De ontwikkeling van de hersenen

Wat is belangrijker? Genetische aanleg of de omgeving waarin een kind opgroeit? Dit is het nature-nurture debate. Francis Galton stelde dat genieën geboren worden en niet gemaakt worden en hij is de oorspronkelijke bron voor de term nature or nurture. Daarnaast was hij de eerste die bedacht dat er een schatting van erfelijkheid kan worden gemaakt door monozygote (eeneiige) en dizygote (twee-eiige) tweelingen met elkaar te vergelijken. Zijn gedachtegoed werd gebruikt in de eugenics movement waarbij selectieve reproductie zou zorgen voor intelligentere mensen. In de praktijk betekende dit echter eerder dat minder cognitief bedeelde mensen gesteraliseerd zouden worden.

• Sigmund Freud stelde begin 20e eeuw dat ervaringen en opvoedstijl een belangrijkere factor waren
• Lev Vygotsky zag meer in de rol van cultuur en interpersoonlijke communicatie
• B.F. Skinner (bekend van de Skinner Box en fervent voorstander van behaviorisme) stelde juist dat alle gedrag het resultaat was van leren door beloning of straf
• Jean Piaget (de vader van de ontwikkelingspsychologie) zag meer een combinatie van nature en nurture en zag de genetische code meer als een basis raamwerk waarop nog gebouwd moest worden door de juiste feedback van de omgeving.

Vanuit het gedachtegoed van de ontwikkelingspsychologie is developmental cognitive neuroscience ontstaan, wat zich richt op veranderingen in de hersenen in het kader van ontwikkeling. Een belangrijke hedendaagse stroming is het neuroconstructivisme, waarbij men er vanuit gaat dat er constante interactie is tussen omgeving en genetische factoren.  In tegenstelling tot de aanpak van Piaget, is dit gestoeld in meetbare zaken als synapsformatie en myelinisering in plaats van minder goed afgebakende stadia van ontwikkeling.

Structure ontwikkeling van de hersenen

Een bekend idee is dat genen een soort blauwdruk vormen voor hoe de hersenen "in elkaar zitten". De term blauwdruk is echter misleidend omdat er geen sprake is van exacte plannen. Je zou de genetische code eerder kunnen zien als een soort recept om een brein te maken. Gottlieb maakt onderscheid tussen twee contrasterende ontwikkelingstheorieën: probabilistisch en predeterministisch.

• Predetermined development
  • Genen bepalen de structuur van de hersenen, dit bepaalt de functies van het brein en dit bepaalt op zijn beurt de ervaringen die je hebt
• Probabilistic development
  • Hersenstructuren en de expressie van genen worden beïnvloed door de omgeving. De genen bepalen ongeveer hoeveel neuronen er worden gemaakt, maar niet precies hoe en waar. Hetzelfde "genetische programma" zou dan iedere keer een iets ander resultaat geven omdat de omgeving anders is.

Dit laatste zien we terug in monozygote tweelingen, die een sterk vergelijkbaar maar niet identiek brein hebben.

Prenatale ontwikkeling
Een zwangerschap duurt bij mensen ongeveer 38 weken vanaf conceptie. Het embryo heeft in de beginfase zeer snelle celdeling en dit wordt gevolgd door een periode waarin de cellen zich steeds sneller specialiseren. Er vormt zich een holle cilinder genaamd de neural tube die rond de 5 weken georganiseerd is in een aantal bollingen en vormingen die uiteindelijk de hersenen zullen gaan worden. Rond de holte van de cilinder worden neuronen en gliacellen gemaakt door de deling van neuroblasten (stamcellen voor neuronen) en glioblasten. In vroege ontwikkeling worden op een bepaald punt ongeveer 250.000 neuronen per minuut gemaakt.

Nieuwe neuronen drukken als het ware de oudere neuronen naar buiten. Onder andere de hippocampus wordt op deze manier gemaakt. Daarnaast zijn er radial glial cells die als een soort klimtouw werken en neuronen juist naar de buitenkant van de jonge hersenen worden gebracht. Zo wordt de neocortex gevormd.

Regionale verschillen in moleculaire signalen zorgen voor verdere specialisatie van neuronen, zoals dat een neuron "weet" of het een parietaal neuron is of een frontaal neuron. Dit zorgt voor een relatief eenvoudig mechanisme waarmee bijvoorbeeld evolutie plaats kan vinden, omdat bij voorbaat bijvoorbeeld de frontale kwab groter gemaakt kan worden door een andere dosis aan specifieke stofjes.

Door de vorming van axonen wordt de cerebrale cortex waarschijnlijk als het ware "krom" getrokken in verschillende richtingen, waardoor de gevouwen cortex onder spanning komt te staan. Diffusion Tensor Imaging (DTI) laat zien dat bij te vroeg geboren baby's (van 30 weken) de axonbundels in de witte stof al wel bestaan, maar in de 10 weken erna nog verfijnd wordt. Het patroon is grofweg hetzelfde bij iedereen, maar er zitten wel individuele verschillen in. De hoeveelheid gyri en sulci is veel minder sterk genetisch bepaald dan bijvoorbeeld totaal hersenvolume.

Een interessante manier waarop connecties worden gemaakt, is op basis van Hebbian learning. Hierbij worden netwerken geactiveerd op basis van het "what wires together fires together" principe. Spontane elektische activiteit vanuit de retina die niet getriggerd wordt door licht, zorgt er wel voor dat er synaptische paden ontstaan van de ogen naar de lateral geniculate nucleus en de visuele cortex - als voorbereiding op echte visuele stimuli.

Postnatale ontwikkeling
De meeste neuronen zijn al gevormd voor de geboorte. De verdere expansie van de hersenen na de geboorte heeft vooral te maken met de ontwikkeling van synapsen, dendrieten en axonenbundels, de vorming van extra gliacellen en myelinisatie. Nadat er een enorme hoeveelheid synapsen en neurale paden zijn gemaakt, worden er door fine-tuning door de omgeving bepaalde netwerken gevormd en vervallen sommige andere verbindingen tussen neuronen. Het aantal synapsen valt dan dus terug. Myelinisatie gaat door in de eerste 20 jaar van het leven, wat een mogelijke verklaring is voor de ontwikkeling van volwassen sociaal gedrag en betere zelfcontrole op oudere leeftijd.

Plasticiteit is het vermogen van de hersenen om zich aan te passen aan nieuwe stimuli. De hoeveelheid grijze stof (neuronale celkernen) neemt in sommige gevallen toe, al wil dit niet per se zeggen dat het geheel beter of efficiënter werkt. Blinde mensen hebben bijvoorbeeld meer grijze stof in hun visuele cortex, dus het is zeker geen directe aanleiding om te denken dat meer grijze stof beter is en voor betere cognitieve prestaties zorgt.

In het kort: onze genen bieden alles behalve een volledige blauwdruk voor de hersenen en de invloed van de omgeving is van groot belang op de ontwikkeling ervan. Dit is consistent met het probabilistische idee van ontwikkeling van Gottlieb.

Functionele ontwikkeling van de hersenen

De functionele ontwikkeling is zo flexibel dat in het geval van AH, een 10-jarig meisje, die geen rechter hemisfeer en rechter oog heeft ontwikkeld, alsnog prima zicht had. De informatie die normaal gesproken door de optic chiasm zou worden verstuurd naar de rechter hemisfeer, werd "omgeleid" naar de linker hemisfeer en alsnog verwerkt. Er zijn zelfs meerdere voorbeelden van dierproeven waarbij andere delen van de hersenen volledige functionele karakteristieken van andere regio's overnemen.

In de praktijk zal een auditieve cortex de taken van de visuele cortex kunnen uitvoeren, maar zal het zicht slechter zijn dan wanneer de visuele cortex zelf deze taken zou uitvoeren. Daarnaast zijn dit soort ontwikkelingen sterk tijdgebonden. Dankzij onderzoek is duidelijk geworden dat het overnemen van functies van een andere regio in de hersenen, ook een prijs heeft: de regio die de taken overneemt houdt minder "over" voor zijn eigen taken en deze zullen er dus onder lijden. Het Kennard Principe (naar de neuroloog Margaret Kennard) is dat plasticiteit en herstel van hersenen het beste werkt als het vroeg in het leven plaatsvindt.

Er zijn kritieke of sensitieve perioden in de ontwikkeling. Een goed voorbeeld is filial imprinting, waar Konrad Lorenz uitgebreid onderzoek naar gedaan heeft. Hij kwam erachter dat kuikens hem voor moeder aanzagen en dat ze niet van hun stuk te brengen waren. Hij kwam erachter dat er een periode was waarin dit plaats kon vinden: tussen de 15 uur en de 3 dagen (voor de kuikens). Dit is de kritieke periode.

Een kritieke periode heeft twee condities:

1. Het leren kan alleen plaatsvinden in een bepaald tijdbestek
2. Het geleerde kan nagenoeg niet ongedaan gemaakt worden door latere ervaringen

Met langzaam stimuli te veranderen (bijvoorbeeld vormen en kleuren) valt op punt 2 nog wel iets af te dingen. Daarom gebruiken veel onderzoekers de term gevoelige periode omdat dit een wat gematigdere term is.

Een king genaamd Genie was door haar familie weggestopt vanaf 20 maanden tot 13 jaar en haar vocabulaire betrof ongeveer 20 woorden. Binnen 18 maanden na plaatsing bij een pleeggezin had haar taal zich op vocabulair en grammaticair niveau enorm verbeterd. De taalacquisitie was echter nog altijd veel slechter en trager dan dat van kleine kinderen, wat alsnog aangeeft dat er sprake is van een gevoelige periode voor het leren van taal.

Er is ook een gevoelige periode voor het aanleren van een tweede taal. Als deze vroeg genoeg aangeleerd wordt, wordt het verwerken van syntax efficiënter gedaan, onafhankelijk van hoe goed iemand een bepaalde taal spreekt. (D.w.z. je kunt vloeiend een andere taal spreken, maar dat wil niet zeggen dat de hersenen ook daadwerkelijk de syntax even efficiënt verwerken als bij iemand die dit vanaf vroege leeftijd heeft meegekregen.)

Een ander punt is of bepaalde kennis aangeboren is of niet. Hier zijn verschillende stromingen in:

• Empirisme
  • Kind begint als tabula rasa (lege bladzij) en alles wordt door ervaring aangeleerd
• Nativisme
  • Op z'n minst sommige vaardigheden zijn aangeboren

Aangeboren vaardigheden of kennis hangt sterk samen met instinct, waarbij bepaald gedrag een gevolg is van natuurlijke selectie, zoals filial imprinting. Bij het aanleren van bijvoorbeeld taal, wat in zekere zin aangeboren is bij mensen, is het nog altijd een kwestie van de omgeving die het waarmaakt. De kennis zelf is niet aangeboren, alleen de mogelijkheid om het te kunnen.

Een gerelateerd concept is prepared learning: het is makkelijk om een angst te ontwikkelen voor spinnen, maar een angst voor bloemen is niet heel erg waarschijnlijk. Een ander voorbeeld is het ethisch dubieuze experiment van Harlow met pasgeboren aapjes die twee "moeders" kregen: een metalen moeder die zorgde voor de voeding en een zachte stoffen moeder die verder niets gaf. De aapjes gingen voeden bij de metalen moeder, maar gingen daarna weer terug naar de stoffen moeder. Je zou daarbij kunnen stellen dat de voorkeur voor zachte dingen aangeboren is.

Aangeboren eigenschappen zorgen dus voor een neiging naar bepaalde gedragingen, maar dit kan alleen plaatsvinden binnen een omgeving die dit faciliteert.

Nature en nurture van individuele verschillen

Behavioral genetics of gedragsgenetica gaat om de erfelijkheid van gedrag en cognitieve vaardigheden. Dit gebeurt meestal met tweelingstudies en adoptiestudies waarbij nature en nurture in feite "uit elkaar gehouden" worden.

In tweelingstudies heb je te maken met MZ tweelingen (monozygoot) en DZ (dizygoot). MZ tweelingen delen 100% DNA en DZ tweelingen 50% DNA. Omdat beiden in dezelfde omgeving opgroeien, wordt aangenomen dat het verschil tussen de twee ons iets kan vertellen over genetische invloed.

Er zijn echter verschillende belangrijke kanttekeningen. Een ervan is dat monozygote tweelingen dezelfde chorion in de placenta gebruiken en dus blootgesteld worden aan bijvoorbeeld dezelfde prenatale virussen. In het geval van dizygote tweelingen is dat nooit het geval. Daardoor beginnen de verschillen bij dizygote tweelingen al veel eerder dan de geboorte. Een ander probleem bij adoptiestudies is bijvoorbeeld dat het de vraag is of mensen die hun kind opgeven voor adoptie, representatief zijn voor de rest van de samenleving.

Erfelijkheid wordt opgegeven in een getal van 0 tot 1. Als monozygote tweelingen met elkaar correleren met 1.0 en dizygote tweelingen met 0.5, dan is de erfelijkheid 100%. Deze schatting wordt gedaan door het verschil tussen de MZ en DZ te verdubbelen (0.5 x 2 = 1 = 100%). Als de correlatie tussen monozygote tweelingen minder is dan 1.0, dan wordt dit verklaard door een unshared environment (andere vrienden, andere ziekten, etc). De rest wordt verklaard door shared environment (dezelfde socio-economische status, zelfde opvoeding, etc).

Erfelijkheid is een statistische meting die niets direct zegt over bepaalde genen of hun functie. Om daar iets zinnigs over te kunnen zeggen, moet de kennis uit de cognitieve neurowetenschap worden gecombineerd met het DNA van het individu. Dit kan eenvoudig en goedkoop met een "cheek swab" waarbij de DNA-sample moet worden opgestuurd naar een laboratorium. Er zijn twee methoden om de analyse aan te vliegen: genotype-first en phenotype-first. Bij genotype-first kun je bijvoorbeeld kijken naar hoe deelnemers met een variant van een bepaald gen zich gedragen. Bij phenotype-first kijk je naar het hele genoom en kun je bijvoorbeeld onderzoeken of er sprake is van een bepaalde aandoening.

GWAS (genome-wide association study) is een methode die naar vele kleine variaties in het genoom kijkt, genaamd single nucleotide polymorphisms of SNP's. Op basis hiervan kunnen "hot spots" worden gevonden voor bepaalde aandoeningen, zoals autisme.

De expressie van genen is afhankelijk van het fenotype. De uitdrukking van genen die wordt veroorzaakt door de omgeving heet epigenetics. Een methylgroep kan een gen dempen en een acetylgroep juist accentueren.

Op basis van een bepaald genotype is het ook zo dat mensen bepaalde situaties opzoeken. Dit is een voorbeeld van gene-environment correlations of rGE in het kort. Een goed voorbeeld is dat het gedrag van een kind ook een bepaalde opvoedstijl kan uitlokken bij de ouders.

Er kan ook een interactie plaatsvinden tussen genen en omgeving. Als een kind bijvoorbeeld opgroeit in een agressieve omgeving en dit kind ook een genetische aanleg heeft om zich agressief te gedragen, zal het effect versterkt worden. Dit is een voorbeeld van gene-environment interactions of GxE in het kort. Er zijn drie klassieke experimenten geweest op basis van genotype-first onderzoek, maar latere GWAS studies hebben de resultaten niet kunnen verifiëren. In deze gevallen is genetische aanleg een niet te missen factor, maar is het toch de omgeving die het tot uiting doet komen.