Cognitieve neurowetenschap
Cognitieve neurowetenschap is een relatief nieuw, vakgebied dat een integratie beoogt tussen neurowetenschap en cognitieve psychologie. Zowel psychologen als neurowetenschappers en onderzoekers met een wiskundige achtergrond zijn binnen dit gebied werkzaam. Doel van de cognitieve neurowetenschap is te beschrijven hoe de hogere cognitieve functies bij de mens, zoals geheugen, aandacht en bewustzijn, emotie en taal zich binnen de hersenen afspelen. Het sturende principe achter het vakgebied is wel eens geformuleerd als: "the mind is what the brain does" (of: de geest is het product van de hersenen).
Cognitieve wetenschappers proberen ondermeer de vraag te beantwoorden waar in de hersenen zich deze functies afspelen. Van groter belang is echter om een scherper inzicht te krijgen in de specifieke werking van de onderliggende neurale mechanismen. De eerste aanzetten tot deze nieuw discipline zijn aan het eind van de 20e eeuw in de Verenigde Staten gedaan door onder andere Gazzaniga en Kosslyn. Belangrijke pioniers in haar ontwikkeling waren onder andere Pierre Paul Broca, Franz Joseph Gall, Korbinian Brodmann, Karl Lahsley en Donald Hebb. Ook in de Nederlandse academische wereld vertoont de cognitieve neurowetenschap een sterke groei, getuige de grote stroom aan wetenschappelijk artikelen die momenteel op dit terrein verschijnen, en het ontstaan van nieuwe leerstoelen binnen dit vakgebied. Het beschikbaar komen van nieuwe beeldvormende technieken van hersenonderzoek (zoals met name functionele MRI) heeft de ontwikkeling van de cognitieve neurowetenschap sterk gestimuleerd.
Convergentie van technieken. De grote kracht van Cognitieve Neurowetenschap ligt in het combineren van onderzoekstechieken die aan verschillende disciplines zijn ontleend. Deze vormen als het ware haar onderzoeks instrumentarium (of:toolkit). Zij worden hieronder kort beschreven:
Inhoud |
[bewerk] Cognitieve stoornissen na hersenbeschadiging
Uitval of beschadiging van hersengebieden kan inzicht verschaffen in gebieden in de hersenen die betrokken zijn bij bepaalde cognitieve functies (zie verder bij Neuropsychologie).
[bewerk] Event-related potentials (ERPs)
Event-related potential-componenten worden gemeten door stukjes EEG die na een vast tijdsinterval na een stimulus optreden te middelen. Zij weerspiegelen neurale activiteit in bepaalde gebieden van de hersenen, als reactie op een specifieke gebeurtenis of stimulus. Grofweg kan hierbij een onderscheid worden gemaakt tussen vroege en late componenten. Vroege componenten treden op binnen ongeveer 200 ms na de stimulus, en weerspiegelen voornamelijk neurale activiteit van de sensorische (zintuig) gebieden in de hersenen. Deze componenten kunnen aan de neuroloog nuttige informatie verschaffen over mogelijke stoornissen in de afferente visuele en auditieve zenuwbanen. Late componenten (later dan 200 ms) blijken meer gevoelig voor manipulaties van een cognitieve taak. Ook bestaan er ERP componenten die optreden voorafgaande aan en volgend op een motorische gebeurtenis, zoals het indrukken van een knop. Hoewel ERPs meestal op de schedel worden gemeten, is het toch mogelijk gebleken een schatting te maken van de plaats of bron in de hersenen waar deze potentialen onstaan. Hierbij wordt gebruik gemaakt van wiskundige bewerkingen van ERP signalen die op een groot aantal plaatsen van de schedel zijn geregistreerd. Deze aanpak wordt ook wel dipool modellering genoemd.
[bewerk] Event-related fields (ERF)
Een variant van de ERP is de magneto-encefalografie (MEG). MEG wordt gemeten met gevoelige meetspoelen die op de schedel zijn geplaatst, en weerspiegelt veranderingen in magnetische velden die optreden in de buurt van actieve neuronen. Men veronderstelt daarbij dat het MEG vooral een afspiegeling is van activiteit van neuronen en dendrieten die evenwijdig lopen aan het oppervlak van de schedel. Dergelijke neuronen vinden we vooral in de plooien (sulci) van de hersenen, zoals bijvoorbeeld in de visuele, somatosensorische (tast) een auditieve schorsgebieden. Omdat het MEG signaal minder gevoelig is voor verzwakking van neurale activiteit door tussenliggende structuren zoals hersenweefsel, hersenvliezen en schedel is het meer geschikt de specifieke locatie aan te geven van neurale activiteit binnen in de hersenen, dan de op het EEG gabaseerde ERP. Het door een stimulus opgeroepen MEG signaal wordt event-related field (ERF) genoemd.
[bewerk] Neuroimaging technieken
Deze verschaffen meer direct inzicht in het specifieke gebied van de hersenen waar neurale activiteit plaatsvindt. Hieronder vallen eerdergenoemde fMRI, maar ook de PET (Positron Emission Tomography) techniek.
Ook PET is gebaseerd op veranderingen in de cerebrale doorbloeding van hersengebieden bij de uitvoering van cognitieve taken. Het verschil met fMRI is echter dat er eerst een radioactieve vloeistof (isotoop of tracer genoemd) wordt ingespoten.
[bewerk] Transcraniële Magnetische Stimulatie (TMS)
(zie ook Transcranial Magnetic Stimulation). Hierbij wordt via een op de schedel geplaatste spoel een kortdurende magnetische puls door de schedel en onderliggende neuronen gevoerd. Hierdoor wordt het onderliggende hersengebied geactiveerd. Als bijvoorbeeld de spoel boven het motorisch gebied van de hand wordt geplaatst, zal de puls leiden tot een korte samentrekking van de handspieren. Bij stimulatie van het visuele gebied achter op het hoofd kan TMS leiden tot een kortstondige verstoring van de waarneming van een kort (ongeveer 100 ms) daarvoor op een beeldscherm aangeboden patroon. Op andere plaatsen van de schedel, bijvoorbeeld boven de frontale gebieden, is de proefpersoon zich vaak niet bewust van het effect van stimulatie. TMS wordt ook wel een virtuele laesie techniek genoemd, omdat het in zekere zin effecten van echte laesies van de hersenen nabootst.
[bewerk] Cognitieve taken en gedragsmaten
Het gedrag in cognitieve taken (en de hiermee geassocieerde neurale activiteit) is beter te interpreteren als de onderzoeker gebruik maakt van theoretisch goed onderbouwde taken. Dit betreft meestal taken die ontleend zijn aan de cognitieve psychologie, waarmee het mogelijk is specifieke mentale processen, zoals herkenning van stimulusmateriaal, selectieve aandacht, zoeken in het geheugen, motorische voorbereiding en motorische uitvoering, te isoleren. De in deze taken gehanteerde gedragsmaten geven nuttige informatie over deze processen, en bieden een goede controle op de kwaliteit van taakuitvoering van de proefpersoon. Hierbij kan men denken aan reactieijden, aantal fouten, percentage onthouden stimuli, of zekerheidsschattingen.
[bewerk] Computersimulaties
Computer simulatie (computational modeling) kan nuttige informatie opleveren over de wijze waarop processen als probleem oplossen, conditioneren, herkennen van objecten en het monitoren van conflict in netwerken van het brein zijn geïmplementeerd. De kracht van deze aanpak is de mogelijkheid om in een geformaliseerd model complexe interacties tussen factoren die van belang zijn voor het functioneren van bepaalde hersengebieden na te bootsen. Ook kunnen hiermee specifieke predicties worden gedaan die later met empirische techieken (zals ERPs of fMRI) kunnen worden getoetst.
[bewerk] Referenties
- Gazzaniga, M. S., The Cognitive Neurosciences III, (2004), The MIT Press, ISBN 0-262-07254-8
- Gazzaniga, M. S., Ed. (1999). Conversations in the Cognitive Neurosciences, The MIT Press, ISBN 0-262-57117-X.
- Banich, M.T. Cognitive Neuroscience and Neuropsychology, (2004). Houghton Mifflin Company, ISBN 0-618-12210-0
- Kok, A., Het hiërarchisch brein. Inleiding tot de cognitieve neurowetenschap, (2003) Van Gorcum Assen, ISBN 90-232-3977-6
