Hoorcolleges Hersenontwikkeling: gedrag en leren. Typische en atypisch ontwikkeling
Hoorcollege 1
Neuroscience en Developmental neuroscience. Kennis hersenfunctie en organisatie bij volwassenen is nog
beperkt. Kennis van de hersenontwikkeling is nog beperkter jonge wetenschap; ontwikkeling is een complex
proces; kennis over de hersenen in het volwassen stadium of van patiënten is beperkt toepasbaar op kinderen;
beeldvormende technieken (bijv. fMRI) zijn niet altijd inzetbaar (invasief). De neurowetenschappen is ‘no hard
science’; het hangt af van de keuzes die neurowetenschappers maken op basis van scans van de hersenen en
hoe ze die scans construeren (statistische technieken die ze daarvoor gebruiken).
Developmental Cognitive Neuroscience
Wetenschap die zich bezighoudt met de relatie tussen de ontwikkeling van leren en gedrag en de functionele en
structurele ontwikkeling van de hersenen. Deze relatie wordt bestudeerd bij typische en atypische populaties.
Experimenteel onderzoek bij dieren heeft bijgedragen aan deze kennis, met name over de ontwikkeling. Deze
kennis heeft weer implicaties voor: opvoeding (adviezen voor ouders), onderwijs, diagnostiek en behandeling.
Ontstaan midden ’80 jaren: special issue in Child Development in 1987 (Developmental Psychology and the
Neurosciences: Building a bridge). Weinig kennis van de hersenontwikkeling bij ontwikkelingspsychologen.
Nieuwe ontwikkelingen hersenen zijn plastisch (neuroplasticiteit; op cel niveau/neuronen in staat zich te
reorganiseren); Human Genome project (2000; welke/hoeveel menselijke genen); non-invasieve
beeldvormende technieken (bijv. NIRS, MEG); Human Connectome project (n.a.v. Human Genome project;
bedrading in de hersenen geprobeerd in kaart te brengen).
Disciplines: neurobiologie (dierexperimenteel onderzoek), neurofysiologie, embryologie, psychiatrie, cognitieve
psychologie en ontwikkelingspsychologie.
Bijdrage Developmental Cognitive Neuroscience – meer inzicht in:
- De relatie tussen hersenontwikkeling en gedragsontwikkeling
- De factoren die de hersenontwikkeling beïnvloeden
- Hoe ervaringen (negatief of positief) de hersenontwikkeling beïnvloeden
- De vraag wat de meest optimale periode is om een bepaalde vaardigheid te leren
- Hoe leren het beste bevorderd kan worden
- De neurobiologische basis van stoornissen in de ontwikkeling, zoals ADHD, autisme, dyslexie
- De neurobiologische basis van psychiatrische stoornissen, zoals depressiviteit, posttraumatische
stressstoornis, schizofrenie
- De effecten van extreme omgevingssituaties op de ontwikkeling van de hersenen en het gedrag, zoals
ernstige verwaarlozing en kindermishandeling
- De gevolgen van bepaalde hersenbeschadigingen voor de gedragsontwikkeling
Educational neuroscience (boek)
Butterworth & Tolmie (H1): nieuwe discipline. Education = onderwijzen: het bevorderen van leren.
Neuroscience = neurowetenschappen: het begrijpen van de mentale processen van leren. Samenvoegen van 3
disciplines: onderwijskunde/pedagogiek, psychologie en neurowetenschappen. Centrale vraag: hoe kunnen we
het leren verbeteren? (waar komen individuele verschillen vandaan? Wat is de optimale situatie voor leren?).
3 fasen:
- Onderwijskunde en psychologie/pedagogiek IQ-tests (als voorspellers van bijv. schoolsucces) en
cognitieve stijlen (niet ondersteund door bewijs, bestaan dus niet); invloed van opvoeding en SES op
leren; leesmethoden (woord leren of fonetisch spellen)
- Psychologie en neurowetenschappen samenwerking = cognitive neuroscience; social neuroscience
- Onderwijskunde, psychologie/pedagogiek en neurowetenschappen samen educational neuroscience
3 functies van de hersenen – de breinhypothese: onderhouden van het contact met de ‘buitenwereld’ via de
zintuigen en andere sensoren (INPUT); informatie opslaan (OPSLAG; wat relevant is); produceren van gedrag,
zoals bewegingen, gedachten en gevoelens (OUTPUT).
Complexiteit van het brein. De relatie tussen hersenen en gedrag is nog nauwelijks goed begrepen (Bassett
& Gazzaniga, 2011). Hoe zorgen de hersenen ervoor dat we beelden kunnen zien, gedachten kunnen vormen,
emoties ervaren, en doelgericht gedrag vertonen? Hoe komt deze cognitieve integratie tot stand? The binding
problem: als we naar een voorwerp kijken dan kunnen we de vorm, grootte, kleur, textuur, etc. waarnemen
en toch zien we het als een geheel en zijn we bewust van het bestaan waar in de hersenen vindt dit plaats
en hoe gebeurt dat precies?
‘Harde’ wetenschap? PET scan: radioactieve stof in de bloedbaan spuiten, komt ook in de hersenen die je
zichtbaar kunt maken; de persoon tijdens de scan iets laten zien of horen; vervolgens kijken welke neuronen in
welk hersengebied relatief veel zuurstof/glucose/etc. gebruiken. Klopt het omgekeerde ook? reverse
inference: kunnen we op basis van hersenbeelden/activiteiten iets zeggen over de mentale processen die
plaatsvinden? Nee, er is geen causale relatie tussen hersenactiviteit en mentale functies. Sinds kort wel in staat
dit een beetje te doen. Is het geen vorm van neo-frenologie (op basis van de schedelvorm iets zeggen over
iemands persoonlijkheid)? Dit leverde niet voldoende kennis op = neuromythes: mythe van de
neuropsychologische typen (bijv. linker en rechter brein; VAK-leerstijlen); synaptogenese mythe (Brain Gym).
,De hersenen. Alle informatie die via de zintuigen en receptoren in het lichaam binnenkomen wordt verwerkt,
maar ook geselecteerd. Alleen relevante informatie wordt in verschillende delen van de hersenen verwerkt en in
andere delen opgeslagen; deze processen verlopen vaak parallel soms moeilijk te bepalen wat je reactie
wordt. Je kunt geen informatie opslaan als daar geen aandacht voor is multitasken bestaat niet, je kunt wel
snel aandacht verplaatsen. De hersendelen wisselen informatie uit op een hiërarchische manier: top-down
(hoog>laag) = processen die we bewust, gecontroleerd aansturen (nadenken, impuls onderdrukken) en
bottom-up (laag>hoog) = geautomatiseerde processen (gewoontes, emoties, dingen die je graag wilt). Wat je
doet n.a.v. deze top-down en bottom-up processen is je gedrag. Onze hersenen integreren binnenkomende
informatie (sensorische input) met reeds opgeslagen informatie (geheugen/ervaringen).
Controversen in hersenonderzoek
- Bewustzijn, onbewuste en bewuste processen zit niet in je hersenen, meer een soort toestand van je
hersenen (synchroniciteit van neuronen in verschillende hersengebieden die wel of niet tegelijkertijd
geactiveerd worden). Een groot deel van de hersenprocessen zijn onbewust: onbewust leren (‘impliciet
leren’); de hersenen verzamelen informatie over het lichaam en regelen lichaamsprocessen, zoals
ademhaling en lichaamstemperatuur; hersenen kunnen heel snel reageren op stimuli (bijv. oogreflex);
onbewuste beslissingen nemen; we weten nog steeds niet wat ‘bewustzijn’ is.
- Modulariteit (hersengebieden met specifieke functies) of constructivisme (diffusere organisatie, meer
geconstrueerde processen, associatiegebieden) bestaan er modules of faculteiten voor specifieke
cognitieve vaardigheden, zoals taal? Zijn deze modules of faculteiten aangeboren? OF Ontstaan specifieke
cognitieve vaardigheden door actieve interacties tussen het organisme en de omgeving? = constructivisme.
- De breinhypothese ‘Wij zijn ons brein’ (Swaab); alle psychologische processen worden geproduceerd
door het brein (neurale activiteit, vuren van neuronen); denken, waarneming en gevoelens zijn mentale
representaties. OF ‘Wij zijn toch niet ons brein’ (Noë); het brein is niet de locatie van onze gedachten, onze
gevoelens, en onze waarneming; net zoals muziek niet in een instrument zit.’
- Binding probleem hoe worden in onze hersenen afzonderlijke details van objecten die we waarnemen
gebundeld tot een geheel? Dit probleem is nog steeds niet opgelost. Ideeën: speciale bindingunits, zoals
hippocampus of prefrontale cortex (grootmoederceltheorie); netwerken van zenuwcellen die met elkaar
samenwerken via een temporele code of re-entry; speciale neuronen (concept cells).
Beeldvormende technieken
- Technieken om de hersenactiviteit te meten, bijv. EEG, ERP, NIRS
- Technieken om de hersenstructuur te meten, bijv. CT-scan, MRI, DTI
- Technieken die activiteit en structuur meten, bijv. f-MRI, MEG
Elektrofysiologische technieken: EEG (elektro-encefalogram), ERP (Event-Related Potentials) en EMG
(elektromyografie). Electroden kunnen van miljoenen neuronen de neurale activiteit afleiden. Een EEG kan
vaststellen in welke toestand iemand zich bevindt (bijv. diepe slaap); wordt vaak gebruikt om bijv. epilepsie of
tumoren te detecteren; EEG zegt niet waar we afwijkingen kunnen vinden = slechte spatiële resolutie,
uitstekende temporele resolutie. Een ERP is een soort gemiddelde van meerdere EEG’s waarin een persoon een
taak krijgt (iets waarnemen of doen); componenten polariteit, latentie, piek, amplitude, distributie.
1e golf = beginpunt, hersenen hebben iets waargenomen (nog onbekend
wat); verdere verwerking is nodig.
Naarmate een golf later optreedt is er sprake van diepere verwerking
wat meer tijd kost (P3); er is sprake van bijv. herkenning (zin gelezen
en begrepen wat er staat).
Verschil in informatieverwerking (proefpersonen vergelijken in 2
verschillende taaksituaties) = mismatch negativity signaal.
Niet-invasieve techniek (net als EEG): NIRS (Near-Infra-Red
spectroscopy); vaak gebruikt bij baby’s infrarood licht wordt gestuurd wordt door de hersenen heen = witte
stofbanen in hersenen ‘fotograferen’ (geconstrueerd beeld), welke banen zijn gemyeliniseerd. Deze techniek
geeft inzicht in de structurele verbindingen tussen hersengebieden. DTI (Diffusion Tensor Imaging).
Beeldvorming van het hersenmetabolisme: rCBF (regional
Cerebral Blood Flow), SPECT (Single-photon emission computed tomography), PET (Positron
emission tomography) oudere technieken, invasief (radioactieve stof wordt in de bloedbaan
gespoten om de hersenactiviteit zichtbaar te maken).
, Magnetische beeldvormende technieken: MRI (Magnetic resonance imaging), fMRI (functional MRI), MEG
(Magneto-encephalography), MTI (Magnetization Transfer Imaging). De sterke magnetische velden kunnen het
gedrag van de moleculen in je hersenen beïnvloeden door het veld op te wekken; de weefselstructuren bestaan
uit verschillende cellen met andere structuren/moleculen = anders reageren op magnetische velden; meten hoe
snel de moleculen zich herstellen (naar basistoestand) na het kort aanzetten van het magnetische veld.
Nadelen en voordelen: belastend of niet-belastend; temporele (tijdsbepaling; goed bij EEG) <> ruimtelijke
resolutie (slecht bij EEG); gevoeligheid voor verstoringen tijdens meting, bijv. hoofdbewegingen; beelden zijn:
- Niet direct afgeleid van hersenactiviteit = surrogaat variabelen (constructies)
- Het resultaat van een ‘aftreksom’ tussen activiteit tijdens de taakconditie en de controleconditie
- Gebaseerd op mathematische modellen
- Gebaseerd op selectieve steekproeven (bijv. rechtshandige, hoogbegaafde Amerikaanse studenten) nu
geen probleem meer, genoeg representatieve scans beschikbaar
- Op corticale activiteit van miljoenen neuronen
Nieuwe ontwikkelingen
Human connectoom (project: map of wiring diagram). Connectoom: het totaal van alle verbindingen in de
hersenen op micro en macroniveau. De techniek die hiervoor wordt gebruikt is de DTI techniek: de lange banen
in de hersenen (axonen) die voorzien zijn van myeline stoten water af; witte stof verbindingen in de hersenen
worden zichtbaar gemaakt met tractografie. Op deze manier kan een beeld verkregen worden van alle
verbindingen in de hersenen = connectomie: beschrijving van connecties op microniveau tussen neuronen en
synapsen binnen het centrale zenuwstelsel; beschrijving op macroniveau van de structurele verbindingen
tussen grote corticale en subcorticale gebieden. Onderzoek naar connectomen wordt gecoördineerd in
het Human Connectome Project (Amerikaanse National Institutes of Health).
Andere technieken nodig voor de functionele connectiviteit = hersengebieden moeten met elkaar kunnen
communiceren via witte stof banen (o.a. met fMRI). Participant in de scan leggen vragen zo ontspannen
mogelijk te zijn; dezelfde hersengebieden waren op dat moment al erg actief = Default Mode Network (DMN).
Large Scale Brain Networks. DMN: Hersendelen die actief zijn in rusttoestand (brain resting state). Bewuste
denkprocessen en zelfreflectie. Aandacht vragende activiteiten (een signaal) = onderdrukking DMN (andere
hersengebieden worden geactiveerd). Schizofrenie en depressie: hyperactiviteit DMN. DMN is het dominante
netwerk: de hersenen zijn geneigd zo snel mogelijk weer in de rusttoestand te keren.
Brain networks: een nieuw paradigma. Hersenstructuur en hersenfuncties zijn te beschrijven als een systeem
van grootschalige (large scale) en kleinschalige (small world) netwerken of modules. Structureel: verbindingen
binnen en tussen hersengebieden (lange, witte stofbanen). Functioneel: co-activatie (neurale oscillaties =
neuronen tegelijk geactiveerd, vuren in eenzelfde soort ritme) van neuronen binnen en tussen hersengebieden.
