App met hersenstructuren
niet vergeten !!!
Neuropsychologie: The student’s guide to cognitive neuroscience
Hoofdstuk 1: Introducing cognitive neuroscience
Wilder Penfield deed experiment op 400 ‘living human brains’
- De patiënten ondergingen een operatie voor hun epilepsie
- Men wou achterhalen welke regio’s van het brein betrokken waren in beweging en sensatie
- Hij deed een elektrische stimulering v/d regio’s i/h brein, terwijl de patiënt wakker was
= NIET pijnlijk ! (het brein heeft geen pijnreceptoren)
- De patiënten hadden bepaalde ervaringen:
• Stimulatie van occipitale lob: ‘a star came down toward my nose’
• Stimulatie van regio dichtbij cental sulcus: ‘those fingers and my thumb gave a jump’
• Stimulatie van temporele lob: ‘I heard the music again: it is like the radio’
De elektrische stimulatie voelde dus zoals een mentale ervaring
De stimulatie op een bepaalde plaats en de effecten hierop worden ‘gemapped’
Cognitie = een verscheidenheid aan hogere mentale processen, zoals denken, waarnemen,
imagineren, spreken, acting en plannen
Cognitive neuroscience = een ‘brug’ tussen cognitive science en cognitive psychology met biologie en
neuroscience
Deze studie is mogelijk dmv technologische voortuigangen
Cognitive neuroscience in historical perspective
Philosophical approaches to mind and brain
Volgens Aristoteles kwamen mentale ervaringen voort uit het hart, volgens Plato kwam dit voort uit het brein
Centrale vraag: Hoe kan een fysieke substantie onze sensatie, gedachten en emoties beïnvloeden?
= mind-body problem (of eigenlijk: mind-brain problem)
1) Dualisme (Descartes)
- Onze geest en ons brein zijn opgemaakt uit verschillende substanties
- Geest = niet-fysiek en onsterfbaar
- Lichaam = fysiek en sterfbaar
- De interactie gebeurt in de pineal gland
2) Dual-aspect theory (Spinoza)
- Geest en brein zijn twee verschillende levels van verklaring voor hetzelfde
- Ze zijn niet twee verschillende ‘dingen’
3) Reductionisme (Churchland)
- Cognitieve mind-based concepten (emoties, herinneringen, …) zullen uiteindelijk vervangen
worden door pure biologische constructen (bv.: neuronaal vuren, NT vrijlating, …)
- Psychologie zal dus ook uiteindelijk gereduceerd worden naar de biologie
- Ze vergelijken dit met het ‘flogiston-verhaal’
➔ Men dacht dat flogiston vrijkwam uit hout, zodat het in brand kon vliegen
➔ Uiteindelijk ontdekte men dat het zuurstof was dat ervoor zorgde dat hout kon branden
1
,Scientific approaches to mind and brain
Pas sinds de 19de eeuw zijn we het brein al iets beter gaan ‘snappen’
- Aristoteles (300 v.C.): ‘de ratio tss breingrootte en lichaamsgrootte is het grootste in meer
geavanceerde soorten, zoals de mensen’ (= juist !)
➔ MAAR: hij dacht dat cognitie een product was van het hart, ipv van het brein
➔ Het brein was volgens hem een ‘cooling systeem’ (= hoe meer intelligentie, hoe groter dit
moest zijn)
- Galen (150 n.C.): zenuwen projecteren van en naar het brein
➔ Hij geloofde dat de mentale ervaringen in de ventrikels ‘zaten’
➔ Dit idee werd 1500 jaar lang gevolgd
• Bv.: Vesalius tekende de ventrikels heel gedetailleerd en van de cortex maakte
hij een simpele schets
• Pas in 1800: Gall en Spurzheim maken tekeningen waarin de delen van het
brein herkenbaar waren
Gall en Spurzheim = aanhangers van de frenologie:
- Assumptie 1: de verschillende regio’s in het brein, voeren verschillende functies uit en zijn
geassocieerd met verschillende gedragingen
- Assumptie 2: de grootte van deze regio’s kan je voelen aan de schedel en dit zorgde voor
individuele verschillen in de cognitie en personaliteit
- Assumptie 3: er is een duidelijke onderverdeling in psychologische trekken
Het idee van functional specialization werd overgenomen tot de dag van vandaag ! (= assumptie 1)
MAAR: de vorm van je schedel heeft niets te maken met cognitieve functies !
De functional specialization werd duidelijk bij de studies van Broca:
- Hij bestudeerde 2 patiënten met hersenschade
- Hierdoor konden beide patiënten niet meer spreken, maar waren hun andere cognitieve
vaardigheden wel nog intact
- Conclusie: taal ligt in een bepaalde gelokaliseerd deel van het brein
- Later werd ‘taal’ opgedeeld in: taalherkenning, taalproductie en conceptuele kennis
Later: Wernicke ontdekte een andere taalregio (dmv patiënt met breinschade)
➔ Er zijn dus minstens twee taalgebieden in het brein: comprehension vs production
Cognitive neuroscience = de benadering waarbij men patiënten met een hersenletsel gebruikt om
theorieën over de normale cognitie te ondersteunen
Information-processing approach = moderne visie die de cognitieve psychologie bestudeert adhv
computermetaforen van het brein:
- Broadbent: cognitie bestaat uit een aantal processing stages:
o Model: perception → attention → short-term memory → long-term memory
Modularity (Fodor):
- Variant van functional specialization methode
2
, - Hij maakt een onderscheid tss 2 klassen van cognitieve processen obv welke informatie deze
klassen kunnen verwerken:
• Centrale systemen
= domain independent: het type van informatie dat ze verwerken is niet-specifiek
(bv. memory, attention, executive functions, …)
• Modulen
= domain specificity: ze verwerken 1 type van informatie (bv. kleur, vorm, woorden, gezichten, …)
= voordeel: ze kunnen snel, efficiënt en in isolatie van andere cognitieve systemen,
informatie verwerken
- Sommige denken dat deze modulen in de genen zitten en aangeboren (innate) zijn
veel kritiek op dit idee
‘Het brein als een computer programma’ = is geavanceerd over de jaren heen
→ Veel cognitieve modellen bevatten een element van interactivity en parallel processing
- Interactivity = stages in processing zijn niet strikt gescheiden en latere stages kunnen al
beginnen vooraleer de vorige stages compleet zijn + latere stages kunnen de outcome van
vroegere stages beïnvloeden
➢ = top-down ipv bottom-up
- Parallel processing = veel verschillende informatie kan samen verwerkt worden
staat itt serial processing
Connectionist models are mathematical (computational) in nature but
don’t involve serial processing and discrete routines
The birth of cognitive neuroscience
De technologische vooruitgangen in imaging technology zorgen voor een duwtje in de rug van de
moderne cognitieve neuroscience
Imaging leidde tot de ontwikkeling van functional imaging + ook tot de mogelijkheid om
hersenletsels (brain lesions) preciezer te beschrijven, wat hiervoor nog niet mogelijk was
(behavle postmortem)
De cognitieve neuroscience maakt gebruik van heel veel methoden !
- Belangrijk onderscheid: recording methods en stimulation methods
- Elektrische stimulatie v/h brein wordt niet meer veel gebruikt, maar kan nog gebruikt
worden in therapeutische context (bv. bij Parkinson)
- Modern: we gebruiken stimulaties op de schedel, zoals:
• Transcranial magnetic stimulation (TMS)
• Transcranial electrical stimulation (tES)
3
, - Andere methodes:
• Organic brain leasions Ze registreren de elektrische
• Electrophysiological methods (EEG/ERP en single-cell recordings) en magnetische
eigenschappen v/d neuronen
• Magnetophysiological methodes
• Functional imaging methods: PET, fMRI, fNIRS
= hemodynamic methods: ze registreren fysiologische veranderingen die
geassocieerd worden met bloedtoevoer naar het brein
In de les:
- 1970s: structural imaging methods (CT, MRI) enable precise images of the brain (and brain
lesions)
- 1980s: PET adapted to models of cognition developed by psychologists
- 1985: TMS is first used (a non-invasive, safer equivalent of Penfield’s earlier studies)
- 1990: level of oxygen in blood used as a measure of cognitive function (the principle behind
fMRI)
Deze methoden kunnen we op deze dimensies plaatsen (!!!):
- Temporal resolution
= verwijst naar de nauwkeurigheid waarmee men kan meten wanneer een gebeurtenis
plaatsvindt
= EEG, MEG, TMS en single-cell recording hebben een millisecond resolution
= fMRI heeft een temporele resolutie van een paar seconden
- Spatial resolution
= verwijst naar de nauwkeurigheid waarmee men kan meten waar een gebeurtenis zich
voordoet
= lesion en functional imaging hebben een millimeter spatial resolution
= single-cell recording heeft een spatiale resolutie op neuronen-niveau
- Invasiveness
= geeft weer of het apparaat intern of extern gelokaliseerd is
= PET is invasief aangezien het een injectie v/e radio-labeled isotoop gebruikt
= single-cell recordings worden uitgevoerd op het brein zelf, en gebeuren enkel op niet-
menselijke dieren
4
,X-as: temporal resolution Y-as: spatial resolution
Multi-unit en single-cell recording = zijn de beste
MAAR: hierbij wordt de schedel opgesneden waardoor we deze methoden minder vaak gebruiken
Does (cognitive) psychology need the brain? Yes
Does neuroscience need cognitive psychology? Yes
From modules to networks = there is some functional specialization, but this is not absolute and
specialized regions function in networks
Hoofdstuk 5: The lesioned brain and stimulated brain
Alien hand syndrome
- Een van je handen beweegt en doet dingen zonder dat je hier zelf controle over hebt
- Meestal door een probleem met het corpus callosum
- Moeilijk op te lossen
- Mogelijke oplossing: het alien hand bezig houden (bv. wandelen met een stok ook al is dit
niet nodig)
We bestuderen mensen met hersenschade, hierdoor krijgen we veel info over hoe het brein werkt
→ Cases die ons verder hebben geholpen:
- Tan: lost his ability of how to speak (language)
- Phineas Gage: his personality changed
- DF: important patient in understanding the object recognition
- HM: lost his memory
Reverse engineering = we onderzoeken de functie van een component of regio in het brein door te
kijken wat de persoon met hersenschade wel nog en niet meer kan doen
Er zijn verschillende brain manipulation methods die het hele brein of lokale circuits ‘manipuleren’
- Bv.: noninvasive brain stimulation (NIBS) waarvan transcranial magnetic stimulation (TMS)
een bekende is
➔ TMS ‘produceert’ virtual lesions of reversible lesions
- Ook nieuwe methoden: gebaseerd op elektrische stimulatie
➔ Bv.: transcranial electrical stimulation (tES)
5
, ➢ tES kan gebruikt worden om de cognitieve functies tijdelijk te verstoren maar ook om
ze te stimuleren
➢ dit tweede is belangrijk bij revalidatie
Een verstoring van de breinfunctie kan ontstaan op 3 manieren:
- Natural damage (zoals stroke, trauma)
- Elicited damage (= uitgelokt) (zoals bij dieren)
- Harmless temporary changes induced electro-magnetically (bv. met TMS)
Groen = zijn niet invasief maar stimuleren het brein
Taxonomy of brain manipulation methods
1 Ways of acquiring natural brain damage
Neurosurgery
= gebeurt enkel als er geen farmacologische behandelingen zijn !
Bekende casus: HM = kreeg amnesie (geheugenverlies) na het verwijderen van een deel van zijn
mediale temporale lob
Vooral bij epilepsiepatiënten:
- Er gebeurt een operatie om de focus van de epileptische aanvallen chirurgisch weg te halen
- Men snijdt de vezels van het corpus callosum door → split-brain
Vroeger: werd neurochirurgie ook bij psychiatrische patiënten gedaan
6
