Boek cognitieve neurowetenschappen
Hoofdstuk 1
Cognitie verwijst naar de processen (cognitieve functie) waardoor mensen en dieren externe stimuli
kunnen waarnemen, belangrijke informatie ergens uit kunnen halen en dit in hun geheugen houden,
en om gedachtes en acties te genereren die helpen bij een doel te halen. Soms wordt cognitie
beschreven als een proces uitgevoerd door de mind, maar dat neemt veel problemen mee. De mind
is moeilijk te definiëren en bestaat uit subjectieve, bewuste ervaringen. Veel belangrijke aspecten
van cognitie gebeuren zonder bewuste ervaring (automatisch of te snel). De mind is de subjectieve
sense of self, de cognitie/cognitieve functie zijn specifieke soorten informatieverwerking die worden
bestudeerd door cognitieve neurowetenschappers.
Vroeger kwamen wetenschappers tot conclusies over cognitie door middel van introspectie. Later
werden er modellen van mentale processen gemaakt door observatie en experimentele manipulatie.
Behaviorisme (begin 20e eeuw)
Benadrukt zeer gecontroleerde experimenten die overeenkomen met objectieve externe stimuli om
gedrag meetbaar te maken. Ze vonden dat subjectief werk over mentale functies niet passend was
voor wetenschap. Grote namen zijn John Watson en B.F. Skinner, zij bestudeerden hoe
veranderingen in stimulus presentatie kon vormen hoe individuen hun gedrag aanpasten naar de
eisen van de omgeving. Zo werd operante conditionering ontdekt. De grote focus op leren betekende
ook hun ondergang. Ook al erkenden ze wel dat er mentale staten waren en de cognitieve functies
die daarbij hoorden, ze vonden deze onderwerpen ongepast voor de wetenschap.
Cognitieve wetenschap (midden 20e eeuw)
Een aantal factoren bliezen het psychologische onderzoek van cognitieve functies opnieuw het leven
in. Een factor was computerwetenschappen, geheugen recodeerde informatie van een stimulus
actief, het was niet een passieve representatie van sensorische stimuli. Computers gaven een nieuw
model voor mentale processen, welke symbolische representaties en verborgen lagen van betekenis
had. Behaviorisme werd ook uitgedaagd. Ze stelden dat psychologische staten en processen
onafhankelijk van experimenten waardoor ze gedefinieerd werden, bestonden.
Cognitieve wetenschap brengt onderzoek samen over mentale processen, wat ook het onderwerp,
de methode, etc. is. De wetenschappers hebben interesse in het karakteriseren van de fenomenen
en gedragingen geassocieerd met specifieke cognitieve functies, en in cognitieve modellen die
onderliggende psychologische processen beschrijven. Cognitieve modellen voorspellen hoe
sensorische input leidt tot gedragsoutput, en ze stellen dat psychologische processen en interne
staten waarvan eigenschappen gebaseerd zijn op extrinsieke factoren van een specifiek experiment
(hierin verschillen ze van het stimulus-respons model).
Neurowetenschappen
Zenuwstelsels worden gevonden in de meest simpele dieren. Neurowetenschappen is bezig met hoe
het ZS van mensen en dieren is georganiseerd en de functie ervan. In de vroege 19 e eeuw was er
interesse in de cerebrale cortex, het was toen duidelijk dat schade aan het cerebrum bepaalde
effecten had. Afhankelijk van de schade waren de effecten groot of klein. Gall stelde de hypothese
dat de grootte van de cerebrale cortex in kaart kon worden gebracht door bobbels op de schedel te
meten, dit heet frenologie. Hoewel zijn theorie niet klopte, droeg het wel bij aan NWS. Hij
introduceerde namelijk dat verschillende delen van de hersenen konden bijdragen aan verschillende
soorten informatieverwerking, lokalisatie van functie. Pas in de 2e helft van de 20e eeuw kwam het
vak echt tot leven door experimenten, net voor de eeuwwisseling werden neuronen ontdekt. Deze
bevinding impliceerde dat cognitieve processen worden bewerkstelligd door grote populaties
neuronen. Signalen worden uitgezonden op lange afstanden langs neurale axonen door actie
potentialen. Er waren technieken ontwikkeld om veranderingen in deze elektrische signalen te
meten. Ze onderzochten ook neurotransmitters, chemische stoffen die neuronen gebruiken om
cellen te stimuleren. Neurotransmitters worden losgelaten door synapsen, waar de
neurotransmitters zich binden aan receptor moleculen op target neuronen en andere cellen,
waardoor ze het membraan potentiaal aanpassen. De actie van neurotransmitters bij synapsen is de
,manier waarop informatie tussen cellen in het ZS reist. De lokalisatie van functie werd ook
onderzocht op experimentele manier, zo werd de somatosensorische cortex, de motor cortex, en de
structurele organisatie van de frontale kwabben in kaart gebracht.
Cognitieve neurowetenschappen (CNW)
CNW zit op de intersectie van cognitieve wetenschappen en neurowetenschappen. CNW combineert
alle moeilijkheden van het meten van hersenfunctie met alle problemen bij het nauwkeurig
vaststellen van cognitie en gedrag, en de complexiteiten van deze twee te linken met elkaar. Deze
interdisciplinariteit kan misconcepties veroorzaken over wat CNW precies doet. Bijvoorbeeld dat
CNW enkel de hersenregio’s in kaart brengt die geactiveerd worden tijdens een psychologisch
proces, dit heet ook wel zoeken naar neurale correlaties van cognities. Hoe dan ook, het begrijpen
van neurale correlaties van een functie speelt een belangrijke rol, maar de ambities gaan verder dan
dat. Veel huidig onderzoek combineert informatie over hersenstructuur en functie om
neurobiologische modellen van cognitie te creëren. Ook worden individuele verschillen bestudeerd,
zo kan je begrijpen hoe en waarom mensen verschillen in hun cognitieve capaciteiten. Zo kan de
neurale basis voor typische en atypische cognitie in elk stadium van het leven van een mens worden
begrepen. CNW probeert dus biologisch geaarde modellen van cognitieve functie te ontwikkelen.
Deze modellen worden geïnspireerd door eerder onderzoek. Het resultaat is dat CNW-modellen
eerdere cognitieve wetenschapsmodellen kan informeren en beperken, en nieuwe richtingen voor
onderzoek kan aangeven.
Methoden: convergentie en complementariteit
Meerdere methoden gebruiken heeft twee belangrijke voordelen: convergentie en
complementariteit. Convergentie beschrijft de aanpak om resultaten te combineren van meerdere
experimentele paradigma’s om een enkel theoretisch concept te belichten (common framework).
Convergentie wordt vaak gefaciliteerd door meta-analytische methoden. CNW heeft ook baat bij de
complementariteit van het onderzoek, waarvan elke een andere soort informatie over brein functie
biedt. Er worden veel methoden gebruikt om inzicht te krijgen in verschillende aspecten van
fysiologie (MRI, EEG, laesie studies, etc.).
De technieken verschillen in sensitiviteit voor snelle of langzame veranderingen (temporele resolutie)
en of ze informatie krijgen van een enkele neuron, of grotere delen van de hersenen (spatiele
resolutie). Perturbatie (verstoring) technieken (TMS, drugs, laesies) passen hersenfunctie aan en
kunnen gebruikt worden om te evalueren hoe specifieke hersenregio’s of -systemen causaal
bijdragen aan specifieke cognitieve processen.
Hoofdstuk 2
Verstoring van de hersenen die de cognitieve functies verminderen of beïnvloeden kan komen door
een aantal mechanismen. Ze kunne bijvoorbeeld komen door een beroerte, maar ook experimenteel
worden toegediend (farmacologische of elektrische methoden).
Verstoringen door een beroerte, trauma, of ziekte
De klinische pathologische correlatie techniek is de oudste methode om de neurale basis van
cognitieve functies te begrijpen. Een voordeel is dat als er schade is aan een bepaald deel en iemand
toont bepaalde tekorten, dat deze regio waarschijnlijk op een belangrijke manier betrokken is bij het
uitvoeren van die functie. Dit werd eerst gedaan door symptomen en gedrag te correleren met het
gebied met een laesie ontdekt in de autopsie. Een grote limitatie is dat de hersenschade het resultaat
,is van veel factoren die niet onder controle staan van de onderzoeker. Bij een beroerte zijn deze
factoren welk bloedvat verstopt zat, welke gebieden dit vat voorzag met bloed, of andere vaten nog
voor bloedtoevoer zorgden, en hoe lang geleden de beroerte was. Het is ook lastig resultaten te
generaliseren, omdat de verdeling van hersenregio’s die cognitieve functies ondersteunen verschilt
per persoon. Dit kan gedeeltelijk gecorrigeerd worden door de locus van schade bij veel patiënten te
bepalen, waardoor onderzoekers de betreffende regio kunnen afbakenen die gemeenschappelijk is
bij het verlies van een bepaalde functie, dit kan alleen met moderne technieken.
Een andere manier waarop wetenschappers de relatie tussen hersenschade en daaropvolgende
tekorten in cognitieve functies hebben gedefinieerd is door beperkte elektrolytische of chirurgische
laesies in experimentele dieren toe te brengen. Hierdoor kunnen ze de locatie controleren, waardoor
de schade gelimiteerd wordt tot specifieke gebieden. Ook hieraan zitten nadelen. De training en
assessment van dieren die cognitieve taken uitvoeren is heel lastig, ook komen er ethische vragen bij
kijken. Laesie studies hebben ook problemen met interpretatie door de connecties tussen
hersenregio’s. Als een deel beschadigd is, hebben andere delen die input krijgen van dit deel, ook
een verminderde functie omdat de input verloren is. Deze effecten heten diaschisis en kunnen leiden
tot het verkeerd toezeggen van een bepaalde functie aan een beschadigd hersengebied, in plaats van
aan het gebied in contact ermee. Een andere misinterpretatie is dat corticale schade ook vezels kan
beschadigen die daar dichtbij liggen, waardoor de functies van gebieden die verder weg liggen
worden verstoord.
Toch zijn klinisch-pathologische studies zeer informatief voor CNW. Moderne neuroimaging
methodes kunnen hersen laesies lokaliseren in levende patiënten, die nog beschikbaar zijn voor
gedragstesten. Kennis over de exacte plek kan gedragstesten informeren en een richtlijn geven op
een meer gefocuste manier dan wanneer dit alleen postmortaal kon.
Farmacologische verstoringen
Een andere manier om de cognitieve functies te verstoren is met farmacologische middelen. Veel
drugs verstoren of passen de signalen tussen neuronen aan, waardoor ze cognitieve functies kunnen
veranderen. In mensen zijn er twee vormen van dit soort studies. De eerste is de invloed van
chronisch drug gebruik of misbruik op cognitieve functies te bestuderen, bijvoorbeeld
beloningsevaluatie bij cocaïne. Drug gebruik of misbruik leidt tot specifieke veranderingen in de
neurotransmissie in de herensystemen die onderliggend zijn aan deze functies. Cocaïne activeert
dopaminereceptoren, waardoor de fysiologie van het dopamine systeem wordt aangepast. Dit
systeem speelt een grote rol in beloningsevaluatie. Chronisch gebruik leidt tot tolerantie, wat
resulteert in verdere negatieve consequenties. De tweede is meer gecontroleerde farmacologische
verstoring in experimentele settingen. Een drug is dan acuut toegediend en de effecten ervan
worden gecontroleerd (monitored). Hierdoor kan je bijvoorbeeld de effecten van nicotine op
cognitieve functies bestuderen. Nicotine beïnvloedt neurotransmitters gemedieerd door
acetylcholine, in wisselwerking met cognitieve processen, waaronder humeur, aandacht, geheugen,
en eetlust, en neurologische processen die kunnen leiden tot actie. Nicotine bindt aan deze
receptoren en activeert ze (gelijk aan de neurotransmitter), dit heten agonisten. Drugs die binden
aan receptoren en deze blokkeren heten antagonisten. Farmacologische manipulatie kan zo leiden
tot inferenties over de bijdragen van het neurotransmitter systeem aan cognitieve processen die ze
beïnvloeden.
Een nadeel is het relatieve gebrek aan specificiteit van hun effecten. Veel van de hersenen wordt
blootgesteld aan de drug en de effecten op verschillende hersensystemen bepalen kan lastig zijn. Een
meer specifieke interventie is om het direct te injecteren in specifieke hersengebieden.
Verstoringen door intracraniële (binnen de schedel) hersenstimulatie
Hersenregio’s worden dan direct gestimuleerd, door elektrodes allen tijdens de operatie of chronisch
te plaatsen. Zo wordt de elektrische tijd van de hersenen en responses op elektrische stimulatie
bestudeerd. Zo kan de functie van een (populatie van) neuron worden bepaald, wanneer een
bepaalde cognitieve taak moet worden uitgevoerd tijdens de stimulatie. Door de sterkte aan te
passen, kunnen de effecten op de neuronen worden gevarieerd. Normale stimulatie activeren de
neuronen en triggert gedrag dat het normaal doet, te veel stimulatie verstoort de normale functie.
, Verstoringen door extracraniële hersenstimulatie
Een andere techniek om processen te verstoren is transcranial magnetic stimulation (TMS). Met
TMS wordt een sterk maar voorbijgaand (transient) en snel veranderend magnetisch veld
gegenereerd over een regio van de scheld, door een intense, snel veranderende elektrische stroom
te sturen door spoelen. Dit induceert een snel veranderend elektrisch veld in het onderliggende
hersenweefsel resulterend in een externe stroom van stroom die tijdelijk interact met lokale neurale
verwerking.
Repetitive TMS (rTMS) is het toedienen van een serie van TMS pulsen in een paar minuten. Studies
hiernaar hebben laten zien dat TMS, afhankelijk van de sterkte van de stimulatie, prestatie kan
verbeteren of verstoren. Je kan ook een TMS plus toedienen net voor of een paar ms na een
stimulus, zo kan je de invloed op taak prestatie op die trial bestuderen.
Een voordeel is dat het grotere temporele resolutie heeft wanneer de je rol van de hersenregio in
een bepaalde taak wil vaststellen.
Nadelen zijn dat TMS vaak een groot gebied beïnvloedt, waardoor de anatomische resolutie wordt
verminderd. Ook kan TMS alleen effectief worden toegepast aan regio’s aan de oppervlakte.
Daarnaast kan het zorgen voor gelijktijdige stimulatie van de schedel en spieren van het hoofd, dit
resulteert in oncomfortabele of pijnlijke bewegingen. Ook is het in principe niet invasief, maar bij de
stimulatie komt risico kijken (kan bijvoorbeeld een beroerte induceren).
Een andere manier van extracraniële hersenstimulatie is transcranial direct current stimulation
(tDCS). Een constante, lage-amplitude, elektrische stroom wordt direct toegediend op de schedel.
Anodale (positieve) stimulatie vergroot de excitabiliteit, cathodale stimulatie vermindert de
excitabiliteit.
Zowel rTMS en tDCS kunnen effecten hebben die een paar minuten na de stimulatie voortduren. Ze
worden allebei gebruikt om de cognitieve functies te bestuderen en klinische problemen te
behandelen.
Optogenetica
Dit stimuleert neurale circuits veel effectiever. Het combineert genetica met laser licht om specifieke
circuits of neurale cel types tijdens verschillende mentale staten te activeren, waaronder een vrij
bewegend en gedragend dier. Het heeft dus hoge neurale selectiviteit en hoge temporele resolutie.
De excitabiliteit van membranen wordt gecontroleerd door ion-kanalen die geïnduceerd kunnen
worden om te openen of te sluiten, om ionen in of uit de cel te laten gaan. Normaal reageren deze
kanalen of veranderingen in voltage. Deze methode omvat het opnemen van ion-kanalen die openen
of sluiten door licht van een bepaalde golflengte in de neuronen die de interesse hebben, hierdoor
kan je ze aan of uit doen met licht en dus exciteren of inhiberen. De middelen om dit te doen komen
van genetica. Een virus van licht-sensitieve algen wordt geïnjecteerd in een bepaalde hersenregio, dit
leidt tot de productie van deze ion-kanalen en het opnemen daarvan in membranen van de
geïnfecteerde neuronen. Deze kunnen dan selectief worden geactiveerd of gedeactiveerd met licht
van een bepaalde golflengte.
Het meten van neurale activiteit tijdens cognitieve verwerking
De mees gebruikte methode is elektrofysiologische opname. Deze opnames kunnen extracellulair (in
de ruimte aangrenzend aan de actieve neuronen) of intracellulair (in een enkele neuron) zijn. De
elektrodes voor intracellulaire metingen zijn veel fijner, zulke opnames geven veel informatie over
hoe een enkele neuron zich gedraagt tijdens bepaalde (cognitieve) functies. Vroeger werden deze
metingen uitgevoerd op dieren onder narcose, recentelijk kunnen deze studies ook uitgevoerd
worden wanneer de dieren wakker zijn (vaak na lange trainingsperioden). De dieren krijgen dan een
apparaat op een blootgesteld hersengebied, de elektrode kan dan bewogen worden. Er zijn twee
gebruikelijke methoden om single unit data te verkrijgen en te verwerken.
Studies over neurale responses op een stimulus: het vuurpatroon over de tijd heen in reactie op de
stimulus wordt verkregen in de vorm van een peristimulus time histogram (PSTH). De stimulus wordt
een aantal trials laten zien. De responsiveness van het neuron is bepaald door de responses van elke
trial temporaal onder elkaar te zetten en het aantal actiepotentialen op te tellen in een histogram
tijdsgebonden aan de stimulus.
