Biologie-Kennis.nl

 

De gewervelde hersenen regionaal gespecialiseerd.

Na bestudering van de organisatie van het ruggenmerg en het parasympathische zenuwstelsel, wenden wij ons nu naar de hersenen. Bij de bespreking van de hersen organisatie, verwezen biologen vaak naar de deelsectoren die specifiek zijn op bepaalde stadia van de embryonale ontwikkeling. In alle gewervelde dieren, de drie voorste uitstulpingen van de neurale buis-voorhersenen, middenhersenen, en achterhersenen- worden duidelijk als het embryo zich ontwikkelt. De 5e week van de embryonale ontwikkeling bij de mens, zijn er vijf gebieden van de hersenen. Drie van deze regio's-die afgeleid van de middenhersenen en achterhersenen-geven aanleiding tot de hersenstam, een set van structuren die het onderste deel van de hersenen te vormen. De achterhersenen geeft ook aanleiding tot het  grote hersenen centrum, het cerebellum, dat geen deel uitmaakt van de hersenstam. Als embryogenese doorgaat, zullen de meest ingrijpende veranderingen die in het menselijk brein optreden plaats vinden in de grote hersenen(telencephalon), de regio van de voorhersenen dat aanleiding geeft tot de volwassen hersenen. Snelle, expansieve groei van de grote hersenen tijdens de 2de en 3de maand zorgt ervoor dat het buitenste gedeelte van het cerebrum, genaamd de cerebrale cortex, uit breidt over en rond veel van de rest van de hersenen. Grote centra die zich ontwikkelen vanuit het diencephalon zijn de thalamus, hypothalamus en epithalamus.

De Hersenstam

De hersenstam functioneerd in homeostase, de coördinatie van de beweging, en de geleiding van de informatie van en naar hogere hersencentra. Hersenstam ook wel de lagere hersenen genoemd: 'vormt een stengel met pet-achtige zwellingen op het voorste einde van het ruggenmerg De volwassen hersenstam bestaat uit de middenhersenen, de pons en de medulla oblongata (gewoonlijk de medulla).
De overdracht van informatie tussen de PZS de middenhersenen en de voorhersenen is een van de belangrijkste functies van de medulla en pons. Alle axonen die sensorische informatie en motorische instructies van de hogere gebieden van de hersenen doorgeven via de hersenstam. De medulla en pons helpen ook bij het coördineren van grootschalige bewegingen van het lichaam, zoals hardlopen en klimmen. Bij de uitvoering van instructies van bewegingen over deze cellichamen in de middenhersenen en de voorhersenen van synapsen in het ruggenmerg, kruisen de meeste axonen in de medulla van de ene kant van het centraal zenuwstelsel naar de andere. Als gevolg daarvan, controleert de rechterkant van de hersenen een groot deel van de beweging van de linkerkant van het lichaam, en vice versa. De middenhersenen bevat centra voor opvang en integratie van verschillende soorten sensorische informatie. Het stuurt ook gecodeerde zintuiglijke informatie langs neuronen naar specifieke regio's van de voorhersenen. Alle zintuiglijke axonen die betrokken zijn bij het horen, eindigen of in de middenhersenen of langs hun weg naar de hersenen. In niet zoogdier-gewervelde dieren, vormen delen van de middenhersenen prominente optische kwabben die in sommige gevallen de dieren hun enige visuele centra zijn. Bij zoogdieren, is visie geïntegreerd in het cerebrum, niet de middenhersenen. De middenhersenen coördineren visuele reflexen, zoals de perifere visie reflex: Het hoofd draait in de richting van een object dat nadert vanaf de kant zonder dat de hersenen een beeld hebben gevormd van het object. Signalen van de hersenstam hebben invloed op aandacht, alertheid, eetlust en motivatie. De medulla bevat centra die verschillende automatische controles uitvoeren op, homeostatische functies, met inbegrip van de ademhaling, hart en bloedvaten activiteit controle, slikken, braken, en de spijsvertering. De pons participeert ook in sommige van deze activiteiten, bijvoorbeeld, reguleert het de ademhaling centra in de medulla. Deze activiteiten van de hersenstam hangen af van axonen die veel gebieden van de cerebrale cortex en het cerebellum te bereiken, daar geven ze neurotransmitters vrij: zoals norepineph-Rine, dopamine, serotonine en acetylcholine.

Opwinding en Slaap

Zoals iedereen die in slaap viel tijdens het luisteren naar een lezing (of het lezen van een boek) wel weet, kan alertheid en mentale alertheid snel veranderen. Dergelijke overgangen worden geregeld door de hersenstam en de hersenen, die zowel opwinding en slapen controleren. Opwinding is een staat van bewustzijn van de buitenwereld. Slaap is een toestand waarin externe prikkels  ontvangen worden, maar niet bewust waargenomen worden. De hersenstam bevat verschillende centra voor het beheersen van opwinding en slapen. Een van deze regelaars is de reticulaire formatie, een diffuus netwerk van neuronen in de kern van de hersenstam. Handelend als een zintuiglijke filter, bepaalt de reticulaire formatie welke binnenkomende informatie de hersenschors bereikt. Hoe meer informatie de cortex ontvangt, des te meer alert en bewust een persoon is, hoewel de hersenen vaak bepaalde stimuli negeert, terwijl hij actief andere dingen wel verwerkt. Slapen en wakker worden zijn ook geregeld door specifieke delen van de hersenstam: De pons en medulla bevatten centra die ervoor zorgen dat de slaap invalt wanneer deze gestimuleerd wordt en de middenhersenen hebben een centrum dat opwinding veroorzaakt. Alle vogels en zoogdieren laten karakteristieke slaap / wakker worden cycli zien. Melatonine, een hormoon geproduceerd door de pijnappelklier, lijkt een belangrijke rol te spelen in deze cycli. De secretie piek van melatonine treedt 's nachts op. Melatonine is gepromoot als een voedingssupplement om slaapstoornissen, zoals die in verband met jetlag, slapeloosheid, seizoensgebonden affectieve stoornis en depressie te behandelen. Melatonine wordt gesynthetiseerd uit serotonine, die zelf de neurotransmitter kan zijn van de slaap-producerende centra. Serotonine op zijn beurt wordt gesynthetiseerd uit het aminozuur tryptofaan. Hoewel het eiwit in melk relatief hoge niveaus van tryptofaan bevat, blijft het onzeker of het drinken van melk voor het slapengaan de productie verhoogt van serotonine en melatonine, waardoor het goed zou werken bij het in slaap vallen. Hoewel we erg weinig weten over de functie van slaap, is het duidelijk dat de slaap essentieel is om te overleven. In tegenstelling tot wat het lijkt, is slapen een actieve toestand, althans voor de hersenen. Door het plaatsen van elektroden op meerdere plaatsen op de hoofdhuid, kunnen we patronen registreren van elektrische activiteit,  hersengolven genoemd, in een elektro-encefalogram (EEG). Uit deze opnamen blijkt dat hersen golf frequenties veranderen in verschillende fasen van de slaap. Een hypothese is dat slaap en dromen betrokken zijn bij de consolidatie van het leren en het geheugen: Experimenten tonen aan dat de regio's van de hersenen geactiveerd tijdens een leertaak weer actief kunnen worden tijdens de slaap. Sommige dieren laten evolutionaire aanpassingen zien die leiden tot aanzienlijke activiteit tijdens de slaap. Tuimelaars, bijvoorbeeld, zwemmen terwijl ze slapen, stijgen naar de oppervlakte om lucht in te ademen op een regelmatige basis. Hoe kunnen ze deze prestatie uitvoeren? Een kritische idee kwam van de Amerikaanse fysioloog John Lilly, die in 1964 waarnam dat dolfijnen slapen met een oog open en een gesloten. Net als bij de mens en andere zoogdieren, zijn de voorhersenen van dolfijnen fysiek en functioneel in twee helften verdeeld, de rechter en linker hersenhelft. Lilly suggereerd dat een dolfijn die slaapt met een oog dicht een voorbeeld is dat slechts een kant van de hersenen in slaap is. In 1977, is Russische wetenschapper Lev Mukhametov bezig gegaan met een test om  Lilly's hypothese te testen door het verzamelen van EEG-registraties van elk deel van de hersenen van slapende dolfijnen. Mukhametov's bevindingen tonen aan dat dolfijnen in feite slapen met een hersenhelft tegelijk.

Het cerebellum

Het cerebellum, die ontwikkelt uit een deel van de achterhersenen, coördineert bewegingen en evenwicht. Het cerebellum ontvangt zintuiglijke informatie over de positie van de gewrichten en de lengte van de spieren, als ook  de input van de auditieve en visuele systemen. Het houdt ook toezicht op de motor commando's afgegeven door de hersenen. Informatie uit het cerebrum passeert als eerste de pons en van daar naar het cerebellum. Het cerebellum integreert deze informatie als zij de coördinatie en controle van fouten in de motor en perceptuele functies verricht. Oog-hand coördinatie is een voorbeeld van cerebellaire-controle, indien het cerebellum is beschadigd, kunnen de ogen een bewegend voorwerp te volgen, maar ze zullen niet stoppen op dezelfde plaats als het object. Handbeweging richting het object zullen ook grillig zijn. Het cerebellum helpt ook bij het leren en onthouden van motorische vaardigheden.

Het diencephalon

Het embryonale diencephalon de voorhersenen divisie die het vroegste geëvolueerd is in gewervelde geschiedenis ontwikkelt zich in drie volwassen hersen regio's: de thalamus, hypothalamus en epithalamus. De thalamus en de hypothalamus zijn belangrijke integratie centra die fungeren als relay stations voor de informatiestroom in het lichaam. De epithalamus omvat de pijnappelklier, de bron van melatonine. Het bevat ook een vande meerdere clusters van haarvaatjes die cerebrospinaal vocht uit het bloed genereren. De thalamus is het belangrijkste input centrum voor zintuiglijke informatie naar de hersenen. Binnenkomende informatie van alle zintuigen is gesorteerd in de thalamus en verzonden naar de juiste cerebrale centra voor verdere verwerking. De thalamus ontvangt ook input van de hersenen en andere delen van de hersenen dat emotie en opwinding kan reguleren. De thalamus wordt gevormd door twee massa's, die elk ongeveer de grootte en de vorm van een walnoot hebben. Veel kleiner nog dan de thalamus, is de hypothalamus een van de belangrijkste gebieden van de hersenen voor de controle van homeostase. De hypothalamus bevat de thermostaat van het lichaam, als ook centra voor de regulering van honger, dorst, en vele andere fundamentele overlevingsmechanismen. De hypothalamus is de bron van hypofyseachterkwabhormonen en het vrijgeven van hormonen die inwerken op de hypofyse. Daarnaast spelen hypothalame centra een rol in het seksuele en paargedrag, de vecht-of-vlucht reactie, en plezier.

Biologische klok verordening door de hypothalamus

Gespecialiseerde zenuwcellen in de hypothalamus reguleren circadiaanse ritmes, dagelijkse cycli van biologische activiteit. Dergelijke cycli treden op in organismen, variërend van bacteriën tot schimmels, planten, insecten, vogels en mensen. Bij zoogdieren, zijn de cycli gecontroleerd door de hypothalamus en heeft het invloed op een aantal fysiologische processen, zoals slaap, lichaamstemperatuur, honger en afgifte van hormonen. Net als in andere organismen, rekenen circadiane ritmen bij zoogdieren op een biologische klok een moleculair mechanisme dat de periodieke expressie van genen en cellulaire activiteit leidt. Hoewel de biologische klokken meestal zijn gesynchroniseerd met de cycli van licht en donker in de omgeving, kunnen ze ongeveer een 24-uurs cyclus handhaven, zelfs in de afwezigheid van omgevingsfactoren. Bijvoorbeeld, de mens bewaard in een constante omgeving een cyclus lengte van 24,2 uur, met zeer weinig variatie tussen individuen. In zoogdieren zijn circadiane ritmes gecoördineerd door een groep neuronen in de hypothalamus genaamd de suprachiasmatische kern, of Sen. (Bepaalde clusters van neuronen in het CZS worden aangeduid als "kernen: ') In antwoord op overdracht van zintuiglijke informatie door de ogen, werkt de SCN als een pacemaker, het synchroniseren van de biologische klok in de cellen door het hele lichaam met de natuurlijke cycli van de daglengte. Door operatief verwijderen van de SCN bij laboratorium dieren, hebben wetenschappers aangetoond dat de SCN is vereist voor circadiane ritmes: Dieren zonder SCN hebben gebrek aan ritmiek in gedrag en in de elektrische activiteit van de hersenen. Deze experimenten wijzen echter niet uit of ritmes afkomstig zijn van de SCN of elders. In 1990, hebben Michael Menaker en collega's aan de Universiteit van Virginia deze vraag beantwoord met behulp van een mutatie die de circadiane ritme van hamsters verandert. Door het transplanteren van hersenweefsel tussen normale en gemuteerde hamsters, konden deze wetenschappers aantonen dat de sen het circadiane ritme van het hele dier bepaalt.

Het cerebrum

Bij zoogdieren, is de verwerking van informatie grotendeels in het midden van de grote hersenen. Het cerebrum ontwikkelt zich uit de embryonale telencephalon, een uitloper van de voorhersenen dat ontstaan is in de vroege gewervelde evolutie als een regio die olfactorische receptie ondersteund evenals auditieve en visuele verwerking. Het cerebrum is verdeeld in links en rechts hersenhelften. Elk halfrond bestaat uit een omhulsel van grijze stof, de hersenschors; interne witte stof, en groepen van neuronen genaamd basale kernen die diep gelegen zijn binnen de witte stof. De basale kernen zijn belangrijke centra voor de planning en het leren van bewegingsvormen. Schade in dit gebied van de hersenen tijdens de foetale ontwikkeling kan leiden tot cerebrale parese, een verstoring van hoe de motor commando's worden uitgegeven aan de spieren. De cerebrale cortex is bijzonder uitgebreid bij zoogdieren, waar het van vitaal belang is voor de perceptie, vrijwillige bewegingen, en leren. Bij de mens, is het goed voor ongeveer 80% van de totale massa van de hersenen en is het zeer ingewikkeld. Door de windingen kan de cerebrale cortex een groot oppervlak hebben en nog steeds binnen de schedel passen: Minder dan 5 mm dik, heeft een oppervlakte van ongeveer 1.000 cm, Net als de rest van de grote hersenen, is de hersenschors onderverdeeld in de rechter en een linkerkant, die elk verantwoordelijk is voor de andere helft van het lichaam. De linkerkant van de cortex ontvangt informatie uit, en controleert de beweging van de rechterkant van het lichaam, en vice versa. Een dikke band van axons bekend als het corpus callosum stelt de rechter en linker cerebrale cortex in staat te communiceren. Als schade ontstaat aan de hersenen vroeg in de ontwikkeling, zijn de normale functies van het beschadigde gebied vaak elders doorgestuurd. Een dramatisch voorbeeld van dit fenomeen is het gevolg van een behandeling voor de meest extreme gevallen van epilepsie, een aandoening waardoor aanvallen komen van elektrische verstoring of epileptische aanvallen, in de hersenen. In die zeldzame baby's die zwaar getroffen zijn en niet reageren op medicatie, is een hele hersenhelft soms operatief verwijderd. Verbazingwekkend, het herstel is bijna compleet. Het resterende halfrond neemt uiteindelijk het merendeel van de functies die normaal door de hele hersenen worden uitgevoerd over, hoewel de ene kant van het lichaam veel zwakker is dan de andere. Zelfs bij volwassenen, kan schade aan een deel van de cerebrale cortex leiden tot de ontwikkeling of het gebruik van nieuwe hersencellen circuits, wat in sommige gevallen tot herstel van functie.

Evolutie van de cognitie bij vertebraten

Bij de mens, vormt het buitenste deel van de cerebrale cortex de neocortex, zes parallelle lagen van neuronen gerangschikt rakend aan het oppervlak van de hersenen. Het is lang gedacht dat een grote, zeer ingewikkelde neocortex nodig was voor de geavanceerde cognitie, de perceptie en de redenering die de kennis vormen. Beide primaten en walvisachtigen (walvissen, dolfijnen, bruinvissen en) beschikken over een uitgebreid ingewikkelde neocortex. Omdat vogels gebrek hebben aan een dergelijke structuur, werden zij verondersteld om aanzienlijk lagere intellectuele capaciteit hebben. In de afgelopen jaren, echter blijkt deze zienswijze onjuist te zijn: Er zijn nu overvloedige voorbeelden van geavanceerde verwerking van informatie door vogels. West-scrub jays (Aphelocoma californica) kan dingen herinneren de relatieve tijd verstreken is sinds ze opgeslagen en verborg specifieke voedingsmiddelen. Nieuw-Caledonische kraaien (Corvus moneduloides) zijn zeer bedreven in het maken en gebruiken van werktuigen, het vermogen anders alleen gedocumenteerd voor de mens en sommige andere apen.