Task 2. Our brain: plastic, elastic, fantastic
Leerdoelen
Wat is neuroplasticiteit?
Kalat, J.W. - Biological Psychology. Chapter 4
Ontwikkeling van het brein
Maturation of the Vertebrate Brain
Homeobox genen, in gewervelden/insecten/planten/schimmel/gist, reguleren de expressie
van andere genen en controleren de start van anatomische ontwikkeling. Deze genen delen
een grote volgorde van DNA-basen. Mutaties in homeobox-genen geven afwijkingen.
Het centrale zenuwstelsel bij mensen begint te vormen als een embryo 2 weken oud is. Het
dorsale oppervlak wordt dikker en vormt de neurale buis rondom een holte gevuld met
vloeistof.
Het voorste uiteinde vergroot, en dat worden de achterhersenen, middenhersenen en
voorhersenen.
,De rest wordt ruggenmerg. De holte met vloeistof in de neurale buis wordt het centrale
kanaal van het ruggenmerg en de vier ventrikels van het brein met hersenvocht (CSF). De
eerste spierbeweging begint bij 7,5 week, dat is spontane activiteit van het ruggenmerg.
Bij de geboorte weegt het brein 350 gram, aan het eind van het eerste jaar 1000 gram.
In de vroege kindertijd zijn de primaire sensorische gebieden van de cortex meer gerijpt dan
de rest: meest gevormde gyri en sulci, en redelijk goede verbindingen met de thalamus. In
de eerste jaren zijn de grootste veranderingen in de prefrontale cortex en andere corticale
gebieden voor aandacht, werkgeheugen en keuzes maken. De hersengebieden die het
langzaamst ontwikkelen (zoals prefrontale cortex) verslechteren het snelst bij ziektes als
Alzheimer.
Growth and Development of Neurons
Er zijn verschillende stadia in de ontwikkeling van neuronen.
Proliferatie is de productie van nieuwe cellen. Het menselijke brein prolifereert langer
dan een chimpansee. Bijna alle neuronen vormen in de eerste 28 weken van de
zwangerschap
Vroeg in de ontwikkeling delen de cellen die de binnenkant van de ventrikels bekleden.
Sommige cellen blijven delen waar ze zijn als stamcellen, anderen migreren naar andere
delen van het zenuwstelsel. De meeste migratie is voor de geboorte, een klein deel in de
eerste maanden na de geboorte.
Vroeg in de ontwikkeling gaan de primitieve cellen migreren/bewegen, geleid door
immunoglobulinen en chemokinen. Daardoor groeit het brein.
Een cel kan differentiëren naar een neuron. Het vormt dan dendrieten, een axon en
synapsen (synaptogenese; begint al voor de geboorte maar gaat het leven lang door).
Later begint de myelinisering: glia-cellen maken de vette omhulsels die transmissie
versnellen van de axonen van gewervelden. Myeline wordt eerst in het ruggenmerg
gemaakt, daarna in de achterhersenen, middenhersenen en voorhersenen. Het gaat het
leven lang door, maar wordt meer als je een nieuwe motorische vaardigheid leert.
New Neurons Later in Life
Cajal (1800) dacht dat het vertebrate brein alleen in de zwangerschap en vroege kindertijd
neuronen konden maken, maar er zijn uitzonderingen gevonden. Bijvoorbeeld de reuk-
receptoren: de neus heeft stamcellen die altijd ongerijpt blijven. Soms deelt een deel om een
stervende reuk-receptor te vervangen, ze groeien dan een axon naar de goede plek in de
hersenen. De reukreceptoren sturen axonen naar de reuk-bulb. De mens maakt in dit gebied
geen nieuwe neuronen na het eerste levensjaar. Vogels kunnen wel nieuwe neuronen
maken, ook in de hippocampus, wat belangrijk is voor geheugen en het leren van nieuwe
dingen of het krijgen van nieuwe herinneringen.
Om te meten of volwassen mensen nieuwe neuronen maken is er een methode gebaseerd
op een radioactieve isotoop van koolstof: 14C. Dat zat in de lucht, en was te meten in
huidcellen. Daaruit bleek dat huidcellen snel wisselen, sneller dan een jaar; skeletcellen
bleken langzamer te wisselen, ongeveer 15 jaar; hartcellen blijven bijna je hele leven; de
cerebrale cortex vormt bijna geen nieuwe neuronen na de geboorte; 2% van de neuronen in
de hippocampus worden vervangen per jaar; sommige neuronen in delen van de basale
ganglia, het striatum, worden ook vervangen. In de hippocampus en basale ganglia worden
dus nieuwe neuronen gevormd, en die gebieden zijn belangrijk voor het leren van nieuwe
,dingen. De nieuwe neuronen zijn kleine interneuronen, ze hebben geen lange axonen die
naar andere hersengebieden rijken.
Chemical Pathfinding by Axons
Weiss (1924) zette een extra been aan een salamander, en zag dat nieuwe axonen in dat
been groeiden zodat het meebewoog met de rest. Hij zei dat de zenuwen willekeurig
hechten aan spieren en verschillende opdrachten sturen, afgestemd op verschillende
spieren, waardoor er maar eentje kan reageren. Elke spier ontvangt veel signalen maar kan
er maar op een reageren. Later bleek het zo te zijn dat dat extra been meebewoog omdat
elke axon de juiste spier kon vinden, wat Weiss in eerste instantie tegensprak. Sperry sneed
de optische zenuw van een salamander door, deze zenuwen groeiden terug en bonden zich
aan de optische tectum (visueel gebied van de salamander) waardoor het zicht terugkwam.
In een nieuw experiment sneed hij de optische zenuw door en draaide hij het oog 180
graden. Hij zag dat de axonen van wat eerst dorsaal was (en nu dus ventraal) teruggroeiden
naar de dorsale retina. De axonen groeiden terug naar de oorspronkelijke neuronen,
waarschijnlijk door het volgen van een chemisch spoor. De salamander zag de wereld op zijn
kop en links en rechts omgedraaid.
Mensen hebben te weinig genen om individuele doelen voor elke neuron uit het brein te
specificeren. Een groeiende axon volgt een pad van cel oppervlakte moleculen,
aangetrokken door bepaalde chemicaliën, en afgestoten door anderen waardoor het in de
goede richting gaat. Ze volgen dus een gradiënt van chemicaliën. De axonen binden aan de
tectale cellen met de gelijke concentratie van de chemische stof. Een tweede proteïne stuurt
de axonen van de posterieure retina naar het anterieure deel van de tectum.
Als axonen in eerste instantie hun doel bereiken, worden ze gestuurd door chemische
gradiënten, maar dit gaat niet heel nauwkeurig. Elke axon vormt synapsen op veel cellen in
ongeveer de goede locatie, en elke doel-cel ontvangt synapsen van veel axonen. Elke
postsynaptische cel versterkt de meest gepaste synaps en elimineert de anderen, afhankelijk
van het patroon van de input van de inkomende axonen. Dit suggesteert een algemeen
principe: neuraal Darwinisme (Edelman, 1987). Het zenuwstelsel begint met meer neuronen
en synapsen dan nodig. De meest succesvolle combinaties worden geselecteerd en de
anderen afgewezen. Het principe van competitie is belangrijk. Het is echter niet willekeurig:
de axonale vertakkingen worden in ongeveer de goede richting gestuurd. De verbindingen
worden geverifieerd door het functioneren van de neuronen zelf
Determinants of Neuronal Survival
Het is moeilijk om het juiste aantal neuronen voor elk gebied van het zenuwstelsel te krijgen.
Vroeger was een hypothese dat de spieren chemische boodschappen stuurden om te zeggen
hoeveel neuronen gevormd moesten worden. Levi-Montalcini weerlegde dit door te zeggen
dat spieren niet bepalen hoeveel axonen vormen, maar hoeveel axonen overleven. Het
sympathische zenuwstelsel vormt veel meer neuronen dan nodig. Als een van de neuronen
een synaps vormt naar een spier, ontvangt die spier een proteïne genaamd nerve growth
factor (NGF), dat de overleving en de groei van de axon promoot. Als een axon geen NGF
krijgt degenereert hij en sterft het cellichaam af. Als een axon van een neuron geen contact
maakt met de geschikte postsynaptische cel, laat het neuron zichzelf sterven (apoptose).
NGT stopt de apoptose, dit is de manier waarop de postsynaptische cel de inkomende axon
laat weten niet dood te gaan. Door het overproduceren en apoptose kan het centrale
zenuwstelsel het aantal axonen matchen aan het aantal ontvangende cellen. Later gaan de
overtollige axonen, die dus geen synaps konden maken, dood. Hierdoor rijpt het
, hersengebied. De NGF is een neurotrofine: een chemische stof die de overleving en activiteit
van neuronen aan de buitenkant van het brein promoot (niet in het brein). Het zenuwstelsel
reageert ook op BDNF en andere neurotrophines, die zijn essentieel voor de groei van
axonen en dendrieten, het vormen van synapsen en leren. Als corticale neuronen een
bepaalde leeftijd hebben gaan ze dood, ongeacht hoeveel neuronen aanwezig zijn.
Neuronen hebben input van inkomende neuronen nodig, bijvoorbeeld neurotransmitters.
The Vulnerable Developing Brain
Gastrulatie is een van de vroege stadia van embryologische ontwikkeling.
In de vroege ontwikkeling is het brein gevoelig voor ondervoeding, toxische chemicaliën en
infecties die op latere leeftijd niet schadelijk zijn. Bijvoorbeeld alcohol: het kindje krijgt dan
fetal alcohol syndrome door een verdunning van de cerebrale cortex: hyperactiviteit,
impulsiviteit, moeite met aandacht, mentale retardatie, motorische problemen, hartfalen en
abnormaliteiten in het gezicht. Alcohol schaadt het brein: het interfereert met neuron
proliferatie, het beperkt neuron migratie en differentiatie, het beperkt synaptische
transmissie en het doodt neuronen door apoptose. Alcohol remt receptoren voor glutamaat,
het brein’s prikkelende transmitter, en vergroot de receptoren voor GABA, de remmende
transmitter. Door de remming van de prikkeling ondergaan neuronen apoptose. Omdat het
de glutamaatreceptoren remt, gaan de neuronen compenseren door veel meer glutamaat
receptoren te maken. Als de alcohol weg is, overprikkelt glutamaat de receptoren waardoor
er te veel sodium en calcium in de cel komt en de mitochondriën vergiftigd. Hierdoor gaan er
veel cellen dood in verschillende hersengebieden.
Het ontwikkelende brein is erg responsief op invloeden van de moeder: stress voor de
moeder verandert haar gedrag op zo’n manier dat het het gedrag van het kind veranderd.
Differentiation of the Cortex
Ongerijpte neuronen die in een ander deel van de ontwikkelende cortex geplaatst worden,
nemen eigenschappen aan van de nieuwe locatie. Als ze in een later stadium worden
overgeplaatst houden ze hun verkregen eigenschappen, en ontwikkelen ze ook nieuwe. In
een onderzoek met fretten beschadigden onderzoekers de doelen van optic zenuwen, en de
auditieve input. De optische zenuw bond zich aan het auditieve deel van de thalamus. De
voorheen auditieve thalamus en cortex herorganiseerde, en ontwikkelde sommige
eigenschappen van de visuele gebieden. De rewired (met nieuwe eigenschappen) temporale
cortex die input krijgt van de optische zenuw, gaat ook visuele reacties geven. De
hersengebieden die eerst voor horen waren, worden omgezet in visuele gebieden. De
sensorische input instrueert de cortex dus over hoe hij zich moet ontwikkelen.
Fine-tuning by Experience
Door onvoorspelbaarheden in het leven, heeft ons brein de eigenschap ontwikkeld om
zichzelf te verbouwen als reactie op ervaring.
Experience and Dendritic Branching
De centrale structuur van een dendriet wordt stabiel in de adolescentie, maar de perifere
vertakkingen van een dendriet blijven flexibel door het leven heen. Sommige dendritische
vertakkingen worden langer, en sommige trekken zich in of verdwijnen in een maand (bij
muizen). 6% van de spines verschijnt of verdwijnt in een maand, wat een omzet van
synapsen geeft, gerelateerd aan leren. Ervaringen begeleiden de neuronale veranderingen.
Een rat in een verrijkte/stimulerende omgeving heeft een dikkere cortex, meer dendritische
Leerdoelen
Wat is neuroplasticiteit?
Kalat, J.W. - Biological Psychology. Chapter 4
Ontwikkeling van het brein
Maturation of the Vertebrate Brain
Homeobox genen, in gewervelden/insecten/planten/schimmel/gist, reguleren de expressie
van andere genen en controleren de start van anatomische ontwikkeling. Deze genen delen
een grote volgorde van DNA-basen. Mutaties in homeobox-genen geven afwijkingen.
Het centrale zenuwstelsel bij mensen begint te vormen als een embryo 2 weken oud is. Het
dorsale oppervlak wordt dikker en vormt de neurale buis rondom een holte gevuld met
vloeistof.
Het voorste uiteinde vergroot, en dat worden de achterhersenen, middenhersenen en
voorhersenen.
,De rest wordt ruggenmerg. De holte met vloeistof in de neurale buis wordt het centrale
kanaal van het ruggenmerg en de vier ventrikels van het brein met hersenvocht (CSF). De
eerste spierbeweging begint bij 7,5 week, dat is spontane activiteit van het ruggenmerg.
Bij de geboorte weegt het brein 350 gram, aan het eind van het eerste jaar 1000 gram.
In de vroege kindertijd zijn de primaire sensorische gebieden van de cortex meer gerijpt dan
de rest: meest gevormde gyri en sulci, en redelijk goede verbindingen met de thalamus. In
de eerste jaren zijn de grootste veranderingen in de prefrontale cortex en andere corticale
gebieden voor aandacht, werkgeheugen en keuzes maken. De hersengebieden die het
langzaamst ontwikkelen (zoals prefrontale cortex) verslechteren het snelst bij ziektes als
Alzheimer.
Growth and Development of Neurons
Er zijn verschillende stadia in de ontwikkeling van neuronen.
Proliferatie is de productie van nieuwe cellen. Het menselijke brein prolifereert langer
dan een chimpansee. Bijna alle neuronen vormen in de eerste 28 weken van de
zwangerschap
Vroeg in de ontwikkeling delen de cellen die de binnenkant van de ventrikels bekleden.
Sommige cellen blijven delen waar ze zijn als stamcellen, anderen migreren naar andere
delen van het zenuwstelsel. De meeste migratie is voor de geboorte, een klein deel in de
eerste maanden na de geboorte.
Vroeg in de ontwikkeling gaan de primitieve cellen migreren/bewegen, geleid door
immunoglobulinen en chemokinen. Daardoor groeit het brein.
Een cel kan differentiëren naar een neuron. Het vormt dan dendrieten, een axon en
synapsen (synaptogenese; begint al voor de geboorte maar gaat het leven lang door).
Later begint de myelinisering: glia-cellen maken de vette omhulsels die transmissie
versnellen van de axonen van gewervelden. Myeline wordt eerst in het ruggenmerg
gemaakt, daarna in de achterhersenen, middenhersenen en voorhersenen. Het gaat het
leven lang door, maar wordt meer als je een nieuwe motorische vaardigheid leert.
New Neurons Later in Life
Cajal (1800) dacht dat het vertebrate brein alleen in de zwangerschap en vroege kindertijd
neuronen konden maken, maar er zijn uitzonderingen gevonden. Bijvoorbeeld de reuk-
receptoren: de neus heeft stamcellen die altijd ongerijpt blijven. Soms deelt een deel om een
stervende reuk-receptor te vervangen, ze groeien dan een axon naar de goede plek in de
hersenen. De reukreceptoren sturen axonen naar de reuk-bulb. De mens maakt in dit gebied
geen nieuwe neuronen na het eerste levensjaar. Vogels kunnen wel nieuwe neuronen
maken, ook in de hippocampus, wat belangrijk is voor geheugen en het leren van nieuwe
dingen of het krijgen van nieuwe herinneringen.
Om te meten of volwassen mensen nieuwe neuronen maken is er een methode gebaseerd
op een radioactieve isotoop van koolstof: 14C. Dat zat in de lucht, en was te meten in
huidcellen. Daaruit bleek dat huidcellen snel wisselen, sneller dan een jaar; skeletcellen
bleken langzamer te wisselen, ongeveer 15 jaar; hartcellen blijven bijna je hele leven; de
cerebrale cortex vormt bijna geen nieuwe neuronen na de geboorte; 2% van de neuronen in
de hippocampus worden vervangen per jaar; sommige neuronen in delen van de basale
ganglia, het striatum, worden ook vervangen. In de hippocampus en basale ganglia worden
dus nieuwe neuronen gevormd, en die gebieden zijn belangrijk voor het leren van nieuwe
,dingen. De nieuwe neuronen zijn kleine interneuronen, ze hebben geen lange axonen die
naar andere hersengebieden rijken.
Chemical Pathfinding by Axons
Weiss (1924) zette een extra been aan een salamander, en zag dat nieuwe axonen in dat
been groeiden zodat het meebewoog met de rest. Hij zei dat de zenuwen willekeurig
hechten aan spieren en verschillende opdrachten sturen, afgestemd op verschillende
spieren, waardoor er maar eentje kan reageren. Elke spier ontvangt veel signalen maar kan
er maar op een reageren. Later bleek het zo te zijn dat dat extra been meebewoog omdat
elke axon de juiste spier kon vinden, wat Weiss in eerste instantie tegensprak. Sperry sneed
de optische zenuw van een salamander door, deze zenuwen groeiden terug en bonden zich
aan de optische tectum (visueel gebied van de salamander) waardoor het zicht terugkwam.
In een nieuw experiment sneed hij de optische zenuw door en draaide hij het oog 180
graden. Hij zag dat de axonen van wat eerst dorsaal was (en nu dus ventraal) teruggroeiden
naar de dorsale retina. De axonen groeiden terug naar de oorspronkelijke neuronen,
waarschijnlijk door het volgen van een chemisch spoor. De salamander zag de wereld op zijn
kop en links en rechts omgedraaid.
Mensen hebben te weinig genen om individuele doelen voor elke neuron uit het brein te
specificeren. Een groeiende axon volgt een pad van cel oppervlakte moleculen,
aangetrokken door bepaalde chemicaliën, en afgestoten door anderen waardoor het in de
goede richting gaat. Ze volgen dus een gradiënt van chemicaliën. De axonen binden aan de
tectale cellen met de gelijke concentratie van de chemische stof. Een tweede proteïne stuurt
de axonen van de posterieure retina naar het anterieure deel van de tectum.
Als axonen in eerste instantie hun doel bereiken, worden ze gestuurd door chemische
gradiënten, maar dit gaat niet heel nauwkeurig. Elke axon vormt synapsen op veel cellen in
ongeveer de goede locatie, en elke doel-cel ontvangt synapsen van veel axonen. Elke
postsynaptische cel versterkt de meest gepaste synaps en elimineert de anderen, afhankelijk
van het patroon van de input van de inkomende axonen. Dit suggesteert een algemeen
principe: neuraal Darwinisme (Edelman, 1987). Het zenuwstelsel begint met meer neuronen
en synapsen dan nodig. De meest succesvolle combinaties worden geselecteerd en de
anderen afgewezen. Het principe van competitie is belangrijk. Het is echter niet willekeurig:
de axonale vertakkingen worden in ongeveer de goede richting gestuurd. De verbindingen
worden geverifieerd door het functioneren van de neuronen zelf
Determinants of Neuronal Survival
Het is moeilijk om het juiste aantal neuronen voor elk gebied van het zenuwstelsel te krijgen.
Vroeger was een hypothese dat de spieren chemische boodschappen stuurden om te zeggen
hoeveel neuronen gevormd moesten worden. Levi-Montalcini weerlegde dit door te zeggen
dat spieren niet bepalen hoeveel axonen vormen, maar hoeveel axonen overleven. Het
sympathische zenuwstelsel vormt veel meer neuronen dan nodig. Als een van de neuronen
een synaps vormt naar een spier, ontvangt die spier een proteïne genaamd nerve growth
factor (NGF), dat de overleving en de groei van de axon promoot. Als een axon geen NGF
krijgt degenereert hij en sterft het cellichaam af. Als een axon van een neuron geen contact
maakt met de geschikte postsynaptische cel, laat het neuron zichzelf sterven (apoptose).
NGT stopt de apoptose, dit is de manier waarop de postsynaptische cel de inkomende axon
laat weten niet dood te gaan. Door het overproduceren en apoptose kan het centrale
zenuwstelsel het aantal axonen matchen aan het aantal ontvangende cellen. Later gaan de
overtollige axonen, die dus geen synaps konden maken, dood. Hierdoor rijpt het
, hersengebied. De NGF is een neurotrofine: een chemische stof die de overleving en activiteit
van neuronen aan de buitenkant van het brein promoot (niet in het brein). Het zenuwstelsel
reageert ook op BDNF en andere neurotrophines, die zijn essentieel voor de groei van
axonen en dendrieten, het vormen van synapsen en leren. Als corticale neuronen een
bepaalde leeftijd hebben gaan ze dood, ongeacht hoeveel neuronen aanwezig zijn.
Neuronen hebben input van inkomende neuronen nodig, bijvoorbeeld neurotransmitters.
The Vulnerable Developing Brain
Gastrulatie is een van de vroege stadia van embryologische ontwikkeling.
In de vroege ontwikkeling is het brein gevoelig voor ondervoeding, toxische chemicaliën en
infecties die op latere leeftijd niet schadelijk zijn. Bijvoorbeeld alcohol: het kindje krijgt dan
fetal alcohol syndrome door een verdunning van de cerebrale cortex: hyperactiviteit,
impulsiviteit, moeite met aandacht, mentale retardatie, motorische problemen, hartfalen en
abnormaliteiten in het gezicht. Alcohol schaadt het brein: het interfereert met neuron
proliferatie, het beperkt neuron migratie en differentiatie, het beperkt synaptische
transmissie en het doodt neuronen door apoptose. Alcohol remt receptoren voor glutamaat,
het brein’s prikkelende transmitter, en vergroot de receptoren voor GABA, de remmende
transmitter. Door de remming van de prikkeling ondergaan neuronen apoptose. Omdat het
de glutamaatreceptoren remt, gaan de neuronen compenseren door veel meer glutamaat
receptoren te maken. Als de alcohol weg is, overprikkelt glutamaat de receptoren waardoor
er te veel sodium en calcium in de cel komt en de mitochondriën vergiftigd. Hierdoor gaan er
veel cellen dood in verschillende hersengebieden.
Het ontwikkelende brein is erg responsief op invloeden van de moeder: stress voor de
moeder verandert haar gedrag op zo’n manier dat het het gedrag van het kind veranderd.
Differentiation of the Cortex
Ongerijpte neuronen die in een ander deel van de ontwikkelende cortex geplaatst worden,
nemen eigenschappen aan van de nieuwe locatie. Als ze in een later stadium worden
overgeplaatst houden ze hun verkregen eigenschappen, en ontwikkelen ze ook nieuwe. In
een onderzoek met fretten beschadigden onderzoekers de doelen van optic zenuwen, en de
auditieve input. De optische zenuw bond zich aan het auditieve deel van de thalamus. De
voorheen auditieve thalamus en cortex herorganiseerde, en ontwikkelde sommige
eigenschappen van de visuele gebieden. De rewired (met nieuwe eigenschappen) temporale
cortex die input krijgt van de optische zenuw, gaat ook visuele reacties geven. De
hersengebieden die eerst voor horen waren, worden omgezet in visuele gebieden. De
sensorische input instrueert de cortex dus over hoe hij zich moet ontwikkelen.
Fine-tuning by Experience
Door onvoorspelbaarheden in het leven, heeft ons brein de eigenschap ontwikkeld om
zichzelf te verbouwen als reactie op ervaring.
Experience and Dendritic Branching
De centrale structuur van een dendriet wordt stabiel in de adolescentie, maar de perifere
vertakkingen van een dendriet blijven flexibel door het leven heen. Sommige dendritische
vertakkingen worden langer, en sommige trekken zich in of verdwijnen in een maand (bij
muizen). 6% van de spines verschijnt of verdwijnt in een maand, wat een omzet van
synapsen geeft, gerelateerd aan leren. Ervaringen begeleiden de neuronale veranderingen.
Een rat in een verrijkte/stimulerende omgeving heeft een dikkere cortex, meer dendritische
