Een introductie in de gedragsneurowetenschap

Behaviorale neurowetenschap is de studie van hoe het zenuwstelsel het gedrag bij mensen en dieren stuurt. Onderzoekers in dit vakgebied maken gebruik van diverse methoden, van technieken voor diertraining tot neuro-imagingexperimenten, om te bestuderen hoe de functionele gebieden en netwerken van de hersenen correleren met specifieke gedragingen en aanverwante ziektebeelden.

Deze video geeft een kort overzicht van de geschiedenis van de behaviorale neurowetenschap, bespreekt de kernvragen die onderzoekers in dit veld stellen, evalueert enkele van de prominente methoden die worden gebruikt om deze vragen te beantwoorden, en biedt een inkijkje in de soorten experimenten die tegenwoordig in laboratoria voor behaviorale neurowetenschap worden uitgevoerd.

Laten we beginnen met een overzicht van enkele van de belangrijkste mijlpalen in de geschiedenis van de gedragsneurowetenschap. In het oude Griekenland behoorden Hippocrates en zijn volgelingen tot de eersten die geloofden dat de hersenen het menselijk denken aanstuurden.

Vervolgens ontwikkelde René Descartes in 1662 een van de eerste modellen om te beschrijven hoe de hersenen het gedrag beheersen; hij speculeerde dat de ziel het lichaam aanstuurde via de pijnappelklier.

De volgende eeuwen leverden veel bewijs dat Descartes ongelijk had. In 1848 was bijvoorbeeld spoorwegopzichter Phineas Gage betrokken bij een ongeluk waarbij een ijzeren staaf door zijn schedel werd gedreven. Hij overleefde dit, maar vertoonde ernstige persoonlijkheidsveranderingen, wat aantoonde dat schade aan de frontaalkwab een diepgaande invloed heeft op het gedrag.

Aan het eind van de 19e eeuw bestudeerden Paul Broca en Carl Wernicke vervolgens patiënten die hun vermogen om te lezen en/of te spreken waren verloren, en ontdekten zij gebieden in de hersenen die verantwoordelijk zijn voor taal, nu bekend als het gebied van Broca en het gebied van Wernicke.

Later, in 1890, verklaarde William James dat psychologie via de biologie bestudeerd moest worden, waarna vele belangrijke ontdekkingen op het gebied van gedragsmodificatie volgden. In de jaren 30 ontwikkelde BF Skinner, in navolging van het advies van James, een apparaat genaamd de Skinner-box, die nog steeds wordt gebruikt om te bestuderen hoe straf en beloning gedrag bij dieren kunnen versterken.

Tegen het einde van de 20e eeuw werden vervolgens geavanceerde neuro-imagingtechnieken beschikbaar, zoals magnetic resonance imaging, of MRI. In 1990 ontwikkelde Seiji Ogawa de methode die nu wordt gebruikt voor functionele MRI, wat het vakgebied van de neurowetenschappen revolutioneerde door onderzoekers in staat te stellen hersenactiviteit in de loop van de tijd te visualiseren tijdens eenvoudige cognitieve taken.

Nu we enkele van de belangrijkste gebeurtenissen in de geschiedenis van de gedragsneurowetenschap hebben besproken, zullen we enkele van de fundamentele vragen herzien die vandaag de dag worden gesteld door onderzoekers op het gebied van de neurobiologie van gedrag. Deze vragen hebben allemaal betrekking op de studie van neurale correlaten, oftewel specifieke hersengebieden waarvan de activatie verantwoordelijk is voor een bepaalde functie.

Een wetenschapper die geïnteresseerd is in de aansturing van beweging door het zenuwstelsel zou bijvoorbeeld de mechanismen kunnen onderzoeken die balans en coördinatie regelen. Hoewel is vastgesteld dat deze functies gekoppeld zijn aan de primaire motorische cortex, de premotorische cortex, het cerebellum en de substantia nigra, onderzoeken wetenschappers nog steeds hoe de schakelingen binnen en tussen elk gebied locomotie mogelijk maken.

Alternatief kunnen onderzoekers bestuderen hoe het zenuwstelsel stimuli evalueert en het gedrag op basis van deze stimuli stuurt. Hierbij kunnen onderzoekers zich afvragen hoe verschillende soorten beloningen het gedrag van dieren kunnen beïnvloeden. Inzicht in wanneer en waarom bepaalde beloningen motiverend werken, zou ons kunnen helpen bij het aanpakken van problemen zoals verslaving. Neurale correlaten voor motivatie en beloning zijn het limbisch systeem en het ventrale tegmentale gebied.

Andere gedragsneurowetenschappers bestuderen hoe het zenuwstelsel leren en de vorming van geheugen mogelijk maakt. Men kan bijvoorbeeld onderzoeken hoe de hersenen herinneringen creëren en behouden die gerelateerd zijn aan beangstigende stimuli, wat belangrijk is voor de behandeling van posttraumatische stressstoornissen. Deze functies zijn over het algemeen gekoppeld aan de hippocampus en de amygdala.

Aanvullende kernvragen richten zich op hogere cognitieve processen, zoals gezichtsherkenning. Hierbij kan een onderzoeker bestuderen hoe een subject reageert op bekende versus nieuwe gezichten. Bij mensen is een specifiek neuraal correlaat voor gezichtsherkenning het fusiforme gezichtsgebied in de gyrus fusiformis.

Nu we enkele van de belangrijkste vragen die gedragseurobiologen stellen hebben behandeld, gaan we dieper in op enkele van de meest prominente methoden die worden gebruikt om deze te beantwoorden. Veel benaderingen in dit vakgebied maken gebruik van gedragsexperimenten bij dieren, die worden uitgevoerd na manipulatie van bepaalde hersengebieden, om zo de link tussen neurobiologie en gedrag te bestuderen.

Processen zoals voortbeweging kunnen bij dieren worden bestudeerd met gespecialiseerde apparatuur, zoals de rotarod — een roterende stang waarbij het dier zich constant moet bewegen om te voorkomen dat het eraf valt — of kamers waarin het dier naar voedsel moet reiken om de behendigheid te testen.

Methoden voor gedragsmodificatie omvatten operante conditionering en kunnen gebruikmaken van de Skinner-box voor zelfadministratierexperimenten met belonende of aversieve stimuli, zoals voedsel of geneesmiddelen.

Methoden om leren en geheugen te onderzoeken maken vaak gebruik van doolhoven, zoals T-doolhoven of het Morris water maze, waarin dieren het pad naar de uitgang van het apparaat moeten vinden en vervolgens moeten onthouden.

Naarmate de complexiteit van het onderzochte gedrag toeneemt, neemt ook de behoefte aan menselijke proefpersonen toe. Zo kan het bestuderen van hogere cognitieve processen, zoals taal, methoden omvatten die neurale activiteit via de hoofdhuid meten, zoals elektro-encefalografie, wat kan worden toegepast terwijl een proefpersoon een specifieke cognitieve taak uitvoert.

Functionele beeldvormingsmethoden worden ook gebruikt om menselijke cognitie te bestuderen, zoals functionele MRI of fMRI. Deze methode meet een signaal dat gecorreleerd is aan de bloedstroom, wat op zijn beurt kan worden gekoppeld aan taakgerelateerde neuronale activatie, wat resulteert in een statistische kaart van actieve hersengebieden.

Nu we enkele van de meest prominente methoden in de gedragsneurowetenschap hebben besproken, kijken we naar enkele toepassingen van deze technieken.

In dit experiment leert een muis dat het herhaaldelijk indrukken van een hendel in een Skinner-box zal leiden tot een voedselbeloning. Vervolgens wordt het dier behandeld met neuroactieve stoffen, zoals het hormoon leptine, om te beoordelen hoe de resulterende veranderingen in hersenactiviteit de motivatie om voedsel te verkrijgen beïnvloeden.

Bij mensen wordt functionele MRI vaak gebruikt om hogere cognitieve processen te bestuderen, zoals besluitvorming. In deze studie werd van deelnemers gevraagd om tijdens een fMRI-scan te beoordelen of een patroon van stippen zich snel of langzaam beweegt.

Elektro-encefalografie, of EEG, is een niet-invasieve techniek die kan worden gebruikt om ziektebeelden te bestuderen, zoals dementie en de ziekte van Alzheimer. Voor deze experimenten dragen deelnemers niet-invasieve elektroden op de hoofdhuid die de elektrische activiteit van de hersenen meten terwijl een taak wordt uitgevoerd. Analyse kan abnormale patronen onthullen die gecorreleerd zijn met neurologische of psychiatrische aandoeningen.

U heeft zojuist JoVE's introductie tot de gedragsneurowetenschap bekeken. We hebben een kort overzicht gegeven van de geschiedenis van dit vakgebied, enkele van de belangrijkste kernvragen behandeld, diverse prominente methoden besproken die worden gebruikt om deze vragen te beantwoorden en enkele specifieke toepassingen van deze methoden onderzocht.

Bedankt voor het kijken!