LES 3: Hersenen en Leren - H4 en H5

• Natuur, Leven en Technologie
• Middelbare school
• havo, vwo
• Leerjaar 5,6

NLT Periode 2

Hersenen en Leren

Wat kan hersenkennis ons wel en niet zeggen

over hoe we (beter) kunnen leren?

Hoofdstuk 4 (deel 2) & Hoofdstuk 5

Long Term Potentiation

Bijvende aanpassing in zenuwcellen na stimulatie. Kan een verklaring zijn voor het lerend vermogen van de hersenen. Aangetoond in de hippocampus.

Hippocampus

Patch clamping

Meten van potentiaalverschil in levende zenuwcellen.

Wanneer het CA3 neuron wordt gestimuleerd volgens profiel 1 dan volgen lage EPSP's in de CA1 cel

Wanneer het CA3 neuron wordt gestimuleerd volgens profiel 2 met een tetanus (hoogfrequente stimulatie) dan worden de EPSP's daarna hoger in de CA1 cel

In een grafiek uitgezet in EPSP sterkte.

Dit betekent dat er iets in de CA1 zenuwcel verandert als gevolg van de sterke stimulatie!

LTP

2 specifieke aanpassingen in de hippocampus cellen die LTP mogelijk maken:

* Back propagation

* NMDA en AMPA receptoren

Back propagation (bpAP)

Voldoende stimulatie van de 

CA1 cel leidt niet alleen tot een

actiepotentiaal over het axon

maar ook terug over de dendriet.

Uniek voor bepaalde zenuw-

cellen.

Dit heet backpropagation.

AMPA en NMDA receptoren

Op de postsynaptische membranen van de dendrieten bevinden zich twee typen receptoren: AMPA en NMDA.

Lage stimulatie:

glutamaat bindt alleen de AMPA

receptor (neurotransmitter).

Na+ poorten openen en een actie-

potentiaal start in het CA1 neuron. 

AMPA en NMDA receptoren

Tetanus (hoogfrequente) stimulatie: 

Mg2+ ion wordt verdreven uit de

NMDA receptor door de actiepo-

tentiaal die terugkeert. Hierdoor

wordt de NMDA receptor

gedeblokkeerd. Er is ook nog 

steeds glutamaat aanwezig in de 

synapsspleet en bindt aan de NMDA receptor. Ca2+ ionen stromen naar binnen.

NMDA receptoren en Ca2+

Hierdoor volgt een signaalcascade:

-> AMPA receptoren worden gevoeliger

voor glutamaat

-> er komen meer AMPA receptoren

-> AMPA receptoren worden naar betere

plekken verplaatst

-> dendriet gaat meer vertakkingen

maken

NMDA receptoren en Ca2+

Hierdoor wordt de CA1 cel gevoeliger 

voor dezelfde impuls!

Een cel kan leren!

We hebben nu aangetoond dat een cel kan leren.

De betrokkenheid van de NMDA receptoren is extra aangetoond door experimenten waarbij deze receptor is uitgeschakeld op verschillende manieren: leren verloopt dan minder goed.

Volgende stap: hoe kunnen twee signalen aan elkaar worden gekoppeld? Associatief leren.

LTP in het beloningscentrum

Beloningscentrum (in de 

nucleus accumbens) wordt 

gestimuleerd als er 

dopamine vrijkomt in de

VTA neuronen.

LTP in het beloningscentrum

Stap 1: een muis ziet een kers.

De EPSP komt niet over 

de dempelwaarde. Er volgt 

geen actiepotentiaal in de VTA 

cel en er komt 

geen dopamine vrij.

Het beloningscentrum wordt

niet gestimuleerd.

LTP in het beloningscentrum

Stap 2: een muis proeft een

kers.

De EPSP komt over de drempel-

waarde en er komt een actie-

potentiaal in de VTA cel: het

beloningscentrum wordt gesti-

muleerd (aangeboren).

LTP in het beloningscentrum

Stap 3: Door back propagation 

(pbAP) wordt óók de synaps 

waar de visuele prikkel binnen-

kwam versterkt. Hier zit immers

ook neurotransmitter.

LTP in het beloningscentrum

Stap 4: het zien van de muis

levert nu ook een actie-

potentiaal op in de VTA cel en 

het beloningscentrum wordt

getriggerd.

Er is een declaratieve

herinnering ontstaan.

Angstcentrum en K.I.

In het angstcentrum werken vegelijkbare processen. Zo worden bepaalde prikkels gekoppeld aan angstgevoelens.

Bij Kunstmatige Intelligentie wordt ook gebruik gemaakt van dit principe om lerende kunstmatige netwerken te maken.

Hoofdstuk 5: Leerdoelen

We gaan nu vanuit neuropsychologisch perspectief o.a. kijken naar:

• Hoe maak je effectief gebruik van associaties
  
• Wat is de rol van de hippocampus
  
• Waar wordt kennis opgeslagen
  
• Wat is de rol van sport, van slaap, emotie, beweging

Associatief leren

• Je leert stukje bij beetje, stapsgewijs
  
• Informatie wordt niet als aparte stukjes opgeslagen maar gelinkt aan eerdere herinneringen
• Zo vorm je een steeds completer, gelinkt beeld van de werkelijkheid
  
• Iets dat aansluit bij wat je al weet is dus makkelijker te leren
  
• Zo leer je dit hoofdstuk beter, omdat het aansluit bij de vorige
  
• Dit principe is dus belangrijk voor onderwijs
  

Noem een onderwerp (noem ook het vak) dat je vond lastig de eerste keer?
Welke associatie maakt het nu duidelijker?

Voorkennis en leren

Link nieuwe info & voorkennis:

Mediale Prefrontale Cortex (lichtrood) 

Echt nieuwe kennis: 

Parahippocampus (lichtblauw) 

Tweedejaars studenten die MPF meer gebruikten tijdens

leren haalden hogere studieresultaten

Opslag van herinneringen?

• Patient H.M.: beschadigde hippocampus, kon geen nieuwe herinneringen opslaan
• Hippocampus dus belangrijk bij het proces van opslaan van herinneringen, maar slaat ze zelf niet op....
• Waar worden ze dan wel opgeslagen???

Opslag van herinneringen?

• Lashley: ratten in maze-running-test
• Steeds meer cortex wegsnijden, taak werd gaandeweg steeds slechter uitgevoerd.
• Dus: hele cortex doet mee in het opslagproces van het route-vinden

Opslag van herinneringen?

• Penfield: stimulering van enkele cellen in de temporaalkwab leverden zeer specifieke herinneringen
• Dus: zeer specifieke locaties waar herinneringen worden opgeslagen

Lashley en Penfield

• Geheugen verspreid over gehele cortex, maar elk deel heeft zijn specifieke functie in een heel netwerk.
• De prefrontale cortex coordineert hoe de specifieke onderdelen door het werkgeheugen kunnen worden gebruikt
  
• De hippocampus is betrokken bij eerste opslag, en blijft daarna belangrijk voor het associeren en het terughalen van herinneringen
  

Lashley en Penfield

• De hippocampus houdt bij waar in de cortex het geheugen-spoor zich bevindt.  (index)
• Bij het oproepen reactiveert de hippocampus de relevante sensorische en associatiegebieden van de neocortex. 
• Bij iedere herhaling sterkere link: consolidatie (LTP).

Lashley en Penfield

De prefrontale cortex wordt geactiveerd bij het oproepen van oudere herinneringen en speelt waarschijnlijk een rol in het vormen van langetermijn-herinneringen. Uiteindelijk zijn de links zo sterk dat de hippocampus niet meer nodig is.   

In welk tabel van Binas vind je de oplosbaarheid van zouten?

1. 35A
2. 45A
3. 55A
4. Goede antwoord voor Bruno

Rol van Slaap

Consolidatie vindt ook plaats in je slaap.

Diepe slaap: zelfde cellen actief als bij het wakend leren! Deze replay verstoord: slechter leren

R.E.M.-slaap: nieuwe herinneringen en oude worden opgeknipt en herordend

Rol van Emoties

Een meegemaakt verkeersongeluk of je eerste zoen onthoud je beter dan woordjes Duits, maar ook woordjes met lading (pistool, bloed / feestje, taart) onthoud je beter dan neutrale.

Er komen hormonen vrij als cortisol en (nor-) adrenaline: Deze stoffen zorgen er via allerlei complexe interacties in het brein voor, dat de geheugenprocessen beter verlopen.

De amygdala is in dit proces essentieel.

Rol van Bewegen

• Anima Sana In Corpore Sano (gezonde geest in een gezond lichaam)
• Rennen bevordert aanmaak nieuwe cellen in hippocampus.
• Fitness programma’s die kracht combineren met cardio, minstens een half uur, hebben het meeste effect.
  
• Algemeen gaat sport het breinverval tegen, bevordert het leren en heeft een positief effect op de stemming.
  

Nog veel onduidelijk/ onbeslist

Veel is nog onduidelijkheid over hoe het geheugen werkt. 

Wat al wel duidelijk is, is dat voor het geheugen, er veel factoren en gebieden belangrijk zijn. Er is dus niet één gebied dat alle herinneringen opslaat, maar veel verschillende gebieden die samenwerken.