00:49:57
Hvordan lærer hjernen: Innblikk i moderne
hjerneforskning
Kenneth Hugdahl
Institutt for biologisk og medisinsk psykologi, UiB
Divisjon for psykisk helsevesen, Haukeland Universitetssykehus
Radiologisk avdeling, Haukeland Universitetssykehus
NORMENT
00:49:57
Hjernens funksjon kan studeres ut fra ulike perspektiver og
forklaringsnivåer
•
Kulturell/Sosial nivå
Kulturelle faktorer påvirker også hjernen
•
Klinisk nivå
Når hjernen ikke fungerer normalt,
psykiske og nevrologiske tilstander
•
Kognitiv nivå
Hvordan kognitive funksjoner er lokalisert i
hjernen
•
Systemnivå
Hvordan grupper av nevroner samvirker og
lager nettverk
•
Cellenivå
Hvordan enkelte nevroner kommuniserer
og sender impulser mellom seg
•
Molekulært nivå
Hvordan gener styrer atferd, følelser og
tanker
Den menneskelige hjerne: Anatomi
Parietallappen
Frontallappen
Occipitallappen
Cerebellum
Temporallappen
Lengde/Bredde/Høyde: ~160/140/95 mm
Nevroner har utstikkere (axoner) der
nerveimpulsen fortplanter seg, axonet
slutter i en kontaktflate (synapse) som
leder impulsen over til neste nevron
(dendrit). I synapsen utskilles
signalstoffer (transmittere) som formidler
kontakt mellom nevroner
Vekt: ~1.5 kg
Volum: ~1.4 l
~ 100 mrd. nerveceller (nevroner)
2% av total kroppsmasse, 20% av total energikonsum (metabolisme)
Dopamin
Serotonin
Glutamat
GABA
Noradrenalin
Acetylcholin
Læring og hukommelse: To sider av samme mynt
Læring = Forandring av atferd som en
funksjon av erfaring
Hukommelse = Gjentakelse av lært
atferd
Plastisitet = Hjernens evne til læring og
hukommelse
Hvordan hjernen lærer på cellenivå
Donald Hebb, 1904 - 1985
The Hebb rule:
«Neurons that
fire together, wire
together»
The Hugdahl
rule: «Hjernen
liker terping
og pugging»
«When an axon of cell A
is near enough to excite
cell B and repeatedly or
persistently takes part in
firing it, some growth
process or metabolic
change takes place in one
or both cells such that A's
efficiency, as one of the
cells firing B, is
increased.«
= Long-term potentiation
(LPT) = hjernens måte å
«forandre sin egen atferd
gitt ny erfaring»
LPT endrer utskillelse av
signalstoffer i synapsene,
spesielt glutamat og
GABA
Den menneskelige hjerne: Funksjon
Reguleringsfunksjo
Pannelappen
ner
(Planleggeing,
(Frontalinhibisjon,
lobe)
kontroll,
korttidshukomelse,
språk)
Isselappen
Oppmerksomhet,
(Parietal lobe)
konsentrasjon,
fokus
Tinnininglappen
Hørsel, språk
(Temporal lobe)
Reléstasjon
for høyere
kognitive
funksjoner
Syn, farger,
Bakhodelappen
Emosjoner
oppfatte
(Occipital lobe)
bevegelser
Hippocampus
Langtidshukommelse
Hukommelse er mange forskjellige ting…
Hukommelse(systemer)
Korttidshukommelse
Sensorisk hukommelse
Arbeidshukommelse
Langtidshukommelse
Explisitt (bevisst)
Episodisk
(personlig)
Implisitt (ubevisst)
Semantisk
(generell)
Priming
Hvordan kan vi vite hvor ulike
kognitive funksjoner ( f. eks.
hukommelse) er lokalisert i
hjernen?
Motorisk
Vaner
Emosjoner
functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI)
Å avbilde hjernens funksjon med MR-teknologi
GE Signa 3T MR skanner ved Haukeland
Universitetssykehus, Bergen
Hjernecelle (nevron)
Blodforsyning
MR-avbildning (imaging) av
hjernen kan være strukturell
(anatomisk) eller funksjonell
(fysiologisk)
Strukturell MR
(sMRI); ”what the
brain looks like”
4
463
Funksjonell MR
(fMRI); ”what the
brain does”
Det fysiologiske grunnlag for Blood-Oxygenation-Level-Dependent
(BOLD) kontrast
Nevrovaskulær kobling
Nevronal aktivitet
Stimulus
Hemodynamisk respons
Synkronisert elektrokjemisk
aktivitet hos populasjoner av
nevroner i anatomisk
avgrensede områder/nettverk
Kognitiv,
Sensorisk,
Motorisk,
Emosjonell
Øket metabolisme
Økning i blodvolym
( < øket blodgjennomstrømmning)
Økning i
blodgjennomstrømmning
Fick prinsippet:
(Økning i blodstrøm) > (Økning i
metabolisme)
OFF
ON
ON
.
OFF
BOLD time-course in a single voxel
De første fMRI-opptak i Norge.....Haukeland
Universitetssykehus, Bergen, 1993
Siemens 1.0 Tesla Magnetom Expert scanner
1995
First psychiatric
patient i Norway
1996
Visual imagery in an
amputee
(NeuroReport)
2005
Combining
ERP/fMRI (PNAS)
2006
Pharmacological fMRI
(Cereb Cortex)
2012
fMRI/Glutamate
(PNAS)
J W Belliveau et al., Science, 1991
First fMRI study in Norway 1994 .
Lundervold,. Hugdahl,. Ersland,. et
al. Int. J. Neuroscience 1995
2014
First fMRI
neuroeconomic study
in Norway (PNAS)
....og hvor vi er i dag
”grønn”
RØD GUL HVIT
GRØNN
BLÅ
BLÅ GRØNN
Anterior
cingulate/Supplementary
motor area)
HVIT RØD GUL
”blå”
Reguleringsfunksjoner (inhibitorisk kontroll)
"Blobology"- jakten på
minste aktiverte område "each cognitive process has
its own "blob" in the brain"
...men da læring innefatter global
endring i atferd og kognitive
funksjoner, så er det lite
sannsynlig at de nevronale
korrelater til læring er lokalisert
til noen få områder i hjernen
Healthy Controls
Schizophrenia patients
Hugdahl, Rund, Lund. et al. American Journal of Psychiatry, 2004
(P=0.01 uncorrected)
< old
Dyslexic 14 year
<<
<
15
Dyslexic 14 year old
15
contrast(s)
SPM mip
[0, 0, 0]
SPM mip
[0, 0, 0]
(P=0.01 uncorrected)
Hvordan vi i Bergen oppdaget
et generelt nettverk i hjernen
<
Mental arithmetics /N.I.Landrø et al. 2001
SPM{T78}
<
10
10
20
20
30
SPM{T
}
78
30
40
40
50
50
60
60
Age matched controls AgeSPMresults:
70
SPMresults: .\ANOVA_2_3_LRcon_Control_moresubjects
matched controls
.\ANOVA_2_3_LRcon_Control_moresubjects
Spatial
working
memory/
Height threshold
T = 3.198035
{p<0.001
(unc.)} C.
{p<0.001
(unc.)}
80
Extent threshold k = 30 voxels Extent threshold k = 30 voxels
Double Digit 2-back / Pfizer
study
2002
Height
threshold
T = 3.198035
Lycke 2004
2
Auditory Oddball /T. Eichele 2005
Abstract symbols /H. Beneventi 2005
70
80
4
Design matrix
Go/No-Go / H. Gundersen 2005
extent threshold k= 10
FDR=.05, extent threshold k= FDR=.05,
10
Stroop/Incongruent words /O. Viken 2006
Cogn Control/L. Falkenberg/R. Westerhausen, 2011
WCST/ Lie /K. Specht, 2006
Left/Right confusion, H. Hjelmervik et al., 2013
Mental rotation/ K. Specht/H. Hjelmervik 2010
Logical reasoning/ V. Goel, TICS, 2007
6
2
D
Opp- respektive nedregulering av large-scale cortical networks hvordan nevronale nettverk skrues på og av
Time
I 2001 oppdaget Marcus Raichle,
USA et generelt nettverk som skrues
på under hvile, "Default Mode
Network" (blå områder)
Vi har nå foreslått et tilsvarende
generelt nettverk (Hugdahl, Raichle,
Specht, in prep) som skrues på ved
kognitiv prosessering, uavhengig av
kognitiv oppgave, "Effort Mode
Network" (røde områder)
De to nettverkene er i orthogonale,
når det ene skrues på, må det andre
skrues av, "large-scale network
dynamics"
Ved svekket læringsevne, kan
nettopp den dynamikken være satt ut
av spill
Nygård, Eichele, Hugdahl. et al., Frontiers in Human Neuroscience, 2012
Læring betyr at
disse
nettverkene
skrues på og av
i forhold til de
krav
omgivelsene
stiller
Animation by Alex Craven and Kenneth Hugdahl
Data re-analyzed from Kompus, Specht, Ersland, Juvodden et al., Brain and Language, 2012
Oppsummering og noen kritiske refleksjoner
• Hjernen lærer hele livet, ikke bare i kritiske perioder i
utviklingen
• Hukommelsen går å trene opp gjennom øvelse og
systematikk
• fMRI har gitt oss et unikt redskap for undersøkelse av
læring og hukommelse in-vivo i den intakte
menneskelige hjerne
• fMRI kan kun si noe om et område/nettverk i hjernen
er involvert i en spesifikk kognitiv funksjon, men ikke
om området er nødvendig eller tilstrekkelig for
funksjonen