootste deel van de input en output van de hippocampale formatie worden gekanaliseerd door de entorhinale cortex. Neuronen in de entorhinale cortex brengen binnenkomende informatie naar de graankorrelcellen van de gyrus dentatus door middel van een bundel van axonen die het perforante pad genoemd wordt. Deze neuronen zenden dan de axonen in veld CA3 van de hippocampus zelf. De hippocampus wordt ook wel Ammonshoorn genoemd. De uiteinden van de vezels van de dentate gyrus vormen synapsen met de dendritische stekels van de piramidecellen in CA3. De axonen van CA3 piramidecellen vertakken in twee richtingen. 1 vertakking eindigt in het nabijgelegen veld CA1, waar het synapsen vormt met de dendritische stekels van andere piramidecellen. De andere vertakking gaat verder naar structuren in het basale voorbrein, het septum en de mamillaire lichamen. Een ander axonensysteem verbindt CA1 piramidecellen met hun tegenhangers aan de tegenovergestelde kant van de hersenen. CA1 piramidecellen zorgen voor de primaire output van de hippocampus : Zij zenden axonen naar neuronen in het subiculaire complex, wiens axonen uit de hippocampale formatie projecteren naar de entorhinale cortex en ook door de fimbria naar het basale voorbrein. Een typische procedure voor de meting van LTP : Een stimulerende elektrode wordt geplaatst tussen de axonen in het perforante pad, en een registrerende elektrode wordt in de dentate gyrus geplaatst, naast de graankorrelcellen die input van de axonen krijgen. De axonen van deze graankorrelcellen maken vervolgens als mosvezels synaptische contacten met dendrieten van de piramidecellen in het CA3 veld. De CA-3 axonen van de piramidecellen splitsen zich in twee richtingen: De CA3 axonen van het ene deel verlaten de hippocampus via een uitstulping aan de onderzijde van de hippocampus: De zogeheten fimbria doorheen de fornix naar structuren in de basale voorhersenen hetgeen het septum en het mammilaire lichaam insluit. De CA3 axonen van het andere deel het collateraal van Schaffer, projecteren naar de piramidecellen van CA1 in de

ammonshoorn. CA1 axonen projecteren tenslotte naar het subiculum en voorzien deprimaire output van de hippocampus. Niet associatieve langetermijnspotentiatie gaat als volgt : Het gaat om LTP dat een additief effect vereist: door een serie van pulsen op een hoge snelheid depolariseert het membraan =vlugge stimulatie depolariseert het membraan. Dit kan van minuten tot maanden duren na herhaalde stimulatie, op verschillende plaatsen: Hippocampus, visuele cortex, auditieve cortex, motorische cortex. LTP door hoogfrequente stimulatie van de axonen door een trein van 100 Hz gedurende 1-> seconden. = veroorzaakt activatie van postsynaptische cel (weefselsnede). Normaal gesproken zal alleen snelle stimulatie (via pulsentrein) leiden tot depolarisatie (vuren) van cellen in CA1, maar dezelfde stimulatie op een laag-frequente manier zal dit niet doen (ev. LTD) = activatie van de synaps, o.i. van neurotransmitters = depolarisatie van het postsynaptisch neuron = summatie-effect door successieve EPSPen. Maar associatieve LTP vereist echter een extra fenomeen. Associatieve LTP = Associatie tussen twee prikkels, bijvoorbeeld een zwakke en een sterke puls, die gelijktijdig of kort na elkaar op verschillende locaties van het presynaptisch membraan worden aangeboden. Normaal gesproken zal alleen de sterke puls (of pulsentrein) leiden tot depolarisatie (vuren) van cellen in CA1. Als echter een zwakke puls gelijktijdig met (of kort na) de sterke puls wordt aangeboden, blijkt ook de reactie op de zwakke puls versterkt te worden: blijkbaar is nu ook de synaps van de zwakke puls gepotentieerd. Gelijktijdige stimulatie van zwakke en sterke synaps op een neuron versterkt ook de zwakke synaps: blijkbaar is nu ook de synaps van de zwakke puls gepotentieerd. Verschillende studies hebben aangetoond dat synaptische versterking ontstaat wanneer molecules van de neurotransmitter met postsynaptische receptoren gelokaliseerd in een dendritische spine dat al gedepolariseerd is. Een studie van Kelso, Ganong, & Brown, (1986) toont aan dat bij depolarisatie van de CA1 neuronen (door een micro-electrode te gebruiken) en gelijktijdige stimulatie van de axonen (=axonaal actiepotentiaal) die synapsen vormden met de neuronen, de synapsen sterker werden. Deze synaptische versterking vond niet plaats wanneer de twee processen op verschillende tijdstippen doorgingen. De verklaring voor dit fenomeen ligt in de karakteristieken van een speciaal type glutamaatreceptor. De NMDA receptor heeft enkele unieke eigenschappen. Men vindt deze in de hippocampale formatie, vooral in het CA1 veld. Het dankt zijn naam aan de stof waardoor het geactiveerd wordt, namelijk N-methyl-D aspartaat. De NMDA

receptor controleert een Ca2+ ionenkanaal. Dit kanaal wordt normaal gezien geblokeerd door Mg2 waardoor de calciumionen niet kunnen binnenstromen, zelfs wanneer de receptor gestimuleerd wordt door glutamaat. Maar, wanneer het postsynaptisch membraan gedepolariseerd is, wordt het Mg2+ uit het ionenkanaal geworpen, waarna het kanaal vrij is om Ca2+ ionen toe te laten. Dus,

calciumionen kunnen de cel binnen door de kanalen die door de NMDA receptoren gecontroleerd zijn enkel wanneer glutamaat aanwezig is en als het postsynaptisch membraan gedepolariseerd is. Dit betekent dat het NMDA gecontroleerd kanaal zowel neurotransmitter- als voltagegevoelig is. We hebben reeds geleerd dat enkel axonen actiepotentialen kunnen produceren, maar : Piramidecellen in CA1 produceren ook dentritische actiepotentialen! Wanneer een axon van een piramidecel namelijk vuurt worden ook de dendrieten kort gedepolariseerd via een soort backwash, waardoor het magnesiumblok van de NMDA-receptoren verwijderd wordt en er Ca2+ kan instromen. De depolarisatie van de postsynaptische cel triggert ook een actiepotentiaal in de dendriet, die zich voorplant terug in de dendriet en alle Mg2+ wegstoot. Een studie van Magee en Johnston toonde aan dat het simulatane voorkomen van een synaptische activatie en een dendritisch potentiaal de synaps versterkt. (zie boek) Celbiologen hebben ontdekt dat het calcium-ion gebruikt wordt door vele cellen als second messenger die vele enzymes en biochemische processen triggert. Verder is het duidelijk dat AP5 (2 amino 5 phosphono pentanoate) een chemische stof is die NMDA receptoren blokkeert en ervoor zorgt dat calciumionen niet kunnen binnendringen.

Mechanismen van synaptische plasticiteitWat is verantwoordelijk voor de stijging in synaptische sterkte die voorkomt tijdens een LTP? 1. Onderzoek wijst erop dat de versterking van een individuele synaps verwezenlijkt lijkt te zijn door de insertie van additionele AMPA-receptoren dit zijn non-NMDA glutamaat receptoren- in het postsynaptische membraan van de dentritische spine. Deze receptoren controleren de natriumkanalen, dus wanneer ze geactiveerd worden door glutamaat produceren de EPSPs in het membraan van de dendritische spine. Daarom, omdat er meer AMPA receptoren aanwezig zijn, veroorzaakt de vrijlating van glutamaat door de terminale uiteinden een groter EPSP. Maar hoe zorgen de binnenkomende calciumionen in de dendritische spine ervoor dat de AMPA receptoren in het postsynaptische membraan bewegen? De sterke influx van Ca2+ in het postsynaptische uiteinde veroorzaakt de activatie van twee calcium-afhankelijke protene-kinases: Ca2+calmodulinekinase en protenekinase C. CaM-KII is een calciumafhankelijk enzyme in de dendriet dat inactief blijft tot wanneer een calciumion zich ermee bindt. Deze kinase agereert dan postsynaptisch door nieuwe AMPA-receptoren in de postsynaptische uitlopers te induceren hetgeen de gevoeligheid voor glutamaat verhoogt. Deze beweging van AMPA-receptoren gebeurt niet wanneer AP5 (2Amino-5-fosfonopentanoaat) de NMDA-receptoren blokkeert. AP5 verhindert nieuwe LTP, maar onderbreekt geen LTP wanneer deze reeds voltrokken is. Het blokkeert de Ca++ tijdens LTP door de NMDA receptoren te blokkeren. CaM-KII heeft nog een bijzondere eigenschap: Het kan actief worden op zichzelf zonder verder calcium nodig te hebben door autofosforylering. Eens de autofosforylering is voltrokken, blijft de CaM-KII op zichzelf actief en heeft niet langer calcium nodig zelfs nadat de receptoren afgesloten zijn en het calcium verdwenen is. Nadat LTP genduceerd is, verzamelt CaM-KII in de postsynaptische spleet van de dendritische uitlopers waar de postsynaptische receptoren gelokaliseerd zijn. CaM-KII activeert ook een retrograde messenger genererend systeem (RMGS) dat NO (nitride-oxide) produceert als een gasachtige neurotransmitter waar het het presynaptische axon informeert over wat er postsynaptisch gebeurt. 2. Een tweede verandering dat LTP veroorzaakt is een verandering van de synaptische structuur. Buchs and Muller (1996) vonden dat na LTP, uitlopers geperforeerde synapsen met de

presynaptische uiteinden vormen. Dus: Geperforeerde synapsen zijn een kenmerk van versterkte synapsen. Ganeshina et al. (2004) vonden dat de postsynaptische densiteit van alle geperforeerde synapsen AMPA receptoren bevatten, in vergelijking met 64% van de niet geperforeerde synapsen. Daarnaast merkten ze dat het aantal geperforeerde synapse vergrootten binnen de15 en de 30 minuten na LTP, maar dat het aantal van deze synapsen weer kan dalen. Misschien zijn de geperforeerde synapsen een intermediaire stap in de productie van de splijting van een enkelvoudig synaps in twee of meer synapsen. 3. Onderzoekers geloven dat LTP ook een verschillend type van synaptische modificaties met zich meebrengt : Presynaptische veranderingen, zoals een verhoging in de hoeveelheid glutamaat vrijgegeven in het uiteinde. Maar hoe kan een postsynaptisch proces in de dendritische uitlopers, presynaptische veranderingen veroorzaken? Een mogelijk antwoord hierop komt voort uit de ontdekking dat calcium nog een ander effect heeft: Bij de influx activeert het het calciumgevoelige enzyme: NOS (nitride-oxide-synthase). NOS verlaat de cel en ageert als een kortdurende retrograde messenger die naar de presynaptische cel gaat waar het de synaptische efficintie bepaalt. NO diffundeert als een retrograde transmitter van het postsynaptisch neuron terug naar het presynaptische neuron waar het de veranderingen in synaptische efficintie bepaalt.

Langetermijn depressie (LTD)Lage frequentiestimulatie van de synaptische inputs van een cel kan eerder hun sterkte doen dalen dan doen stijgen. Dit fenomeen, gekend als Lange termijn depressie speelt ook een rol bij het leren. Geheugenopslag = proces van neurale circuits waarbij synapsen worden versterkt en andere verzwakt: LTD speelt ook een rol bij leren. LTD = langdurende daling in exciteerbaarheid van een neuron voor een specifieke synaptische input, veroorzaakt door een stimulatie van de terminale knoop terwijl het postsynaptisch membraan gehyperpolariseerd of slechts licht gedepolariseerd is. LTD laat het aantal AMPA receptoren in postsynaptisch membraan van dendritic spine dalen Bij lage frequentie stimulatie van synapsen van pyramidale cellen in de CA1 streek produceert LTD = een kleine maar langerdurende verhoging van het intracellulair Ca2. Dit brengt een matige tot kleine toename intracellulair Ca2+ en NMDA receptortype dat weinig Ca2+ doorlaat teweeg. Bij intense korte hoge frequentie stimulering: LTP is er een grote toename intracellulair Ca2+ en een NMDA receptortype dat veel Ca2+ doorlaat. Het verschil in Ca2+ zou bepalend zijn voor onderscheid LTP LTD. Associatieve LTD: wanneer de synaptische input geactiveerd is op hetzelfde moment dat het postsynaptisch membraan slechts zwak gedepolariseerd is of gehyperpolariseerd is = een vermindering van het aantal AMPA-receptoren in het postsynaptische membraan van de dendritische uitlopers. Gedurende de LTD worden de AMPA receptoren in de dendritische uitlopers verwijderd van de uitlopers in de vesikels. Een langetermijn -vermindering in de prikkelbaarheid : Bvb. presynaptisch neuron is niet actief of het postsynaptisch neuron wordt actief (door een ander neuron) De synaps tussen hen verzwakt. Zowel LTP en LTD worden verhinderd door AP5, (2Amino-5-fosfonopentanoaat) een NMDA receptor-blokker.

Hoofdstuk 3 : Leren en geheugen : Visueel lerenDe stimulusWe verkrijgen informatie over onze omgeving van de sensorische receptoren, dit zijn gespecialiseerde neuronen die verschillende fysische gebeurtenissen detecteren. Een prikkel moet eerst gedentificeerd worden, wat geheugenactivatie vereist, en daaruit wordt een perceptie gevormd. De informatie van de verschillende zintuigen (auditief, visueel, ) wordt gentegreerd in de associatiecortex. Wanneer men beelden associeert met geluiden wordt ook de auditieve associatiecortex actief. De identificatie en categorisatie van een stimulus gebeurt in de temporale associatiecortex. Onze cortex bestaat uit 4 kwabben : De frontale, de parietale, de temporale en de occipitale kwab. Visueel leren = De capaciteit om stimuli te leren herkennen die we voordien reeds gezien hebben. De functie ervan is het identificeren en categoriseren van objecten en situaties. Perceptueel leren houdt veranderingen in van synaptische connecties in de visuele associatiecortex. Het oog detecteert eerst de aanwezigheid van licht ( = Een smalle band van het spectrum van elektromagnetische radiatie 380-760 nanometer). De reeks van golflengtes die we licht noemen is niet kwalitatief verschillend van de rest van het electromagnetisch spectrum: het is eenvoudigweg het deel van het continuum dat we als mensen kunnen zien. De waargenomen kleur van licht wordt bepaald door 3 dimensies : 1. De kleur (blauw-rood-) wordt bepaald door de golflengte. Het zichtbaar spectrum omvat een reeks van kleuren die onze ogen kunnen detecteren. 2. De helderheid wordt bepaald door de variatie aan intensiteit van de elektromagnetische variatie. 3. De saturatie (= Relatieve puurheid van het licht dat waargenomen wordt). Licht reist met een snelheid van 300.000 kilometer per seconde. Tragere oscillaties leiden tot langere golflengtes, snellere oscillaties leiden tot kortere golflengtes.

Anatomie van het visuele systeemOm te kunnen zien, moet een beeld gefocust zijn op de retina. Dit beeld veroorzaakt veranderingen in de elektrische activiteit van miljoenen neuronen in de retina, wat resulteert in boodschappen die door de optische zenuwen naar de rest van het brein worden gezonden. Het oog is 18 millimeter groot bij een pasgeborene, 19,5 mm bij een kind en 24 tot 25 mm bij een volwassene (dit is 2/3 van een pingpongbal). Orbit of socket = De beenderige holte net voor de schedel waarin de ogen zich bevinden. Een mens heeft 6 soorten oogspieren, maar die zijn niet te kennen. De ogen Het oog en de hersenen zijn verbonden door : 1. De optische zenuw : Bestaat uit 1 miljoen axonen en geeft de info uit 1 oog verder door naar de hersenen. 2. Het optisch chiasme = Hier kruisen de 2 banen uit de ogen. 3. De nucleus suprachiasmaticus 4. De colliculi superior en de 5. Tractus opticus: Na de kruising in het optisch chiasme spreekt men van de tractus opticus.

De structuur van het oog bestaat uit :1. De Sclera: Dit is een dikke (1mm), taaie structuur. Het is het witte weefsel van het oog. 2. De conjunctiva: Slijmerige membranen die aansluiten aan de oogleden en de ogen beschermen. 3. Cornea : Vooraan is de sclera lichtdoorlatend, de cornea is de transparante buitenkant van het oog dat licht verzamelt (geeft refractie). 4. Chorod = Laag achteraan in het oog, tegen de scler, is 0.2 mm dik. Bij de mens is deze zwart en zorgt voor absorptie (anders bij nachtdieren). Ze bevat veel bloedvaten. 5. Pupil : Aanpasbare opening in de iris die de hoeveelheid licht regelt die het oog binnengaat (vergelijkbaar met het diafragma van een camera). Indien er weinig licht is openen pupil en omgekeerd volgens reflexmatig principe, genaamd de Whytts reflex. 6. De iris = Gepigmenteerde ring van spiertjes (2 gladde spieren-sphincter/dilator) die zich net achter de cornea bevindt. 7. De lens : De lens is gesitueerd onmiddellijk achter de iris, en bestaat uit transparante ajuinachtige lagen. De vorm kan veranderen door de contracties van de ciliaire spieren = accommodatie. 8. Retina : In de retina zijn er receptorcellen: de staafjes en de kegeltjes of defotoreceptoren (120 miljoen staafjes, 6 miljoen kegeltjes). 9. Fovea = De centrale regio van de retina , medieert het meest acute zicht, onze capaciteit om licht op verschillende golflengtes te onderscheiden en bevat enkel kegeltjes. 10. Optische schijf = Waar de axonen visuele informatie doorgeven en de informatie het oog verlaat via de optische zenuwen. Fotoreceptoren Fotoreceptoren zijn lichtgevoelige receptoren. Ze bestaan zowel in staafjes (gevoelig voor helder/donker), waarvan we er ongeveer 120-130 miljoen van hebben, en in lange dunne cylindervormige kegeltjes (gevoelig voor kleuren/scherpte,), waarvan we er ongeveer 5-8 miljoen hebben. In het donker ziet men geen kleuren omdat dan enkel de staafjes aan het werk zijn.

Codering van visuele informatie in de RetinaDetails van het retinale circuit De retina is verdeeld in drie lagen: De fotoreceptieve laag, de bipolaire cellaag en de ganglioncellaag. De retina omvat horizontale cellen en amacrine cellen = beide cellen voeren informatie in een richting parallel aan de oppervlakte van de retina en kunnen dus boodschappen van naast elkaar gelegen fotoreceptoren combineren. Bipolaire cellen : Bipolaire neuronen bevinden zich in de middenste laag van de retina, ze krijgen info van de fotoreceptoren en geven deze door aan de ganglioncellen (synapteren ermee). Ganglioncellen = Een neuron dat visuele informatie bekomt van de bipolaire cellen. De axonen van deze cellen gaan de optische zenuw vormen. Horizontale cellen = Neuronen in de retina die de nabijgelegen fotoreceptoren verbindt met de processen van de bipolaire cellen. Amacrine cellen = Neuronen in de retina die de nabijgelegen ganglioncellen en de processen van de bipolaire cellen vergelijken. Ze vergelijken de informatie uit naast elkaar gelegen gezichtsveldjes met elkaar en

dempen de signalen als ze veel op elkaar lijken, of als er steeds hetzelfde signaal doorkomt. Stukjes beeld die afwijken van hun omgeving krijgen zo extra nadruk en veranderingen in de tijd ook. Circuit bij de inval van licht: perceptie Een keten van gebeurtenissen is verantwoordelijk voor de visuele perceptie. De eerste stap in deze keten is de productie van fotopigment. Fotopigmenten zijn speciale moleculen die ingebed zijn in het membraan van de lamellae (= Dunne plaatjes membraan). De moleculen bestaan uit 2 delen : Een opsine (een protene), waarvan er verschillende vormen bestaan (bv. Het fotopigment van menselijke staafjes is rhodopsine). Daarnaast bestaan de moleculen ook nog uit een retinaal (een lipide), dat gesynthetiseerd wordt door vitamine A. Wanneer een molecule van rhodopsine wordt blootgesteld aan licht, splitst het fotopigment in twee compenenten : Rod-(staafjes)-opsine en retinaal. De rhodopsine verandert dan van kleur Van rozig naar geel, het fotopigment verbleekt door het ligt. De splitsing van het fotopigment veroorzaakt een verandering in het membraanpotentiaal van de fotoreceptor, wat de snelheid waarmee de fotoreceptor zijn neurotransmitter glutamaat vrijgeeft, wijzigt. (Fotoreceptoren voorzien input voor zowel de bipolaire cellen als de horizontale cellen die zelf geen actiepotentiaal produceren,maar wel neurotransmitters (glutamaat) produceren onder invloed van het membraanpotentiaal). Bij depolarisatie wordt glutamaat vrijgegeven door de fotoreceptor. Bij hyperpolarisatie vermindert de vrijgave van glutamaat door de fotoreceptor. We bekijken het in vereenvoudigde vorm : Wanneer er geen lichtinval is, is er continue vrijgave van glutamaat door de fotoreceptorcellen, hetgeen zich op de inhiberende metabotrope glutamaatreceptoren in de bipolaire cellen- de tweede cellaag-bindt. (=hyperpolarisatie van het membraan van de bipolaire cel=geen actiepotentiaal). Wanneer licht op een fotoreceptor invalt, gaat de rhodopsine molecule zich splitsen waardoor er een hyperpolarisatie ontstaat vd fotoreceptor waardoor de fotoreceptor minder neurotranmitter (glutamaat) vrijgeeft. Doordat er minder glutamaat bindt met de inhiberende receptoren van de bipolaire cellen vermindert de inhiberende kracht, en gaat het membraan van de bipolaire cellen depolariseren. De depolarisatie zorgt ervoor dat er meer neurotransmitter (glutamaat) wordt vrijgegeven in de synaps met de ganglioncellen. De ganglion cellen gaan daardoor sneller vuren, of met andere woorden meer actiepotentialen produceren.

Analyse van de visuele informatie: Rol van de striate cortexVerbindingen tussen het oog en de hersenen De axonen van de retinale ganglioncellen brengen informatie naar de rest van de hersenen. Deze dalen af langs de optische zenuwen en bereiken de (dorsale) laterale geniculate nucleus (LGN) Een nucleus in de thalamus. De LGN omvat lagen van neuronen, die elk input ontvangen van slechts 1 oog. Zo zijn er de magnocellulaire lagen (de 2 binnenste lagen), die het magnocellulaire pad vormen. Daarnaast bestaan er de parvocellulaire lagen of het parvocellulaire pad (de 4 buitenste lagen) en de koniocellulaire lagen, die men ventraal van elk van de magnocellulaire en parvocellulaire lagen vindt. Elk van deze lagen is verantwoordelijk voor de analyse van verschillende types van visuele informatie. De neuronen in het LGN zenden zijn axonen doorheen een pad naar de primaire visuele cortex, ook wel de striate cortex genoemd. Na een eerste analyse worden de kenmerken van de visuele scene

naar het tweede niveau van de visuele associatiecortex geprojecteerd de secundaire visuele cortex of de extrastriate cortex met twee routes: 1) Dorsale paritale route: Waar?: Zorgt voor de perceptie van de locatie van objecten (projecteert dorsaal in de posterieure parietale cortex). Deze is verantwoordelijk voor de sturing van handelingen, bewegingen en de waarneming van positie (via het magnucellulair visueel pad). 2) Ventrale temporale route: Wat? : Is verantwoordelijk voor objectherkenning (projecteert ventraal naar de inferieure temporaalkwab). Deze herkent plaatsen, gezichten, kleur, objecten en vorm (via het parvocellulair visueel pad). De activatie van de sensorische cortex vormt de readout van het perceptuele geheugen.

Analyse van visuele informatie: rol van de visuele associatiecortexRecent onderzoek toont aan dat de herinnering van visuele of auditieve informatie de passende regio van de sensorische associatiecortex activeert. In een studie van Wheeler et al. (2000) werden aan de personen 40 geprinte woorden zoals HOND gepresenteerd, gevolgd door beelden of geluiden zoals een beeld van een hond of het geluid van een blaffende hond. Subjecten dienden de paren stimuli te leren. Gedurende de scan werden geen beelden, maar wel geprinte woorden die de beelden of de auditieve stimuli uitlokten getoond. Woorden die gepaard gingen met visuele informatie zorgen dan voor activatie van de visuele associatiecortex. Woorden die gepaard gingen met auditieve informatie zorgden voor activatie van de auditieve associatiecortex. Visuele objectwaarneming Het ventrale visuele systeem verloopt van het netvlies over het chiasma (kruising van de kijkzenuwen) en de thalamus in de primaire hersenschors, (OC) occipitale cortex: analyse van kenmerken zoals kleuren en vormen. Eerst in het verdere verloop via de secundaire hersenschors (boven de primaire) ontstaat er in de eindregio van de inferotemporale cortex (ITC) de waarneming v. discrete objekten. Hoe weet men nu dat deze twee waarnemingssystemen bestaan? De volgende evidentie is hiervoor gevonden : Een patient met lesie in de ventrale (occipito-temporaal) systeem kon objecten niet herkennen (visuele objectagnosie). Hij was ook niet in staat, de vingers overeenkomstig een bepaald

getekend object te spreiden. Werd hij/zij gevraagd het object te grijpen, spreidden zij "automatisch" de vingers met een aangepaste afstand. Agnosie = (afgeleid van het Griekse: agnosia of 'zonder kennis) Het verlies van het vermogen om personen, voorwerpen, geluiden, reuk etc. te herkennen, terwijl de zintuiglijke waarneming wel intact is en er geen sprake is van significant geheugenverlies over de betreffende waarneming. De oorzaak is een hersenletsel, een psychische aandoening, of een neurologische aandoening zoals bijvoorbeeld de ziekte van Alzheimer. Perceptueel korte-termijngeheugen : De herkenning van iets is noodzakelijk, maar soms moeten we een waarneming even vasthouden om bepaalde dingen in te schatten, zoals afstanden. Het leren van iets gaat gepaard met een synaptische verandering in de specifieke regio van de sensorische associatiecortex die nieuwe circuits van neuronen maken. De herkenning van een stimulus gebeurt wanneer een bepaald set van neuronale circuits worden geactiveerd. Het kortetermijngeheugen = activiteit van deze circuits, ook als de stimulus verdwenen is. Visueel leren van gezichten gebeurt in de fusiforme faceregion van de visuele associatiecortex. Herkenning houdt de activatie van deze circuits in. Herinnering is de continue activatie van deze circuits, ook wanneer de stimulus afwezig is, door associatie met een andere stimulus. Ranganath et al. (2004) vonden evidentie voor een kortetermijngeheugen voor specifieke gezichten en plaatsen geassocieerd met twee verschillende regios van de ventrale stroom van de visuele associatiecortex. Bij voorbeeld : Twee regios van de ventrale stroom: 1. Fusiform area: gezichten En de 2. Parahippocampale area: plaatsen. Bij transcraniale magnetische stimulatie (TMS) van de associatiecortex blijkt dat de stimulatie van: 1. de ventrale stroom interfereerde met het kortetermijngeheugen voor visuele patronen 2. de stimulatie van de dorsale stroom interfereerde met het kortetermijngeheugen voor locatie. Perceptueel kortetermijngeheugen impliceert naast de sensorische associatiecortex ook nog andere area zoals de prefrontale cortex. De prefrontale cortex is betrokken bij het kortetermijngeheugen voor alle zintuiglijke verwerkingen. In een fMRI-studie van Courtney et al. (1998) vond men activatie van de prefrontale cortex tijdens een delayed matching task: De dorsolaterale cortex werd actief bij de presentatie van verschillende patronen. De inferieure prefrontale cortex werd actief bij de presentatie van bepaalde spatiale locaties.

Bottom-up en top down verwerkingHoe herkennen we informatie? Dit kan ofwel via een bottom-upmechanisme (data-driven, Van sensorische informatie naar een interpretatie) of via een top-downmechanisme (concept-driven Kennis gebruiken om sensorische informatie te interpreteren, hypothese testen.) Mechanismen : Saccades (=of oogsprong is een snelle beweging van de ogen die tot doel heeft een nieuw fixatiepunt te vinden. Ze duren 25 tot 100 miliseconden.) Coperatieve bewegingen en volgende bewegingen. Theorie van objectherkenning : View dependant theories : Maken een onderscheid tussen 1. viewercentered representatie: zoals het object er van een bepaald gezichtspunt uitziet (2D) en 2. objectcentered representatie: zoals het object in elkaar zit (3D). View independent theories maken dit onderscheid niet. Illusoire contouren : Bottom-up verklaring: de hersenen reageren op de discontinue rand alsof het continu is. Top-down verklaring: We willen

een geheel zien: er moet dus een driehoek aanwezig zijn. Deze driehoek wordt vervolgens gemaakt door het perceptuele systeem. Conclusies : Dus : Zowel top-down als bottom up processen ; Actieve informatieverwerking ; Belangrijk: interactie met omgeving ; Op verschillende momenten (locatie) van verwerking: andere processen ; Doel is objectconstantie ; Later in het proces van de consolidatie van de perceptuele informatie ontstaat er een reconstructie van het beeld vanuit een netwerkachtige communicatie in en tussen de betrokken hersenarea. (ZIE SLIDES)

Hoofdstuk 4 : Relationeel lerenRelationeel leren = Het leren van relaties tussen stimuli. Dit soort leren vereist connectie tussen de verschillende gebieden van de associatiecortex. Spatiaal leren = Het leren van de relaties tussen spatiale stimuli. (Ruimtelijk overzicht door middel van de afstandelijke relatie van een object ten opzichte van andere objecten). De meest complexe vorm van leren is het leren begrijpen van de relaties tussen indrukken of prikkels in onze omgeving Bij voorbeeld de voorwerpen binnen een kamer en hun ruimtelijke relaties. Dit heeft ook betrekking op de relatie tussen episodes ( = gebeurtenissen) die in de tijd plaatsvinden, of de relatie tussen prikkels die afkomstig zijn van verschillende zintuigen (geluid, tast, )

Het geheugen en amnesieAnterograde amnesie Anterograde amnesie = Dit is amnesie voor gebeurtenissen die zich voordoen na een bepaalde stoornis van de hersenen, bij voorbeeld na een hersentrauma of bepaalde degeneratieve hersenstoornissen. Hierbij blijft het lange termijngeheugen wel intact, maar men kan geen nieuwe informatie opslaan. Gegevens van voor het trauma kan men zich nog wel herinneren. Wanneer het korte termijngeheugen beschadigd is kan men in extreme gevallen geen gesprekken meer voeren. (Belangrijkste casestudy : H.M. Zie boek) De primaire oorzaak van anterograde amnesie is schade aan de aan bepaalde gebieden in de temporale cortex, zoals de hippocampale formatie. Een anterograde amnesie voor expliciete herinneringen, overwegend episodisch van aard ontstaat door problemen in het kortetermijngeheugen ontstaan door inprentingsstoornissen. Vanaf het begin van het ontstaan is hij/zij niet of bijna niet in staat nieuwe informatie (zowel verbaal als non-verbaal) (afhankelijk van de ernst) op te slaan Een voorbeeld van deze soort amnesie is het Korsakov-syndroom : Dit is een extreme vorm van anterograde amnesie. De patinten lijken niet in staat te zijn nieuwe herinneringen te vormen, hoewel ze zich de oude kunnen herinneren. Het leidt tot het verlies van het declaratieve geheugen, vergelijkbaar met schade aan de temporele lob. De hersenschade die hiervan de oorzaak is, is vaak een resultaat van alcoholmisbruik. Het syndroom is gekenmerkt door vergaande lesies van het mediale diencephalon (de mediale thalamus en de hypothalamus) en enkelvoudige beschadigingen van verschillende andere gebieden, in hetbijzonder van de neocortex en het cerebellum. Een belangrijk symptoom van dit syndroom zijn confabulaties. Wanneer men een vraag stelt waarop de patint zich het antwoord niet kan herinneren, verzint men een verhaal. Het verhaal kan dan een mengeling zijn van waargebeurde en verzonnen gebeurtenissen. Confabuleren doet men niet opzettelijk, men gelooft zelf dat het verhaal echt gebeurd is. Een ander voorbeeld is de ziekte van Alzheimer. Hierbij komt eerst anterograde, en later retrograde amnesie aan te pas. De ziekte begint entorhinaal, waarna ze uitbreidt naar de hippocampus. Er is een sterke atrofie over geheel het brein, vooral in de hippocampus. De oorzaak is een ophoping van eiwitten. Alzheimer gaat ook gepaard met : Emotie, evenwichtsstoornissen, slechte spatio-temporele navigatie, paranode verschijnselen, apathie en depressie. Alzheimer is voor een deel erfelijk bepaald. Andere mogelijke hypotheses voor de oorzaak zijn bloedbesmetting, kwikvergiftiging, diabetes en stress.

De primaire oorzaak van anterograde amnesie is schade aan de aan bepaalde gebieden in de temporale cortex, zoals de hippocampale formatie. Hippocampale lesies benvloeden het: Semantischepisodisch- en het spatiaal geheugen. Naast de mediale temporale cortex zijn er ook nog andere structuren belangrijk in het geheugen, zoals het diencephalon, ook al is de rol niet helemaal duidelijk nog.

Retrograde en partile amnesie Retrograde amnesie = Amnesie voor gebeurtenissen die aan de stoornis van de hersenen vooraf gaan, zoals een hersentrauma of elektronconvulsieve shock. Hierbij heeft men problemen met het lange termijngeheugen, maar men kan wel nieuwe informatie opslaan. Partile amnesie = Geheugenverlies voor bepaalde soorten van informatie (lacunaire amnesie). Informatie of bepaalde episoden van het leven. Het tegengestelde van deze soort heet globale amnesie. Pathologie van de temporaalkwab: Casestudy H.M. Op 9-jarige leeftijd kreeg H.M. hoofdtrauma met posttraumatische epilepsie als gevolg. De epilepsie was therapieresistent en en maakte hem functioneel invaliderend. Op 27 jarige leeftijd onderging hij een bilaterale hippocampectomie op 23 augustus 1953 (William Scoville). Sindsdien leed hij aan anterograde amnesie en retrograde amnesie, die aanvankelijk geschat was op 3 jaar maar eigenlijk kon hij zich slechts enkele zaken uit kinderjaren kon herinneren. Er was schade aan zijn expliciete langetermijngeheugen, maar zijn expliciete kortetermijngeheugen was intact. Zo ook zijn impliciete leermogelijkheden ( Herkenning) : Perceptueel leren (bv. Gezichten), sensorisch-respons leren en procedureel leren. Zo werd hij langzaam beter in de spiegeltest, zonder dat hij er zich iets van kon herinneren. Ook presteerde hij beter in de rotary pursuit test, wat erop wijst dat hij toch procedureel leerde. Bij deze test is er dan ook het vermoeden dat hij voor sensomotorische opdrachten toch een langertermijngeheugen kon opbouwen. Ook conditionering was mogelijk bij H.M. Zelfs na twee jaar vertoonde hij nog steeds een oogknipreflex wanneer een bepaalde toon klonk, die voordien geassocieerd werd met een luchtstoot. Aanwijzingen voor een onderscheid tussen het declaratief en nondeclaratief geheugen : Declaratief geheugen = Herinneringen die verbaal geuit kunnen worden. Non-declaratief geheugen = Geheugen welke zijn informatie niet steunt op de hippocampale formatie Bv. Perceptueel, stimulus-respons en motorisch leren. Hierbij gaat men onbewust of toevallig dingen herinneren, wat spontaan lijkt te gebeuren. Hoewel H.M. betere prestaties had na het leren, ontkende hij dat hij bvb. de onderbroken stippellijnen voordien al had gezien. Ook bij het natekenen van spiegelbeelden, de rotary-test en het beluisteren van melodien was dit het geval. Ook bij wijze waarop hij de conditionering aanleerde. Verdere evidentie voor dit onderscheid werd gevonden door Bayley en Squire. Zij toonden aan dat mensen nondeclaratieve herinneringen kunnen leren van verbaal materiaal. Men presenteerde geschreven zinnen, bestaande uit 3 woorden zoals VENOM veroorzaakte KOORTS. Deze zinnen werden vaak gepresenteerd, waarna de patint juist kon antwoorden op de vraag VENOM veroorzaakte wat?

Bayley, Frascino and Squire (2005) leerde diezelfde patint ook te wijzen naar een bepaald lid van een serie van 8 paren van objecten. Hij kon het juiste object aanwijzen, maar had geen expliciete herinnering waarom hij een bepaald object koos. Vormen van non-declaratief geheugen zijn : Proceduraal geheugen = Geheugen voor vaardigheden; zoals kunnen fietsen of lezen. Zo kunnen bv. Mensen met Alzheimer wel nog piano spelen. Perceptuele priming = Effecten van eerdere aanbieding van bijvoorbeeld een woord of figuur op de latere herkenning hiervan of reactie hierop). Klassieke conditionering = Leren door associatie van een conditionele en een niet-conditionele prikkel. Habituatie en sensitisatie = leren door herhaalde aanbieding. Anatomie van de anterograde amnesie Schade aan de hippocampus of de regio dat zijn input voorziet leidt tot anterograde amnesie. Wat is nu de rol van de hippocampus in de consolidatie van declaratieve herinneringen? De hippocampale formatie heeft een rol in de formatie van de declaratieve herinneringen. Het declaratieve geheugen kan onderverdeeld worden in het episodische geheugen (= De herinnering van een collectie van percepties van gebeurtenissen, georganiseerd in de tijd en gedentificeerd in een specifieke context) en het semantische geheugen (= Een geheugen voor feiten en algemene informatie). De hippocampus ontvangt informatie van de sensorische en motorische associatiecortex en van de subcorticale regio, zoals de basale ganglia en de amygdala. De hippocampus is betrokken in de verwerving van herinneringen maar ook in de verandering van de herinneringen als ze gevormd zijn. Hij zorgt niet alleen voor de opslag van informatie maar ook voor transformatie door het consolideren van informatie en deze naar andere gebieden te sturen. Ook voor de hippocampus geldt er lateraliteit. Verbale informatie wordt in de linkerhelft verwerkt en pictorale-spatiale informatie wordt in de rechterhelft verwerkt. De meest belangrijke input in de hippocampus is : 1. De enthorinale cortex, met neuronen die axonen hebben die eindigen in de dentate gyrus, de CA3 en CA1 velden. De enthorinale cortex is gelokaliseerd in de mediale temporale kwab en functioneert als interface tussen de hippocampus en de neocortex. De enthorinale cortex ontvangt input van het limbisch systeem en alle associatieregio van de neocortex via : 2. De perirhinale cortex dat visuele informatie ontvangt van de ventrale stroom ( WATstroom, deze zorgt voor de herinnering van het object). 3. De parahippocampale cortex dat visuele informatie van de dorsale stroom ontvangt =limbische cortex van de mediale temporale kwab. 4. En de fornix: C-vorm van weefsels (axonen) in de hersenen die signalen doorgeeft van de hippocampus naar de mammilaire lichamen in de hypothalamus. De hippocampale formatie ontvangt input van de subcorticale regio via de fornix. Deze input selecteert en moduleert de functies van de hippocampale formatie maar voorziet deze niet met specifieke informatie. De fornix draagt: Dopaminerge axonen van de VTA, noradrenerge neuronen van de locus coerulus en acetylcholinerge axonen van het mediale septum. (Cf. Korsakov: degeneratie van de mammilaire lichamen)

De output van de hippocampus komt primair van : 1. Het CA1 veld 2. Het subiculum (meest inferieure component van de hippocampale formatie. Het bevindt zich tussen de enthorinale cortex en het CA1-veld). Het grootste deel van deze output wordt teruggestuurd door de enthorinale, peririnale en parahippocampale cortex naar dezelfde regio van de associatiecortex, die de input voorziet. Het langetermijn- versus het kortetermijngeheugenHet kortetermijngeheugen is het geheugen dat informatie voor een korte termijn vasthoudt. Dit kan variren tussen enkele seconden: Interval > 30 seconden tot enkele minuten. Het kan bovendien een beperkte hoeveelheid informatie bevatten. Iemand die bijvoorbeeld probeert een nieuw telefoonnummer te onthouden, zal dit waarschijnlijk weer zijn vergeten als hij even door iets of iemand anders is afgeleid. Het kortetermijngeheugen heeft een beperkte verwerkingscapaciteit (n