NEURONAL NETWORKS AND BEHAVIOUR
INTRODUCTION LECTURE
Het brein creëert voorspellingen, verwachtingen en interpretaties. Dit is cruciaal voor overleving.
Maar, het brein ‘construeert het beeld dat wij hebben van de wereld, het
geeft een gelimiteerde view van de werkelijkheid (voorspellingsmachine).
De hersenen staan in connectie met ons lichaam, en is actief zowel met als
sensorische input. Het kan niet op zichzelf werken. Er zijn veel meer
zintuigen, waaronder zien: smaak: geur: horen: chemoreceptie.
Neurale mechanismen van sensorische systemen zijn:
- Receptor neuronen
- Anatomische paden
- Vertegenwoordiging in de hersenen
Hersenen reageren op de wereld met lagere motorische neuronen die spiercontracties initiëren,
bovenste motorneuronen die beweging initiëren én het filteren en moduleren van circuits. Als eerst
wordt er iets waargenomen, en voordat er een reactie plaatsvindt gebeurd het volgende: aandacht,
herkenning, geheugen en emotie.
Het brein is opgebouwd uit neuronen die communiceren via synaptische transmissie. Neuron heeft
een cellichaam, dendrieten (ontvangen informatie) en één axon (verzendt informatie). Alles wat we
denken, zien, voelen en ervaren is het resultaat van de werking van hersencellen.
Synaptische transmissie tussen neuronen kan leiden tot een EPSP (excitatory postsynaptic potentiaal)
of een IPSP ( inhibitory postsynaptic potentiaal). Dit hangt af van de hoeveelheid neurotransmitter
die vrijgelaten wordt, het type neurotransmitter en de receptoren die de neurotransmitter bindt. In
het neuronale netwerk integreert elk neuron meerdere EPSP's en IPSP's, de som zal bepalen of de cel
een AP afvuurt. De frequentie van AP-activering geeft vervolgens het signaal door.
EPSP wordt veroorzaakt door stimulerende neurotransmitters (glutamaat en acetycholine).
Glutamaat kan binden aan AMPA-receptor (snel) of NDMA receptor (langzaam), wat zal
leiden tot depolarisatie van de cel: hierdoor is de kans op actiepotentiaal groter.
IPSP wordt veroorzaakt door remmende neurotransmitters, zoals GABA, die bindt aan de
GABA A, B en C receptoren. Dit zal leiden tot hyperpolarisatie van de cel: hierdoor is de kans
op actiepotentiaal kleiner.
Een passieve respons betekend dat de inputs niet hoog genoeg zijn om de drempelwaarde te
bereiken, en dat er geen actiepotentiaal zal ontstaan. Een actiepotentiaal is een alles-of-niets reactie,
gecodeerd in frequentie. Als de drempelwaarde bereikt is, zal er altijd een actiepotentiaal ontstaan.
Drugs kunnen de actie van neurotransmitters simuleren door te binden aan dezelfde receptoren: zo
kan cocaïne de dopamine re-uptake blokkeren, waardoor meer dopamine in de synaptische spleet
blijft, en receptoren kan blijven activeren. Hiermee beïnvloeden drugs de neuronale functie direct.
General plan of sensory systems
Sensory-receptoren vertalen de energie van de stimulus naar elektrische signalen (modaliteit, locatie,
intensiteit en timing). Verandering in energie van de stimulus leidt tot verandering in
membraanpotentiaal, wat kan leiden tot actiepotentialen: hierdoor kan informatie naar hersenen.
1
, Licht/donker leidt tot veranderingen in het membraanpotentiaal, wat zorgt voor
neurotransmitter release en/of het genereren van een actiepotentiaal.
Modaliteit: typen sensorische receptoren
Mechanisch (aanraking en proprioceptie, gehoor en evenwicht) - fysieke rek of spanning op de
receptor misvormt het membraan en open de kanalen
Chemisch (pijn, jeuk, geur en smaak) - binding van een chemische stof aan de receptor
Fotoreceptoren (visie: in retina) verandering in conformatie van fotosensitief-eiwit.
Thermisch (temperatuur)
Topografische rangschikking van neuronale receptieve velden
De dichtheid van receptoren bepaalt de ruimtelijke resolutie: vingertoppen hebben dichtere
receptoren en zijn gevoeliger voor informatie. Ze ontvangen een groter deel van het receptief veld.
Voor geur, gehoor en smaak zijn neuronen georganiseerd volgens hun gevoeligheid, volgens het
energiespectrum van de stimulus (geluidsfrequenties of verschillende smaken).
De veranderingen in tijd van de stimulus worden gecodeerd door veranderingen in frequentie van
het actiepotentiaal. Neuronen hebben de eigenschap zich snel aan te kunnen passen, en reageren
alleen op veranderingen: dit ondersteunt hun respons tijdens stimulatie. Een aanpassing is een
constante stimulus die verdwijnt uit het bewustzijn. De zintuigelijke systemen kunnen contrasten en
beweging detecteren.
1. De axon transporteert informatie voor verwerking naar meerdere relaiskernen. Door gebruik te
maken van meerdere parallelle paden verhoogd de verwerkingssnelheid, maar de topografische
weergave blijft behouden. In de retina wordt zintuiglijke informatie overgedragen naar de
tegenovergestelde hemisfeer (decussatie).
2. Interneuronen en lokale circuits in kernen verwerken de signalen, en informatie gaat door naar
de thalamus. Dit is een groot relaisstation voor sensorische en motorische informatie. De
thalamus is een Y-vormige verdeling (voorste, lateraal en mediaal) en projecteert naar de
middelste lagen van de cortex.
3. Geeft output
Hommunculus in somatosensorische cortex
Neuronen in de cortex zijn functioneel georganiseerd verticaal in kolommen en horizontaal in lagen ,
die topografisch gerangschikt zijn en een weergave van het lichaamsoppervlak op het corticale
oppervlak tonen. De lagen van de cortex in elke kolom ontvangt informatie die dezelfde locatie en
modaliteit vertegenwoordigd. Somatotopie, de geordende projectie van het sensorische veld in de
hersenen, maakt geordende intracorticale verbindingen mogelijk. De somatosensorische kaart is een
vervormde weergave van het lichaamsoppervlak: het vertegenwoordigt de dichtheid van innervatie,
vandaar het functionele belang van verschillende delen van de huid.
Primary sensory cortex bestaat uit de associatiecortex, die informatie verwerkt en
een link legt, en de primaire sensorische en motor gebieden.
Cortical columns, layers and areas
Gedeelte van de
somatosensorische cortex, gelegen in de pariëtale kwab, die betrokken is bij verwerking van tast, pijn
2
, en temperatuur vertegenwoordigt enkele vingers van de rechterhand. Hierbij ontvangt Brodmann’s
area input van de oppervlakkige huid zowel als input van de spieren.
VISUELE SYSTEMEN
De retina, het neurale gedeelte van het oog, omvat neurale circuits die elektrische activiteit
van fotoreceptoren (rods en cones) omzet in actiepotentialen. De retina bevat
fotoreceptoren, bipolaire cellen, ganglioncellen, horizontale cellen en amacriene cellen.
Axonen van ganglioncellen vormen de optic nerve en dragen informatie naar de rest van
het zenuwstelsel. Horizontale cellen maken interacties tussen fotoreceptoren en bipolaire
cellen mogelijk: sensitiviteit blijft behouden voor contrast bij verschillende intensiteiten (luminence).
Amacriene cellen zijn postsynaptisch voor bipolaire cellen en presynaptisch voor ganglioncellen.
Phototransduction: het absorberen van licht door fotopigment leidt tot verandering van het
membraanpotentiaal en daarmee de hoeveelheid neurotransmitter die vrijkomt.
Reception
Visuele waarneming levert een omgekeerd beeld op het netvlies én weerspiegelt niet de cognitieve
functie van het visuele systeem.
Lichtgolven komen het oog eerst binnen via het hoornvlies. Fluctuaties in de intensiteit van het licht
veranderen de grootte van de pupil van het oog, vanwege de pupillichtrespons. Vervolgens gaan de
lichtgolven door de lens naar een knooppunt (N) er direct achter: hier wordt het beeld
ondersteboven gekeerd. Het licht gaat door het glasvocht, de heldere gel die ongeveer 80% van het
volume van het oog uitmaakt. Het kleine centrale gebied van het netvlies is de macula, die het beste
zicht biedt op elke locatie in het netvlies: hier worden de kleine lichtfotonen geregistreerd.
Gestalt-psychologie: wat we zien vertegenwoordigt niet alleen de eigenschappen van objecten, maar
de organisatie van sensaties door de hersenen. De hersenen maken verwachtingen die voortvloeien
uit ervaring en uit ingebouwde neurale bedrading voor visie.
Vision based on interrelationship
Wat we herkennen in een melodie is niet alleen de volgorde van noten, maar de onderlinge relatie.
Zo zijn we ook in staat om afbeeldingen te herkennen onder verschillende visuele omstandigheden:
de relaties tussen componenten van de afbeelding worden onderhouden door het brein.
De stippen zien we als rijen of kolommen vanwege de neiging van de hersenen om een
patroon op de stippen op te leggen: dit kan worden beïnvloed door gelijkenis of nabijheid in
de stippen. Als de punten in kolom dichter bij elkaar liggen dan die in rijen, zijn we geneigd
om een patroon van kolommen te zien.
Als het lijkt alsof je beide tegelijkertijd ziet, is het omdat je perceptie snel: dit is
vergelijkbaar met onderscheid tussen signaal en ruis. Terwijl we ons op één signaal
concentreren, wordt andere informatie verbannen naar achtergrondruis. Contouren dienen dan
ook om een object te onderscheiden van een onbepaalde achtergrond.
Het menselijk oog en geest kunnen niet met twee dingen tegelijkertijd bezig zijn, dus moet een snelle
en voortdurende sprong van de ene naar de andere kant zijn. De figuur-grond-dichotomie illustreert
één principe van visuele perceptie: slechts één deel van het beeld krijgt de focus van aandacht.
Illusies, mislezingen van visuele informatie door de hersenen, illustreren hoe de hersenen bepaalde
veronderstellingen over de visuele wereld toepassen op sensorische informatie die het ontvangt -
selectie, vervorming, opvullen van weglatingen.
3
