Principles of Cognitive Neuroscience (Purves et al., 2013)
Hoofdstuk 1: Cognitieve Neurowetenschappen: Definities, Thema’s en Benaderingen
1.1 |Introductie
Onderzoek in cognitieve neurowetenschappen integreert onderzoeken/ontdekkingen van hersenstructuren en -functie, en
tracht cognitieve vermogens en gedrag te meten om er achter te komen hoe het menselijk brein werkt op elk level.
1.2 | Cognitie
Cognitie is een Latijnse term (“ the faculty of knowing”). Het refereert naar een set processen (cognitieve functies) die mensen
en andere dieren in staat stelt om externe stimuli waar te nemen, om belangrijke informatie op te nemen, deze vast te houden
in het geheugen en uiteindelijk gedachten en acties te genereren die gewenste doelen helpt bereiken.
Door behavioristisch onderzoek (begin 20e eeuw) werd er nadruk gelegd op gedragsonderzoek en leren; operante conditionering
(stimulus-respons leren). Het droeg bij aan een objectieve, experimentele benadering. In de mid-20 e eeuw kwam Miller met het
getal ‘7’ over geheugen( 7 +/- 2). Volgens Miller was geheugen niet een passieve representatie van sensorische stimuli, maar
actief hercoderen van de informatie die de stimuli met zich meedroeg. Onderzoek ging zich richten op algemene perceptuele
taken (psychofysica).
De term cognitieve wetenschap heeft nadruk op onderzoek naar mentale processen; ongeacht specifieke onderwerpen,
experimentele benaderingen, methoden of disciplines. Het focust op informatieverwerking die geassocieerd is met cognitieve
functies, en includeert onderzoek met menselijke participanten, niet-menselijke participanten en computersimulaties.
Cognitieve wetenschappers delen een interesse in het karakteriseren van de fenomenen en gedragingen die geassocieerd zijn
met specifieke cognitieve functies, en in het creëren van cognitieve modellen die de onderliggende psychologische processen
beschrijven. De elementen van deze modellen worden psychologische constructen genoemd.
1.3 | Neurowetenschappen
Het veld van neurowetenschap houdt zich bezig met hoe het zenuwstelsel van mensen en andere dieren zijn georganiseerd en
functioneren. Vroege kennis over het zenuwstelsel nam een holistische blik aan, maar in de vroege 19 e eeuw kwam al steeds
meer interesse in de functionele eigenschappen van de cerebrale cortex.
Franz Joseph Gall stelde dat de grootte van de cerebrale cortex (en dus de mate van functie/trek) in kaart gebracht kon worden
door het meten van bulten op de schedel frenologie. Er werden gedetailleerde karten gemaakt die verschillende functies en
(karakter)trekken in kaart brachten, aan de hand van verschillende delen op de cortex. Het idee dat verschillende delen van het
brein bijdragen aan verschillende soorten informatieverwerking, heet nu lokalisatie van functie.
In de 2e helft van de 19e eeuw werden neuronen ontdekt (Ramon y Cajal), waardoor gesteld kon worden dat cognitieve
processen uitgevoerd werden door grote populaties neuronen. De elektrische eigenschappen lieten zien dat signalen worden
overgedragen door neuronale axonen dmv actiepotentialen. In het begin van de 20 e eeuw werden methoden ontwikkeld om dit
nog beter in kaart te brengen, evenals neurotransmitters, synapsen, etc. Hierdoor kon Penfield een systematische kaart
ontwikkelen van de somatosensorische cortex, motorcortex en delen van de frontaalkwab. Hieruit is op te maken welk deel van
de cortex in verbinding staat met lichaamsdelen (en in welke mate).
1.4 | Cognitieve Neurowetenschappen: de Neurobiologische Benadering naar Cognitie
Cognitieve neurowetenschappen worden gedefinieerd door het werk op het kruispunt van cognitieve wetenschappen en
neurowetenschappen. Het combineert alles wat te maken heeft met het meten van hersenfunctie, het beoordelen van cognitie
en gedrag, evenals de complexiteit om dit te combineren. Het is interdisciplinair.
Een veelgemaakte misvatting is dat cognitieve neurowetenschappen simpelweg inhoudt dat hersenregio’s in kaart worden
gebracht wanneer deze actief worden gedurende een psychologisch proces (ook wel neurale correlaten van cognitie) genoemd.
Echter de ambities van cognitieve neurowetenschappers gaan verder; het combineren van informatie over hersenstructuur en
functie draagt bij aan het creëren van neurobiologisch gebaseerde modellen over cognitie. De ontwikkeling van modellen heeft
een belangrijke praktische toepassing, zoals bijv. studies naar individuele verschillen. Begrijpen hoe en waarom mensen
verschillen in cognitieve vermogens is een groot onderzoeksgebied in psychologie, geneeskunde en epidemiologie. Door het
koppelen van individuele verschillen aan cognitie naar individuele verschillen in hersenfunctie, komen onderzoekers te begrijpen
wat de neurale basis is voor zowel typische als atypische cognitie.
1.5 | Methoden: Convergentie en Complementariteit
Onderzoekers maken gebruik van meerdere methoden. Dit heeft 2 voordelen:
Convergentie: dit beschrijft het combineren van resultaten vanuit meerdere experimentele paradigma’s om een enkel
theoretisch concept te vormen. Vaak helpen meta-analytische methoden.
Complementariteit van onderzoeksmethoden (aanvulling op elkaar): elke methode verschaft een ander soort
informatie over hersenfunctie, omdat hersenfunctie op vele manieren (fysiologische veranderingen) kan worden geuit.
,Principles of Cognitive Neuroscience (Purves et al., 2013)
Figuur 1. Overzicht van neurowetenschappelijke
technieken.
x-as: temporele resolutie van hooglaag
y-as links: spatiele resolutie van hoog ^
laag
y-as rechts: corresponderende
hersenstructuur
Hoofdstuk 2: De Methoden van Cognitieve Neurowetenschappen
2.1 | Introductie
Neurowetenschappelijk gebaseerde benaderingen kunnen verdeeld worden in 2 brede categorieen:
het bestuderen van veranderingen in cognitief gedrag wanneer het brein “verstoord” is; zoals na trauma, CVA of ziekte.
Het is nuttig voor het onderzoeken van de rol van het brein in specifieke cognitieve processen.
het meten van hersenactiviteit terwijl cognitieve taken worden uitgevoerd; hierbij wordt veel gebruik gemaakt van
elektrofysiologische en beeldvormingstechnieken bij zowel mensen als dieren.
Vroege ‘brain mapping’ technieken bij mensen; intracraniale elektrische stimulatie.
2.2 | Hersenverstoringen die Cognitieve Functies Verklaren
Verstoringen ontstaan vaak na hersenschade, maar kunnen ook experimenteel worden opgewekt – bijvoorbeeld door
farmacologische of elektrische methoden.
Verstoringen ontstaan door beroerte, trauma of ziekte
Een groot voordeel hiervan is dat als schade aan een hersengebied of –systeem een cognitieve functie verstoort, het
waarschijnlijk is dat de beschadigde regio op de een of andere manier nauw betrokken is bij deze functie.
Een groot nadeel van klinisch-pathologische correlaties bij mensen, is dat hersenschade het resultaat is van vele factoren die
niet onder invloed staan van de onderzoeker – zoals bij een beroerte welk bloedvat geblokkeerd werd en welke gebieden deze
ader innerveerde. Daarnaast is er verschil tussen mensen over de mate van betrokkenheid van hersengebieden bij cognitieve
functies, hierdoor is het moeilijk om resultaten te generaliseren. Deze variabiliteit kan wel enigszins worden opgelost door
informatie over de ‘locus van schade’ van een groep patiënten te combineren.
Onderzoekers kunnen ook strikte elektrolytische of operatieve laesies in experimentele dieren maken. Hierdoor kan de
onderzoeker de locatie en mate van hersenschade zelf bepalen. Nadelen hiervan zijn dat training en beoordeling van dieren die
cognitieve taken uit moeten voeren lastiger gaat, en daarnaast zijn er ethische problemen.
Er zijn misopvattingen over laesie studies:
Diaschisis: als een hersengebied een laesie heeft, kan het voorkomen dat andere hersengebieden die geinnerveerd
worden door het verstoorde gebied, ook niet meer normaal functioneren. Hierdoor kunnen verloren functionaliteiten
foutief worden toegeschreven aan het verstoorde gebied, ipv het volgende gebied.
Schade aan een cortisch gebied kan ook nabijgelegen vezeltracten beschadigen, waardoor de functie van verderweg
gelegen gebieden ook wordt verstoord.
Om deze misinterpretaties weg te nemen, zijn technieken ontwikkeld die de structurele verbindingen van het brein weergeven,
zoals Diffusion Tensor Imaging (DTI). Dit is een MRI-gebaseerde techniek.
Farmacologische Verstoringen
Veel drugs/medicijnen interfereren of versterken neurotransmitter processen, waardoor ze cognitieve functie kunnen
aantasten. Farmacologische studies hebben 2 vormen aangenomen:
Onderzoeken van de invloed van chronisch drugsgebruik of –misbruik op cognitieve processen. Hierbij wordt
geprofiteerd van de prevalentie van de sociale problemen en de stoornissen die ze veroorzaken. Drugsgebruik of –
misbruik leidt tot specifieke veranderingen in neurotransmissie, leidt tot tolerantie en andere negatieve gevolgen.
Meer gecontroleerd onderzoek, waarbij een drug acuut toegediend wordt en de effecten worden gemonitord.
, Principles of Cognitive Neuroscience (Purves et al., 2013)
Een nadeel van drugs systemisch toedienen (bijv in de bloedbaan) voor het bestuderen van cognitieve processen, is het gebrek
aan specificiteit voor de effecten. Met systemische toediening wordt veel van het brein blootgesteld aan de drug. Hierdoor is het
lastig bepaalde effecten toe te schrijven aan specifieke hersengebieden. Een meer specifieke interventie is om middelen direct
te injecteren in specifieke hersengebieden van een proefdier. Er wordt dan operatief een cannula of ander drug afgifte systeem
geplaatst, dat lokaal en gecontroleerd nauwkeurige hoeveelheden kan afgeven.
Verstoring door Intracraniale Hersenstimulatie
Directe elektrische stimulatie van een specifieke hersenregio: er worden elektrodes geplaatst op/in het brein van een proefdier
of menselijke patient gedurende een neuro-operatieve procedure. Elektrodes kunnen kort (gedurende de operatie) of chronisch
worden geplaatst.
Bij proefdieren kunnen chronisch geimplanteerde elektrodes onderzoekers inzicht geven in de functie van individuele neuronen
of groepen, terwijl het proefdier een cognitieve taak uitvoert waarin deze getraind in is. Door het aanpassen van de
stimulussterkte, kan de lokale neuronale populatie anders reageren.
Intracraniale stimulatie is invasief, wordt soms gebruikt bij wakkere hersenoperatie om te kijken welk weefsel weggehaald kan
worden.
Verstoring door Extracraniale Hersenstimulatie
Bij mensen is deze techniek beperkt tot mensen met serieuze medische problemen.
- Transcranial Magnetic Stimulation (TMI): een sterke, maar voorbijgaande en snel magnetisch veld wordt gegenereerd
over een schedelregio. Er wordt gebruik gemaakt door een intens, snel varierende, elektrische stroom door een set
spoelen. Het snel veranderende magnetische veld in de spoel induceert een snel veranderend elektrisch veld in het
onderliggende hersenweefsel. Dit resulteert in een een vreemde (uitgaande) stroom die interacteert met lokale
neurale verwerking. Met sterke stimulatie zorgt dit voor een verstoring – het creert een omkeerbare hersen ‘laesie’,
beperkt tot het onderliggende hersengebied. Beetje op dezelfde manier zoals directe elektrische stimulatie zou doen.
- Repetitive TMS (rTMS): een serie TMS pulses gedurende een paar minuten. De invloed van deze stimulatie kan
onderzocht worden op een bepaalde cognitieve functie, bijv. door gedragstesten die afgenomen kunnen worden
gedurende en na de TMS toediening. TMS kan prestatie op taken zowel verbeteren als verslechteren, waardoor
conclusies kunnen worden getrokken over de rol van dat gebied in taakprestatie.
- Enkele TMS puls: voordeel hiervan is dat het grotere temporele resolutie biedt in het beoordelen van de rol van het
hersengebied waar de focus op ligt.
- Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS): een constant, lage-amplitude, elektrische stroom, wordt direct
toegepast op de schedel. Het lijkt, net zoals TMS, effecten te hebben die kunnen duren tot enkele minuten na
stimulatie. Ook, net als TMS, wordt het zowel gebruikt als onderzoeksmethode, evenals een klinische toepassing –
chronische pijn en depressie. De nadelen zijn weinig spatieel en beperkt begrip van de mechanismen. Er zijn 2 typen
stimulatie:
o anodal (positief): gedacht wordt dat het de corticale exciteerbaarheid van het gestimuleerde gebied verhoogd
o cathodal: dit zou de exciteerbaarheid verminderen.
Nadelen van TMS:
Tast een relatief groot gebied aan, beperkt dus anatomische resolutie
Transcraniale stimulatie kan alleen effectief afgegeven worden aan oppervlakkige hersengebieden, zoals de meer
oppervlakkige regio’s van de cerebrale cortex
De techniek kan resulteren in stimulatie van de schedel en hoofdspieren, waardoor pijn kan optreden
In principe is het niet-invasief, maar er zijn risico’s, zoals dat het een toeval kan triggeren.
Optogenetica
Stimuleert neurale circuits veel meer specifiek. Het combineert genetica met het gebruik van laserlicht om specifieke neurale
circuits of neuronale celtypen te activeren – in een varieteit aan experimentele settings. Het heeft een hoge neuronale
selectiviteit en hoge temporele resolutie.
Het algemene principe heeft betrekking op ionkanalen die openen of sluiten als reactie naar licht of bepaalde golflengten. Met
licht zouden de ionkanalen dus kunnen openen of sluiten. Afhankelijk van het type ionkanaal, kan daarnaast een neuron
geexciteerd of geinhibeerd worden met lichtstimulatie.
Het stamt af van genetica: genetisch materiaal dat codeert voor het oprichten van fotoreactieve ionkanalen wordt getrokken uit
licht-sensitieve algen en in een virus gestopt. Het virus kan dan geinjecteerd worden in een bepaald hersengebied. Het dragende
virus heeft doelneuronen dichtbij de injectieplaats, en het dragende genetische materiaal leidt daar tot de productie van deze
licht-gevoelige ionkanalen en hun incorporatie in de membranen van de geinfecteerde neuronen. Deze neuronen kunnen dan
selectief geactiveerd of geinactiveerd worden door het schijnen van licht (of de juiste golflengte) op neuraal weefsel. De
