NLT Hersenen en leren - H4 uitleg

• Biologie
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 5

NLT Hersenen en leren - H4

Cellulaire processen

Dit hoofdstuk gaat over wat men weet over hoe zenuwweefsel/ zenuwcellen veranderen als gevolg van leren.

Je hebt de informatie nodig om de opdrachten in het opdrachtenboek goed te maken. Het kan ook helpen om te bergrijpen hoe leren werkt (en kan dus input zijn voor je Learner Report).

Psychologie van het leren

Voor leren is het nodig dat de 

blackbox verandert als gevolg

van bepaalde input.

Anders kan de output niet

veranderen.

Onderwerpen

• Hoe veranderen hersenen op celniveau?
• Hoe meet je aan individuele cellen
  
• Hoe werkt Long Term Potentiation (LTP) op cellulair en moleculair niveau

• Welke rol spelen angst en beloning bij het vormen van herinneringen

Voorkennis

• anatomie van een zenuwcel
• signaaloverdracht tussen zenuwcellen met neurotransmitters (EPSP/ IPSP)

Plasticiteit van de hersenen

Uit in vitro onderzoek is gebleken dat hersenen in staat zijn om te veranderen.

In vitro: in levende cellen.

Op scans kun je ook veel hersenprocessen zien

maar je kunt lastig veranderingen laten zien.

Cellulaire plasticiteit

neurogenese: aanmaak van nieuwe neuronen/ zenuwcellen

apoptose: natuurlijke (geprogrammeerde) celdood

Cellulaire plasticiteit

synaptogenese: aanmaken van nieuwe synapsen -> nieuwe koppelingen tussen cellen (puberteit, frontale cortex)

pruning (snoeien): verbindingen tussen neuronen verdwijnen

Cellulaire plasticiteit

myelinisatie: aanmaak myelineschede rondom uitlopers: impulsoverdracht gaat veel sneller. Synaptogenese is daarna niet meer mogelijk.

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

Trisynaptisch circuit

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.