3.6C – The Brain
Theme 1: Brain Basics
Breedlove: Chapter 6 – Evolution of the Brain and Behavior
(Zoog)dieren en mensen hebben veel overeenkomsten, maar toch verschillen we ook veel van
elkaar. Hoe kan dit? Er werd eerst gedacht dat dit zou komen door social rearing bij mensen, maar
dit is niet een volledige uitleg hiervoor. Naturalisten (= mensen die de vormen en classificaties
van organismen onderzoeken) gingen meer onderzoek doen hiernaar. Er werd bewijs gevonden
voor de evolutie. Charles Darwin kwam met het idee dat evolutie plaatsvindt door natural
selection. Dit idee is gebaseerd op de volgende 4 observaties (en 1 inferentie):
1. Reproductie neemt snel toe in een populatie, tenzij er factoren zijn die het tegenhouden
2. Individuen van een bepaalde species zijn niet identiek
3. Sommige variaties tussen individuen zijn geerfd
4. Niet alle nakomelingen van een generatie overleven om te reproduceren
5. Inferentie → de variatie tussen individuen binnen een bepaalde generatie/species
beïnvloeden de kans om te overleven. Organismen die zich beter kunnen aanpassen aan
hun omgeving, hebben een grotere kans om te overleven. Hierdoor vinden er adaptaties
plaats die uiteindelijk een populatie domineren.
Darwin kwam later ook met een ander mechanisme van natural selection, namelijk sexual
selection (= selectie gebaseerd op variatie in voortplantingssucces, variatie die ontstaat door de
partnervoorkeuren van de andere sekse. Vrouwelijke voorkeuren zullen de evolutie van
mannelijke kenmerken sturen, en omgekeerd: mannelijke voorkeuren sturen de evolutie van
vrouwelijke kenmerken).
Convergente evolutie → de evolutie van dezelfde functie bij verschillende, niet-
verwante taxonomische groepen. Veelal is wel de functie vergelijkbaar, maar is er sprake van
verschillende mechanismes. Het komt voor bij taxa die dezelfde ecologische niche bezetten
zoals roofdieren die slagtanden ontwikkelen zoals de sabeltandtijger had, of in hetzelfde
soort milieu leven, zoals rivieroevers, de savanne of de woestijn.
• Homoplasy = gelijkheden tussen fysieke/behavioral karakteristieken (onafhankelijke
evolutie)
• Homology = gelijkheden gebaseerd op dezelfde ancestry, dus bijvoorbeeld gelijkheden in
de voorpoot structuur van zoogdieren.
• Analogy = gelijkheden in dezelfde functie, terwijl de structuur er anders uitziet,
bijvoorbeeld de hand van een mens & de slurf van een olifant.
Darwins theorie heeft twee onzekerheden over 2
belangrijke processen:
1. Het mechanisme van hoe een individu
karakteristieken van zijn ouders erft;
2. De bron van individuele variatie waardoor
natuurlijke selectie plaatsvindt.
De moderne wetenschap focust zich op genetics (=
mechanismen van erfelijkheid), en hierbij wordt er
gefocust op mutaties (= een nieuwe eigenschap op het
gen-level vindt spontaan en random plaats, evolutie vindt
dus plaats d.m.v. van deze sudden jumps). Omdat mutaties
,het resultaat zijn van veranderingen in een organisme zijn genen, zijn mutaties dus erfelijk. Een
mutatie kan voordelig, nadelig of neutraal zijn. Voordelige mutaties hebben een voordelig effect
op individuen van dezelfde soort/species (= conspecifics), en deze mutatie wordt steeds
doorgegeven aan de opeenvolgende generaties. Evolutie heeft dus geen eind doel, het is een
continu proces van het omvormen van organismen als reactie op de omgeving waar ze in leven.
Dit wordt vaak onderzocht bij organismen die snel reproduceren, zoals de fruitvlieg drosophila
melanogaster. Een chromosoom is een drager van een deel van het erfelijk materiaal (DNA) van
een organisme. Dit zijn de supercoiled lengths of DNA die zich bevinden in de cell nucleus &
bevatten dus de genen. Deze genen bevatten weer 10.000 verschillende proteïnen. Epigenetische
modificatie houdt in dat de omgeving van een individu de expressie van bepaalde genen kan
veranderen, zonder de structuur van deze genen te veranderen. Hier wordt meer over verteld in
hoofdstuk 7.
Linnaeus kwam met een basis classificatie systeem die we vandaag nog steeds gebruiken. Dit
systeem toont hoe nauw verwant verschillende species zijn. Elke species wordt geïdentificeerd
door 2 namen: genus & species (mens = Homo sapiens). De volgorde van de categorieen, van
breed naar nauw, is: kingdom, phylum, class, order, family, genus & species. De gelijkheden tussen
verschillende soorten organismen reflecteren phylogeny (= de evolutionaire geschiedenis van
een particuliere soort organisme). Dit wordt vaak gerepresenteerd als een family tree die aantoont
welke soort organisme een andere soort organisme hebben ‘gemaakt’.
,Het veld van de taxonomie (classificatie) van organismen maakt gebruik van genetics om de
phylogeny te reconstrueren (= de evolutionaire geschiedenis van een bepaald organisme). De
verschillen in DNA samples tussen 2 species kunnen gebruikt worden als een moleculaire klok
waarmee geschat kan worden hoe lang geleden de 2 species uiteenliepen. Dit zie je in figuur 6.4.
We bestuderen andere species, omdat verschillende soorten dieren verschillende soorten
ecologische niches uitbuiten (= the unique assortment of environmental opportunities and
challenges to which each organism is adapted). Dit komt doordat zij verschillende onderliggende
neurale mechanismen & specifieke gedragingen hebben. Door 2 verschillende soorten
dieren/organismen te vergelijken kunnen we beter begrip verkrijgen over hoe het evolutionaire
framework werkt. Een belangrijke adaptatie is het leren & onthouden van informatie, waardoor
we succesvol kunnen voorspellen waar, wanneer en hoe we voedsel en maatjes kunnen verkrijgen
& hoe we gevaar uit de weg kunnen gaan. Deze vaardigheid is al vroeg in de evolutie ontwikkeld,
omdat zelfs simpele dieren deze vaardigheid bezitten.
Een algemene regel is dat hoe groter een hersengebied is, des te belangrijker dit gebied is voor de
adaptatie van verschillende soorten organismen. Ratten die bv. alleen in de nacht leven, hebben
een kleinere visuele cortex (V1) maar wel een groot mechano- en electrosensory gebied in de
hersenen (ze gebruiken hun staart om sensorische informatie te verkrijgen). Hetzelfde geldt voor
de platypus.
, Bij vogels is er ook gevonden dat vogelsoorten die innovatiever zijn in het zoeken van voedsel, een
grotere forebrain hebben, en dat vogels die eten bewaren voor later een grotere hippocampus
hebben. Er is ook bewijs voor seksuele selectie: vrouwelijke vogels paren liever met een
mannelijke vogel die meerdere liedjes kan zingen voor ze in plaats van maar 1, en dus passen
mannelijke vogels zich hierop aan, waardoor hun HVC (higher vocal center) over de jaren heen
groeit.
Vertebrates (gewervelden) vs. mammals (zoogdieren)
Onderzoek naar het zenuwstelsel ontstond door te kijken naar invertebrates (= ongewervelden;
organismen zonder ruggengraat), omdat dit makkelijker is. Vertebrates (= gewervelden) hebben
een complexer zenuwstelsel en brein. Alle gewervelden hebben dezelfde eigenschappen met
betrekking tot de hersenen:
1. Ontwikkeling vanuit een holle dorsale neurale buis → deze embryo buis vormt
uiteindelijk de grote onderscheidingen in de hersenen
2. Bilaterale symmetrie → linker- en rechterhersenhelft zijn bijna symmetrisch
3. Segmentatie → Pairs of spinal nerves extend from each level of the spinal cord
4. Hiërarchische controle → de hersenhelften controleren/moduleren de activiteit van de
ruggengraat
5. Verschillende systemen → het zenuwstelsel (hersenen + ruggengraat) is duidelijk een
apart systeem als het perifere zenuwstelsel
6. Lokalisatie van functie → bepaalde functies
worden gecontroleerd door bepaalde locaties in
het zenuwstelsel
Alle zoogdieren hebben de volgende hersengebieden die
in hetzelfde basispatroon verdeeld zijn: visuele, auditory
& somatosensory gebieden. Ze verschillen natuurlijk ook,
mensen hebben bijvoorbeeld gespecialiseerde
taalgebieden die ratten niet hebben. Hiernaast zie je hoe
de hersenen van een rat en die van een mens
overeenkomen.
Hoe is evolutie gerelateerd aan veranderingen in gedrag? → Er zijn 2 methodes die behulpzaam
zijn bij het onderzoeken hiervan:
1. De schedelholte van een fossiele scheden gebruiken om de vorm van hersenen van een
bepaald dier na te maken (= endocast). Dit geeft een indicatie van de grootte en vorm van
de hersenen, maar geeft geen details over de hersenen.
2. Het onderzoeken van tegenwoordig bestaande diersoorten die overeenkomsten of
verschillen vertonen m.b.t. hun voorouders. Salamanders zijn bv. zoogdieren die nog heel
erg lijken op hun voorouders, en andere zoogdieren weer totaal niet. Hiermee kan er
gedetailleerdere informatie gevonden worden over de hersenen.
Er zijn een aantal veranderingen gevonden in de hersenen van gewervelden over tijd.
• Het cerebellum is gegroeid, bij lampreys was dit veel kleiner dan bij bv. zoogdieren. De
vergrootte cerebellum is waarschijnlijk verantwoordelijk voor de complexiteit van
sensorische verwerking & motor lenigheid (agility). Dit zou dus betekenen dat de
Theme 1: Brain Basics
Breedlove: Chapter 6 – Evolution of the Brain and Behavior
(Zoog)dieren en mensen hebben veel overeenkomsten, maar toch verschillen we ook veel van
elkaar. Hoe kan dit? Er werd eerst gedacht dat dit zou komen door social rearing bij mensen, maar
dit is niet een volledige uitleg hiervoor. Naturalisten (= mensen die de vormen en classificaties
van organismen onderzoeken) gingen meer onderzoek doen hiernaar. Er werd bewijs gevonden
voor de evolutie. Charles Darwin kwam met het idee dat evolutie plaatsvindt door natural
selection. Dit idee is gebaseerd op de volgende 4 observaties (en 1 inferentie):
1. Reproductie neemt snel toe in een populatie, tenzij er factoren zijn die het tegenhouden
2. Individuen van een bepaalde species zijn niet identiek
3. Sommige variaties tussen individuen zijn geerfd
4. Niet alle nakomelingen van een generatie overleven om te reproduceren
5. Inferentie → de variatie tussen individuen binnen een bepaalde generatie/species
beïnvloeden de kans om te overleven. Organismen die zich beter kunnen aanpassen aan
hun omgeving, hebben een grotere kans om te overleven. Hierdoor vinden er adaptaties
plaats die uiteindelijk een populatie domineren.
Darwin kwam later ook met een ander mechanisme van natural selection, namelijk sexual
selection (= selectie gebaseerd op variatie in voortplantingssucces, variatie die ontstaat door de
partnervoorkeuren van de andere sekse. Vrouwelijke voorkeuren zullen de evolutie van
mannelijke kenmerken sturen, en omgekeerd: mannelijke voorkeuren sturen de evolutie van
vrouwelijke kenmerken).
Convergente evolutie → de evolutie van dezelfde functie bij verschillende, niet-
verwante taxonomische groepen. Veelal is wel de functie vergelijkbaar, maar is er sprake van
verschillende mechanismes. Het komt voor bij taxa die dezelfde ecologische niche bezetten
zoals roofdieren die slagtanden ontwikkelen zoals de sabeltandtijger had, of in hetzelfde
soort milieu leven, zoals rivieroevers, de savanne of de woestijn.
• Homoplasy = gelijkheden tussen fysieke/behavioral karakteristieken (onafhankelijke
evolutie)
• Homology = gelijkheden gebaseerd op dezelfde ancestry, dus bijvoorbeeld gelijkheden in
de voorpoot structuur van zoogdieren.
• Analogy = gelijkheden in dezelfde functie, terwijl de structuur er anders uitziet,
bijvoorbeeld de hand van een mens & de slurf van een olifant.
Darwins theorie heeft twee onzekerheden over 2
belangrijke processen:
1. Het mechanisme van hoe een individu
karakteristieken van zijn ouders erft;
2. De bron van individuele variatie waardoor
natuurlijke selectie plaatsvindt.
De moderne wetenschap focust zich op genetics (=
mechanismen van erfelijkheid), en hierbij wordt er
gefocust op mutaties (= een nieuwe eigenschap op het
gen-level vindt spontaan en random plaats, evolutie vindt
dus plaats d.m.v. van deze sudden jumps). Omdat mutaties
,het resultaat zijn van veranderingen in een organisme zijn genen, zijn mutaties dus erfelijk. Een
mutatie kan voordelig, nadelig of neutraal zijn. Voordelige mutaties hebben een voordelig effect
op individuen van dezelfde soort/species (= conspecifics), en deze mutatie wordt steeds
doorgegeven aan de opeenvolgende generaties. Evolutie heeft dus geen eind doel, het is een
continu proces van het omvormen van organismen als reactie op de omgeving waar ze in leven.
Dit wordt vaak onderzocht bij organismen die snel reproduceren, zoals de fruitvlieg drosophila
melanogaster. Een chromosoom is een drager van een deel van het erfelijk materiaal (DNA) van
een organisme. Dit zijn de supercoiled lengths of DNA die zich bevinden in de cell nucleus &
bevatten dus de genen. Deze genen bevatten weer 10.000 verschillende proteïnen. Epigenetische
modificatie houdt in dat de omgeving van een individu de expressie van bepaalde genen kan
veranderen, zonder de structuur van deze genen te veranderen. Hier wordt meer over verteld in
hoofdstuk 7.
Linnaeus kwam met een basis classificatie systeem die we vandaag nog steeds gebruiken. Dit
systeem toont hoe nauw verwant verschillende species zijn. Elke species wordt geïdentificeerd
door 2 namen: genus & species (mens = Homo sapiens). De volgorde van de categorieen, van
breed naar nauw, is: kingdom, phylum, class, order, family, genus & species. De gelijkheden tussen
verschillende soorten organismen reflecteren phylogeny (= de evolutionaire geschiedenis van
een particuliere soort organisme). Dit wordt vaak gerepresenteerd als een family tree die aantoont
welke soort organisme een andere soort organisme hebben ‘gemaakt’.
,Het veld van de taxonomie (classificatie) van organismen maakt gebruik van genetics om de
phylogeny te reconstrueren (= de evolutionaire geschiedenis van een bepaald organisme). De
verschillen in DNA samples tussen 2 species kunnen gebruikt worden als een moleculaire klok
waarmee geschat kan worden hoe lang geleden de 2 species uiteenliepen. Dit zie je in figuur 6.4.
We bestuderen andere species, omdat verschillende soorten dieren verschillende soorten
ecologische niches uitbuiten (= the unique assortment of environmental opportunities and
challenges to which each organism is adapted). Dit komt doordat zij verschillende onderliggende
neurale mechanismen & specifieke gedragingen hebben. Door 2 verschillende soorten
dieren/organismen te vergelijken kunnen we beter begrip verkrijgen over hoe het evolutionaire
framework werkt. Een belangrijke adaptatie is het leren & onthouden van informatie, waardoor
we succesvol kunnen voorspellen waar, wanneer en hoe we voedsel en maatjes kunnen verkrijgen
& hoe we gevaar uit de weg kunnen gaan. Deze vaardigheid is al vroeg in de evolutie ontwikkeld,
omdat zelfs simpele dieren deze vaardigheid bezitten.
Een algemene regel is dat hoe groter een hersengebied is, des te belangrijker dit gebied is voor de
adaptatie van verschillende soorten organismen. Ratten die bv. alleen in de nacht leven, hebben
een kleinere visuele cortex (V1) maar wel een groot mechano- en electrosensory gebied in de
hersenen (ze gebruiken hun staart om sensorische informatie te verkrijgen). Hetzelfde geldt voor
de platypus.
, Bij vogels is er ook gevonden dat vogelsoorten die innovatiever zijn in het zoeken van voedsel, een
grotere forebrain hebben, en dat vogels die eten bewaren voor later een grotere hippocampus
hebben. Er is ook bewijs voor seksuele selectie: vrouwelijke vogels paren liever met een
mannelijke vogel die meerdere liedjes kan zingen voor ze in plaats van maar 1, en dus passen
mannelijke vogels zich hierop aan, waardoor hun HVC (higher vocal center) over de jaren heen
groeit.
Vertebrates (gewervelden) vs. mammals (zoogdieren)
Onderzoek naar het zenuwstelsel ontstond door te kijken naar invertebrates (= ongewervelden;
organismen zonder ruggengraat), omdat dit makkelijker is. Vertebrates (= gewervelden) hebben
een complexer zenuwstelsel en brein. Alle gewervelden hebben dezelfde eigenschappen met
betrekking tot de hersenen:
1. Ontwikkeling vanuit een holle dorsale neurale buis → deze embryo buis vormt
uiteindelijk de grote onderscheidingen in de hersenen
2. Bilaterale symmetrie → linker- en rechterhersenhelft zijn bijna symmetrisch
3. Segmentatie → Pairs of spinal nerves extend from each level of the spinal cord
4. Hiërarchische controle → de hersenhelften controleren/moduleren de activiteit van de
ruggengraat
5. Verschillende systemen → het zenuwstelsel (hersenen + ruggengraat) is duidelijk een
apart systeem als het perifere zenuwstelsel
6. Lokalisatie van functie → bepaalde functies
worden gecontroleerd door bepaalde locaties in
het zenuwstelsel
Alle zoogdieren hebben de volgende hersengebieden die
in hetzelfde basispatroon verdeeld zijn: visuele, auditory
& somatosensory gebieden. Ze verschillen natuurlijk ook,
mensen hebben bijvoorbeeld gespecialiseerde
taalgebieden die ratten niet hebben. Hiernaast zie je hoe
de hersenen van een rat en die van een mens
overeenkomen.
Hoe is evolutie gerelateerd aan veranderingen in gedrag? → Er zijn 2 methodes die behulpzaam
zijn bij het onderzoeken hiervan:
1. De schedelholte van een fossiele scheden gebruiken om de vorm van hersenen van een
bepaald dier na te maken (= endocast). Dit geeft een indicatie van de grootte en vorm van
de hersenen, maar geeft geen details over de hersenen.
2. Het onderzoeken van tegenwoordig bestaande diersoorten die overeenkomsten of
verschillen vertonen m.b.t. hun voorouders. Salamanders zijn bv. zoogdieren die nog heel
erg lijken op hun voorouders, en andere zoogdieren weer totaal niet. Hiermee kan er
gedetailleerdere informatie gevonden worden over de hersenen.
Er zijn een aantal veranderingen gevonden in de hersenen van gewervelden over tijd.
• Het cerebellum is gegroeid, bij lampreys was dit veel kleiner dan bij bv. zoogdieren. De
vergrootte cerebellum is waarschijnlijk verantwoordelijk voor de complexiteit van
sensorische verwerking & motor lenigheid (agility). Dit zou dus betekenen dat de
