Hoofdstuk uit Johnson & de Haan
Hoofdstuk 4 – Ontwikkeling & structuur van het brein
4.1 Hoe ziet de structuur van de hersenen eruit?
Het brein van alle zoogdieren volgt een basaal plan, dat zelfs geldt voor soorten als
kikkers en vogels. Het grote verschil tussen deze soorten en hogere primaten, is de grote
uitbreiding van de cerebrale cortex en daarbij horende structuren, zoals de basale
ganglia. De hersenen volgen bij mensen dezelfde ontwikkeling als bij andere primaten,
maar dan in een trager tempo. De neocortex van alle zoogdieren is een dun (3-4 mm)
om de twee hersenhelften heen. De uitbreiding in de grootte van de cortex tijdens de
evolutie, heeft geleid tot een toename in groeven (sulci) en windingen (gyri). De extra
cortex die primaten, en vooral mensen, hebben, is gerelateerd aan de hogere cognitieve
functies waarover zij beschikken.
De meeste sensorische informatie gaat via de thalamus naar de cortex. Daarom denken
sommigen dat de thalamus ook een belangrijke rol speelt bij de corticale ontwikkeling.
De informatieoverdracht tussen thalamus en cortex is echter niet unidirectioneel.
Sommige output van de cortex gaat naar gebieden die betrokken zijn bij motorische
controle, zoals de basale ganglia. De informatieoverdracht naar en van de cortex is dus
grotendeels bidirectioneel. Daarom is het van belang om de termen ‘input’ en ‘output’
niet te verwarren met ‘sensorisch’ en ‘motorisch’.
Het brein heeft twee soorten cellen: neuronen en gliacellen. Gliacellen zijn van belang
voor de ontwikkeling van de cortex, maar spelen geen directe rol in calculaties. Neuronen
zijn de calculatie-units van de hersenen. Er lijken minstens 25 verschillende soorten te
bestaan, waarbij iedere soort vaak een eigen functie heeft. Ongeveer 80% van de
neuronen zijn piramidecellen: neuronen met een piramidevorm door een relatief grote
apicale dendriet. Hoewel piramidecellen zich in veel lagen van de cortex bevinden, reiken
de apicale dendrieten vaak tot het meest oppervlakkige niveau (laag 1). Door deze lange
apicale dendriet kan de cel worden beïnvloed door grote aantallen cellen uit andere lagen
en gebieden. Dit kan van belang zijn als de piramidecel een stabiele en inflexibele
celsoort is, bij wie de output gemoduleerd wordt door meer plastische en flexibele
inhiberende regulerende neuronen. De cortex bestaat uit verschillende lagen en heeft
daarmee een gelaagde structuur. Elke laag bevat bepaalde celsoorten en elke laag heeft
bepaalde patronen van input en output. De meeste gebieden van de neocortex bestaan
uit zes lagen. Laag 1 heeft weinig cellichamen en bestaat vooral uit lange banen van
witte stof, die horizontaal lopen en verschillende gebieden van de cortex met elkaar
verbinden. Ook laag 2 en 3 bevatten horizontale connecties, waarbij kleine
piramidecellen de verbinding leggen met nabijgelegen gebieden van de cortex. Laag 4 is
de laag waar de meeste input eindigt. Deze laag bevat veel stervormige spiny stellate
cellen (input uit thalamus). Vanaf laag 5 en 6 gaat veel output naar subcorticale
hersengebieden. Deze lagen bevatten vooral piramidecellen. Zenden ook informatie naar
hetzelfde hersengebied. Ook sturen ze het lichaam aan.
Hoewel deze gelaagde structuur over het algemeen voor de gehele neocortex geldt, zijn
er bepaalde regionale verschillen. Deze verschillen zorgen voor verschillen in
specialisatie. Zo is de inputlaag (laag 4) relatief dik en goed ontwikkeld in de sensorische
cortex. In het visuele systeem bestaat deze laag uit minstens vier sublagen. Laag 5
(outputlaag) is daarentegen vooral goed ontwikkeld in de motorische cortex,
waarschijnlijk omdat deze laag een belangrijke rol speelt bij het sturen van output.
Daarnaast zijn er enkele andere regionale verschillen die bij kunnen dragen aan
verschillen in specialisatie:
, Verschillende delen van de cortex hebben verschillende projectiepatronen naar
andere delen van de cortex. Geen enkel patroon is kenmerkend voor alle corticale
gebieden.
Aanwezigheid van bepaalde neurotransmitters en de relatieve bijdrage van
stimulerende en inhiberende neurotransmitters.
Verschillen in de timing van ontwikkelingsgebeurtenissen.
4.2 Hoe verloopt de prenatale hersenontwikkeling?
Na de bevruchting begint de celdeling, wat resulteert in een klompje cellen (blastocyste).
Binnen een paar dagen ontwikkelt de blastocyste zich tot een structuur, bestaande uit
drie lagen (de embryonale disk). Elk van deze lagen ontwikkelt zich tot een orgaan:
Endoderm (binnenste laag): interne organen, zoals het spijsverteringskanaal en het
ademhalingsstelsel;
Mesoderm (middelste laag): het skelet en de spieren; en
Ectoderm (buitenste laag): de huid en het zenuwstelsel (inclusief de perceptuele
organen).
De ontwikkeling van het zenuwstelsel begint met neurulatie: het vouwen van een deel
van het ectoderm tot een neurale buis. Drie dimensies van de neurale buis ontwikkelen
zich als volgt:
Lengte: zorgt voor het centrale zenuwstelsel, met de voor- en middenhersenen aan
de ene kant en de ruggengraat aan de andere kant. De ontwikkeling van de voor- en
middenhersenen begint met de vorming van blaasjes. Ongeveer vijf weken na de
bevruchting kunnen deze blaasjes worden herkend als prototypes voor de
belangrijkste delen van het brein: het eerste blaasje ontwikkelt zich tot de cortex
(telencephalon), het tweede tot de thalamus en hypothalamus (diencephalon) en het
derde tot het middenbrein (mesencephalon). Andere blaasjes ontwikkelen zich tot
het cerebellum (metencephalon) en de medulla (myelencephalon).
Omtrek: zorgt voor het onderscheid tussen sensorische en motorische systemen. De
bovenkant van de neurale buis (dorsaal) ontwikkelt zich tot de sensorische cortex,
terwijl de onderkant (ventraal) zich tot de motorische cortex ontwikkelt. De
associatiecortexen en de ‘hogere’ sensorische en motorische cortexen bevinden zich
hier tussenin. De omtrek van de neurale buis speelt bovendien een grote rol bij de
ontwikkeling van zenuwen in de rest van het lichaam.
Straal: zorgt voor de gelaagdheid van het brein en de verschillende celsoorten.
Binnen de blaasjes worden cellen gevormd (proliferatie), verplaatst (migratie) en
gespecialiseerd (differentiatie). De meeste cellen worden in de proliferatieve zones
gevormd, die zich dicht bij het holle deel van de neurale buis bevinden. Er bestaan
twee soorten proliferatieve zones: de ventriculaire zone (draagt vooral bij aan de
evolutionair oudere hersenstructuren) en de subventriculaire zone (draagt vooral bij
aan de relatief nieuwere hersenstructuren, zoals de neocortex). De twee zones
produceren verschillende gliacellen en neuronen en leiden tot verschillende vormen
van migratie.
Neuronen en gliacellen ontstaan door de deling van cellen in de proliferatieve zones.
Neuroblasten produceren neuronen en glioblasten produceren gliacellen. Een recente
hypothese stelt dat de natuur geprofiteerd heeft van bepaalde vormen van mutaties
tijdens de evolutie, zodat meerdere types neuronen geproduceerd zouden worden. Als
jonge neuronen gevormd zijn, moeten ze van de proliferatieve zone migreren. Er zijn
twee soorten migratie:
Passieve celverplaatsing: gevormde cellen worden door nieuwgevormde cellen
verder van de proliferatieve zone geduwd. Dit leidt tot een ‘outside-in’ patroon,
Hoofdstuk 4 – Ontwikkeling & structuur van het brein
4.1 Hoe ziet de structuur van de hersenen eruit?
Het brein van alle zoogdieren volgt een basaal plan, dat zelfs geldt voor soorten als
kikkers en vogels. Het grote verschil tussen deze soorten en hogere primaten, is de grote
uitbreiding van de cerebrale cortex en daarbij horende structuren, zoals de basale
ganglia. De hersenen volgen bij mensen dezelfde ontwikkeling als bij andere primaten,
maar dan in een trager tempo. De neocortex van alle zoogdieren is een dun (3-4 mm)
om de twee hersenhelften heen. De uitbreiding in de grootte van de cortex tijdens de
evolutie, heeft geleid tot een toename in groeven (sulci) en windingen (gyri). De extra
cortex die primaten, en vooral mensen, hebben, is gerelateerd aan de hogere cognitieve
functies waarover zij beschikken.
De meeste sensorische informatie gaat via de thalamus naar de cortex. Daarom denken
sommigen dat de thalamus ook een belangrijke rol speelt bij de corticale ontwikkeling.
De informatieoverdracht tussen thalamus en cortex is echter niet unidirectioneel.
Sommige output van de cortex gaat naar gebieden die betrokken zijn bij motorische
controle, zoals de basale ganglia. De informatieoverdracht naar en van de cortex is dus
grotendeels bidirectioneel. Daarom is het van belang om de termen ‘input’ en ‘output’
niet te verwarren met ‘sensorisch’ en ‘motorisch’.
Het brein heeft twee soorten cellen: neuronen en gliacellen. Gliacellen zijn van belang
voor de ontwikkeling van de cortex, maar spelen geen directe rol in calculaties. Neuronen
zijn de calculatie-units van de hersenen. Er lijken minstens 25 verschillende soorten te
bestaan, waarbij iedere soort vaak een eigen functie heeft. Ongeveer 80% van de
neuronen zijn piramidecellen: neuronen met een piramidevorm door een relatief grote
apicale dendriet. Hoewel piramidecellen zich in veel lagen van de cortex bevinden, reiken
de apicale dendrieten vaak tot het meest oppervlakkige niveau (laag 1). Door deze lange
apicale dendriet kan de cel worden beïnvloed door grote aantallen cellen uit andere lagen
en gebieden. Dit kan van belang zijn als de piramidecel een stabiele en inflexibele
celsoort is, bij wie de output gemoduleerd wordt door meer plastische en flexibele
inhiberende regulerende neuronen. De cortex bestaat uit verschillende lagen en heeft
daarmee een gelaagde structuur. Elke laag bevat bepaalde celsoorten en elke laag heeft
bepaalde patronen van input en output. De meeste gebieden van de neocortex bestaan
uit zes lagen. Laag 1 heeft weinig cellichamen en bestaat vooral uit lange banen van
witte stof, die horizontaal lopen en verschillende gebieden van de cortex met elkaar
verbinden. Ook laag 2 en 3 bevatten horizontale connecties, waarbij kleine
piramidecellen de verbinding leggen met nabijgelegen gebieden van de cortex. Laag 4 is
de laag waar de meeste input eindigt. Deze laag bevat veel stervormige spiny stellate
cellen (input uit thalamus). Vanaf laag 5 en 6 gaat veel output naar subcorticale
hersengebieden. Deze lagen bevatten vooral piramidecellen. Zenden ook informatie naar
hetzelfde hersengebied. Ook sturen ze het lichaam aan.
Hoewel deze gelaagde structuur over het algemeen voor de gehele neocortex geldt, zijn
er bepaalde regionale verschillen. Deze verschillen zorgen voor verschillen in
specialisatie. Zo is de inputlaag (laag 4) relatief dik en goed ontwikkeld in de sensorische
cortex. In het visuele systeem bestaat deze laag uit minstens vier sublagen. Laag 5
(outputlaag) is daarentegen vooral goed ontwikkeld in de motorische cortex,
waarschijnlijk omdat deze laag een belangrijke rol speelt bij het sturen van output.
Daarnaast zijn er enkele andere regionale verschillen die bij kunnen dragen aan
verschillen in specialisatie:
, Verschillende delen van de cortex hebben verschillende projectiepatronen naar
andere delen van de cortex. Geen enkel patroon is kenmerkend voor alle corticale
gebieden.
Aanwezigheid van bepaalde neurotransmitters en de relatieve bijdrage van
stimulerende en inhiberende neurotransmitters.
Verschillen in de timing van ontwikkelingsgebeurtenissen.
4.2 Hoe verloopt de prenatale hersenontwikkeling?
Na de bevruchting begint de celdeling, wat resulteert in een klompje cellen (blastocyste).
Binnen een paar dagen ontwikkelt de blastocyste zich tot een structuur, bestaande uit
drie lagen (de embryonale disk). Elk van deze lagen ontwikkelt zich tot een orgaan:
Endoderm (binnenste laag): interne organen, zoals het spijsverteringskanaal en het
ademhalingsstelsel;
Mesoderm (middelste laag): het skelet en de spieren; en
Ectoderm (buitenste laag): de huid en het zenuwstelsel (inclusief de perceptuele
organen).
De ontwikkeling van het zenuwstelsel begint met neurulatie: het vouwen van een deel
van het ectoderm tot een neurale buis. Drie dimensies van de neurale buis ontwikkelen
zich als volgt:
Lengte: zorgt voor het centrale zenuwstelsel, met de voor- en middenhersenen aan
de ene kant en de ruggengraat aan de andere kant. De ontwikkeling van de voor- en
middenhersenen begint met de vorming van blaasjes. Ongeveer vijf weken na de
bevruchting kunnen deze blaasjes worden herkend als prototypes voor de
belangrijkste delen van het brein: het eerste blaasje ontwikkelt zich tot de cortex
(telencephalon), het tweede tot de thalamus en hypothalamus (diencephalon) en het
derde tot het middenbrein (mesencephalon). Andere blaasjes ontwikkelen zich tot
het cerebellum (metencephalon) en de medulla (myelencephalon).
Omtrek: zorgt voor het onderscheid tussen sensorische en motorische systemen. De
bovenkant van de neurale buis (dorsaal) ontwikkelt zich tot de sensorische cortex,
terwijl de onderkant (ventraal) zich tot de motorische cortex ontwikkelt. De
associatiecortexen en de ‘hogere’ sensorische en motorische cortexen bevinden zich
hier tussenin. De omtrek van de neurale buis speelt bovendien een grote rol bij de
ontwikkeling van zenuwen in de rest van het lichaam.
Straal: zorgt voor de gelaagdheid van het brein en de verschillende celsoorten.
Binnen de blaasjes worden cellen gevormd (proliferatie), verplaatst (migratie) en
gespecialiseerd (differentiatie). De meeste cellen worden in de proliferatieve zones
gevormd, die zich dicht bij het holle deel van de neurale buis bevinden. Er bestaan
twee soorten proliferatieve zones: de ventriculaire zone (draagt vooral bij aan de
evolutionair oudere hersenstructuren) en de subventriculaire zone (draagt vooral bij
aan de relatief nieuwere hersenstructuren, zoals de neocortex). De twee zones
produceren verschillende gliacellen en neuronen en leiden tot verschillende vormen
van migratie.
Neuronen en gliacellen ontstaan door de deling van cellen in de proliferatieve zones.
Neuroblasten produceren neuronen en glioblasten produceren gliacellen. Een recente
hypothese stelt dat de natuur geprofiteerd heeft van bepaalde vormen van mutaties
tijdens de evolutie, zodat meerdere types neuronen geproduceerd zouden worden. Als
jonge neuronen gevormd zijn, moeten ze van de proliferatieve zone migreren. Er zijn
twee soorten migratie:
Passieve celverplaatsing: gevormde cellen worden door nieuwgevormde cellen
verder van de proliferatieve zone geduwd. Dit leidt tot een ‘outside-in’ patroon,
