Alai

The Brain in the First Two Years

Sommige van de meest dramatische lichamelijke veranderingen vinden plaats gedurende de eerste twee jaar van de hersenontwikkeling. We worden geboren met de meeste hersencellen die we ooit zullen hebben; dat wil zeggen, ongeveer 85 miljard neuronen waarvan de functie is om informatie op te slaan en door te geven (Huttenlocher & Dabholkar, 1997). Hoewel de meeste neuronen van de hersenen al bij de geboorte aanwezig zijn, zijn ze nog niet volledig volgroeid.

Figuur 3.4.1. Uit onderzoek blijkt dat zuigelingen al met 4-6 maanden gebruik maken van soortgelijke gebieden in de hersenen als volwassenen om informatie te verwerken. Afbeelding uit Deen et al., 2017.

Communicatie binnen het centrale zenuwstelsel (CZS), dat bestaat uit de hersenen en het ruggenmerg, begint met zenuwcellen die neuronen worden genoemd. Neuronen verbinden zich met andere neuronen via netwerken van zenuwvezels die axonen en dendrieten worden genoemd. Elk neuron heeft meestal een enkel axon en talrijke dendrieten die zijn uitgespreid als takken van een boom (sommigen zullen zeggen dat het lijkt op een hand met vingers). Het axon van elk neuron reikt naar de dendrieten van andere neuronen op kruispunten die synapsen worden genoemd, die essentiële communicatieverbindingen binnen de hersenen zijn. Axonen en dendrieten raken elkaar niet, maar elektrische impulsen in de axonen veroorzaken het vrijkomen van chemische stoffen, neurotransmitters genaamd, die informatie van het axon van het zendende neuron naar de dendrieten van het ontvangende neuron overbrengen.

Figuur 3.4.2. Neuron.

Synaptogenesis and Synaptic Pruning

Hoewel de meeste van de 100 tot 200 miljard neuronen in de hersenen aanwezig zijn bij de geboorte, zijn ze nog niet volledig volgroeid. Elk neuraal pad vormt duizenden nieuwe verbindingen tijdens de kindertijd en peuterjaren. Synaptogenese, of de vorming van verbindingen tussen neuronen, gaat door vanaf de prenatale periode en vormt duizenden nieuwe verbindingen tijdens de baby- en peuterjaren. Gedurende de volgende jaren ondergaan dendrieten, of verbindingen tussen neuronen, een periode van voorbijgaande uitbundigheid of tijdelijke dramatische groei (uitbundig omdat het zo snel is en voorbijgaand omdat een deel ervan tijdelijk is). Er is zo’n proliferatie van deze dendrieten tijdens deze vroege jaren dat op de leeftijd van 2 jaar een enkel neuron duizenden dendrieten kan hebben.

Na deze dramatische toename worden de neurale paden die niet worden gebruikt geëlimineerd door een proces dat synaptische pruning wordt genoemd, waarbij neurale verbindingen worden gereduceerd, waardoor de verbindingen die wel worden gebruikt veel sterker worden. Men denkt dat dit snoeien ervoor zorgt dat de hersenen efficiënter functioneren, waardoor de beheersing van complexere vaardigheden mogelijk wordt (Hutchinson, 2011). Ervaring zal bepalen welke van deze verbindingen behouden blijven en welke verloren gaan. Uiteindelijk zal ongeveer 40% van deze verbindingen verloren gaan (Webb, Monk, and Nelson, 2001). Voorbijgaande uitbundigheid treedt op tijdens de eerste levensjaren, en het snoeien gaat door tijdens de kindertijd en tot in de adolescentie in verschillende gebieden van de hersenen. Deze activiteit vindt voornamelijk plaats in de cortex of de dunne buitenste laag van de hersenen die betrokken is bij vrijwillige activiteit en denken.

Video 3.4.1. How Baby Brains Develop legt enkele van de hersenveranderingen uit die in de eerste levensjaren worden verwacht.

Myelinisatie

Een andere belangrijke verandering die in het centrale zenuwstelsel plaatsvindt, is de ontwikkeling van myeline, een coating van vetweefsels rond de axon van het neuron (Carlson, 2014).Myeline helpt de zenuwcel te isoleren en de snelheid van de overdracht van impulsen van de ene cel naar de andere te versnellen. Deze toename bevordert de opbouw van neurale paden en verbetert de coördinatie en controle van bewegingen en denkprocessen. Tijdens de kinderjaren vordert de myelinisatie snel, waarbij steeds meer axonen een myelineschede krijgen. Dit komt overeen met de ontwikkeling van cognitieve en motorische vaardigheden, waaronder taalbegrip, spraakverwerving, zintuiglijke verwerking, kruipen en lopen. Myelinisatie in de motorische gebieden van de hersenen tijdens de vroege tot middelbare kinderjaren leidt tot enorme verbeteringen in de fijne en grove motoriek. Myelinisatie gaat door tijdens de adolescentie en vroege volwassenheid en hoewel grotendeels voltooid op dit moment, kunnen myelinescheden worden toegevoegd in grijze stof regio’s zoals de cerebrale cortex, gedurende het hele leven.

Hersenstructuren

Bij de geboorte zijn de hersenen ongeveer 25 procent van hun volwassen gewicht, en tegen de leeftijd van twee jaar zijn ze op 75 procent van hun volwassen gewicht. De meeste neurale activiteit vindt plaats in de cortex of de dunne buitenste laag van de hersenen die betrokken is bij vrijwillige activiteit en denken. De cortex is verdeeld in twee hemisferen, en elke hemisfeer is verdeeld in vier kwabben, elk gescheiden door plooien die bekend staan als spleten. Als we de cortex bekijken, beginnend aan de voorkant van de hersenen en over de bovenkant bewegend, zien we eerst de frontale kwab (achter het voorhoofd), die hoofdzakelijk verantwoordelijk is voor denken, plannen, geheugen en oordelen. Na de frontale kwab volgt de pariëtale kwab, die zich uitstrekt van het midden tot de achterkant van de schedel en die hoofdzakelijk verantwoordelijk is voor de verwerking van informatie over aanraking. Daarna komt de occipitale kwab, helemaal achterin de schedel, die visuele informatie verwerkt. Ten slotte bevindt zich voor de occipitale kwab, tussen de oren, de temporale kwab, die verantwoordelijk is voor het gehoor en de taal.

Figuur 3.4.3. Hersenkwabben.

Hoewel de hersenen tijdens de kinderjaren snel groeien, rijpen specifieke hersengebieden niet in hetzelfde tempo. Primaire motorische gebieden ontwikkelen zich eerder dan primaire zintuiglijke gebieden, en de prefrontale cortex, die zich achter het voorhoofd bevindt, is het minst ontwikkeld. Naarmate de prefrontale cortex rijper wordt, is het kind steeds beter in staat emoties te reguleren of onder controle te houden, activiteiten te plannen, strategieën uit te stippelen en een beter beoordelingsvermogen te ontwikkelen. Deze rijping is niet volledig voltooid in de baby- en peutertijd, maar gaat door in de kindertijd, de adolescentie en in de volwassenheid.

Lateralisatie

Lateralisatie is het proces waarbij verschillende functies voornamelijk aan één kant van de hersenen gelokaliseerd worden. Zo is bij de meeste volwassenen de linker hersenhelft actiever dan de rechter tijdens het produceren van taal, terwijl het omgekeerde patroon wordt waargenomen tijdens taken waarbij visuospatiale vaardigheden een rol spelen (Springer & Deutsch, 1993). Dit proces ontwikkelt zich in de loop van de tijd, maar structurele asymmetrieën tussen de hemisferen zijn zelfs gemeld bij foetussen (Chi, Dooling, & Gilles, 1997; Kasprian et al., 2011) en zuigelingen (Dubois et al., 2009).

Neuroplasticiteit

Ten slotte verwijst neuroplasticiteit naar het vermogen van de hersenen om te veranderen, zowel fysiek als chemisch, om het aanpassingsvermogen aan veranderingen in de omgeving te vergroten en letsel te compenseren. Neuroplasticiteit stelt ons in staat nieuwe dingen te leren en te onthouden en ons aan nieuwe ervaringen aan te passen. Zowel omgevingservaringen, zoals stimulatie, als gebeurtenissen in iemands lichaam, zoals hormonen en genen, hebben invloed op de plasticiteit van de hersenen. Dat geldt ook voor leeftijd. Onze hersenen zijn het meest “plastisch” als we jonge kinderen zijn, omdat we in die tijd het meest over onze omgeving leren. Volwassen hersenen vertonen neuroplasticiteit, maar ze worden langzamer en minder uitgebreid beïnvloed dan die van kinderen (Kolb & Whishaw, 2011).

Video 3.4.2. Long-term Potentiation and Synaptic Plasticity legt uit hoe leren plaatsvindt door synaptische verbindingen en plasticiteit.

De controle van sommige specifieke lichaamsfuncties, zoals beweging, zicht en gehoor, wordt uitgevoerd in specifieke gebieden van de cortex. Als deze gebieden worden beschadigd, zal het individu waarschijnlijk het vermogen verliezen om de overeenkomstige functie uit te voeren. Bijvoorbeeld, als een zuigeling schade oploopt aan de gezichtsherkenningsgebieden in de temporale kwab, zal hij of zij waarschijnlijk nooit gezichten kunnen herkennen (Farah, Rabinowitz, Quinn, & Liu, 2000). Aan de andere kant zijn de hersenen niet op een geheel starre manier verdeeld. De neuronen van de hersenen hebben een opmerkelijk vermogen om zich te reorganiseren en uit te breiden om bepaalde functies uit te voeren in antwoord op de behoeften van het organisme, en om de schade te herstellen. Als gevolg hiervan creëert het brein voortdurend nieuwe neurale communicatieroutes en herbedraadt het bestaande.

Brain Maturation During Childhood

De hersenen zijn ongeveer 75 procent van hun volwassen gewicht tegen de tijd dat ze drie jaar oud zijn. Op de leeftijd van 6 jaar is het 95 procent van het volwassen gewicht (Lenroot & Giedd, 2006). Myelinisatie en de ontwikkeling van dendrieten blijven plaatsvinden in de cortex, en terwijl dit gebeurt, zien we een overeenkomstige verandering in wat het kind in staat is te doen. Door een grotere ontwikkeling in de prefrontale cortex, het gebied van de hersenen achter het voorhoofd dat ons helpt te denken, strategieën uit te stippelen en aandacht en emotie te controleren, wordt het steeds beter mogelijk emotionele uitbarstingen te remmen en te begrijpen hoe je een spelletje moet spelen.

Figuur 3.4.4. Corpus Callosum.

Groei in de hersenhelften en Corpus Callosum

Tussen de leeftijd van 3 en 6 jaar groeit de linker hersenhelft dramatisch. Deze kant van de hersenen of hemisfeer is typisch betrokken bij taalvaardigheden. De rechterhersenhelft blijft in de vroege kinderjaren groeien en is betrokken bij taken die ruimtelijke vaardigheden vereisen, zoals het herkennen van vormen en patronen. Het Corpus Callosum, een dichte band van vezels die de twee hersenhelften met elkaar verbindt, bevat ongeveer 200 miljoen zenuwvezels die de hersenhelften met elkaar verbinden (Kolb & Whishaw, 2011).

Het corpus callosum bevindt zich een paar centimeter onder de longitudinale spleet, die over de lengte van de hersenen loopt en de twee hersenhelften van elkaar scheidt (Garrett, 2015). Omdat de twee hersenhelften verschillende functies uitvoeren, communiceren ze met elkaar en integreren ze hun activiteiten via het corpus callosum. Bovendien, omdat binnenkomende informatie naar één hemisfeer wordt geleid, zoals visuele informatie van het linkeroog die naar de rechter hemisfeer wordt geleid, deelt het corpus callosum deze informatie met de andere hemisfeer.

Het corpus callosum ondergaat een groeispurt tussen de leeftijd van 3 en 6 jaar, en dit resulteert in een betere coördinatie tussen taken van de rechter en linker hemisfeer. In vergelijking met andere individuen vertonen kinderen jonger dan 6 bijvoorbeeld moeite met het coördineren van een Etch A Sketch-speeltje, omdat hun corpus callosum niet voldoende is ontwikkeld om de bewegingen van beide handen te integreren (Kalat, 2016).

Adolescente hersenontwikkeling

Het menselijk brein is niet volledig ontwikkeld tegen de tijd dat een persoon de puberteit bereikt. Tussen de leeftijd van 10 en 25 jaar ondergaan de hersenen veranderingen die belangrijke gevolgen hebben voor het gedrag. De hersenen bereiken 90% van hun volwassen grootte tegen de tijd dat een persoon zes of zeven jaar oud is. De hersenen nemen dus niet veel in omvang toe tijdens de adolescentie. De plooien in de hersenen blijven echter complexer worden tot aan het eind van de tienerjaren. De belangrijkste veranderingen in de hersenplooien gedurende deze tijd doen zich voor in de delen van de cortex die cognitieve en emotionele informatie verwerken. Veranderingen in de hersenen beïnvloeden direct veranderingen in gedrag en mentale processen. We zullen een aantal van deze zaken bespreken.

Figuur 3.4.5. De hersenen bereiken hun grootste omvang in de vroege tienerjaren, maar blijven tot ver in de twintig rijpen.

Hersenveranderingen

Tot aan de puberteit blijven de hersencellen in het frontale gebied tot bloei komen. Enkele van de meest significante ontwikkelingsveranderingen in de hersenen vinden plaats in de prefrontale cortex, die betrokken is bij het nemen van beslissingen en cognitieve controle, evenals andere hogere cognitieve functies. Tijdens de adolescentie neemt de myelinisatie en synaptische pruning in de prefrontale cortex toe, waardoor de informatieverwerking efficiënter verloopt, en worden de neurale verbindingen tussen de prefrontale cortex en andere delen van de hersenen versterkt. Deze groei kost echter tijd, en de groei is ongelijkmatig.

Het limbisch systeem

Het limbisch systeem ontwikkelt zich jaren eerder dan de prefrontale cortex. De ontwikkeling in het limbisch systeem speelt een essentiële rol bij het bepalen van beloningen en straffen en het verwerken van emotionele ervaringen en sociale informatie. Puberale hormonen richten zich direct op de amygdala, en krachtige sensaties worden dwingend (Romeo, 2013). Hersenscans bevestigen dat cognitieve controle, onthuld door fMRI-studies, niet volledig is ontwikkeld tot de volwassenheid, omdat de prefrontale cortex beperkt is in verbindingen en betrokkenheid (Hartley & Somerville, 2015). Bedenk dat dit gebied verantwoordelijk is voor oordeelsvorming, impulscontrole en planning, en dat het nog tot rijping komt in de vroege volwassenheid (Casey, Tottenham, Liston, & Durston, 2005).

Figuur 3.4.6. Het limbisch systeem.

Veranderingen in zowel de niveaus van de neurotransmitters dopamine en serotonine in het limbisch systeem maken adolescenten bovendien emotioneler en gevoeliger voor beloningen en stress. Dopamine is een neurotransmitter in de hersenen die in verband wordt gebracht met genot en afstemming op de omgeving tijdens de besluitvorming. Tijdens de adolescentie neemt het dopaminegehalte in het limbisch systeem toe, en de input van dopamine in de prefrontale cortex neemt toe. De verhoogde dopamineactiviteit in de adolescentie kan gevolgen hebben voor het nemen van risico’s en de kwetsbaarheid voor verveling bij adolescenten. Serotonine is betrokken bij de regulatie van stemming en gedrag. Het beïnvloedt de hersenen op verschillende manieren. Bekend als de “kalmerende chemische stof”, vermindert serotonine spanning en stress. Serotonine zet ook een rem op de opwinding en soms roekeloosheid die dopamine kan produceren. Als er een defect is in de serotonineverwerking in de hersenen, kan impulsief of gewelddadig gedrag het gevolg zijn.

De prefrontale cortex

De prefrontale cortex, het deel van de frontale kwabben dat net achter het voorhoofd ligt, wordt vaak aangeduid als de “CEO van de hersenen,” het cognitieve controlecentrum. Dit hersengebied is verantwoordelijk voor cognitieve analyse, abstract denken, het matigen van “juist” gedrag in sociale situaties, het vermogen om een goed oordeel te vellen, zelfregulering en toekomstgerichtheid. De prefrontale cortex neemt informatie van alle zintuigen op en orkestreert gedachten en handelingen om specifieke doelen te bereiken (Casey, Jones, & Hare, 2008; Walsh, 2004). Rond de leeftijd van 11 jaar begint dit deel van de hersenen aan een uitgebreid proces van snoeien en myelinisatie en is pas voltooid rond de leeftijd van 25 jaar. Dit deel van de hersenen is een van de laatste om tot rijpheid te komen. Deze vertraging kan helpen verklaren waarom sommige adolescenten zich gedragen zoals ze doen. De zogenaamde “uitvoerende functies” van de menselijke prefrontale cortex omvatten:

• Focussen van aandacht
• Organiseren van gedachten en probleemoplossing
• Zien en afwegen van mogelijke gevolgen van gedrag
• Rekening houden met de toekomst en voorspellingen doen
• Vormen van strategieën en planning
• Het vermogen om korte-termijn beloningen af te wegenlange termijn
• Gedrag veranderen/aanpassen wanneer situaties veranderen
• Impulsbeheersing en uitstellen van bevrediging
• Modulatie van intense emoties
• Remming voor ongepast gedrag en het initiëren van gepast gedrag
• Simultaan rekening houden met meerdere informatiestromen wanneer men geconfronteerd wordt met complexe en uitdagende informatie

Figuur 3.4.7. De ontwikkeling van de hersenen gaat door tot begin 20. Vooral de ontwikkeling van de frontale kwab is in deze fase belangrijk.

Het verschil in timing van de ontwikkeling van het limbisch systeem en de prefrontale cortex draagt bij tot meer risicogedrag tijdens de adolescentie. Omdat adolescenten gemotiveerd zijn om sensatie te zoeken die soms voortkomt uit risicovol gedrag, zijn ze meer geneigd om zich bezig te houden met roekeloos rijden, roken of drinken, en hebben ze nog niet de cognitieve controle ontwikkeld om impulsen te weerstaan of zich gelijk te concentreren op de potentiële risico’s (Steinberg, 2008). Een van ’s werelds meest vooraanstaande experts op het gebied van de ontwikkeling van adolescenten, Laurence Steinberg, vergelijkt dit met het starten van een krachtige motor voordat het remsysteem op zijn plaats zit. Het resultaat is dat adolescenten vatbaarder zijn voor risicovol gedrag dan kinderen of volwassenen.

Brain Region Integration

MRI-studies van de hersenen tonen aan dat ontwikkelingsprocessen in de hersenen de neiging hebben om in een rug-aan-front patroon plaats te vinden, wat verklaart waarom de prefrontale cortex zich als laatste ontwikkelt. Deze studies hebben ook aangetoond dat tieners minder witte stof (myeline) in de frontale kwabben van hun hersenen hebben in vergelijking met volwassenen, maar deze hoeveelheid neemt toe naarmate de tiener ouder wordt. Met meer myeline groeien belangrijke hersenverbindingen, waardoor een betere informatiestroom tussen hersengebieden mogelijk wordt. MRI-onderzoek heeft ook aangetoond dat tijdens de adolescentie de witte stof toeneemt in het corpus callosum, de bundel zenuwvezels die de rechter- en linkerhersenhelft met elkaar verbindt. Deze ontwikkeling maakt een verbeterde communicatie tussen de hersenhelften mogelijk, waardoor een volledig scala aan analytische en creatieve strategieën kan worden ingezet om te reageren op de complexe dilemma’s die zich in het leven van een jongere kunnen voordoen (Giedd, 2004).

Kortom, de adolescente jaren zijn een tijd van diepgaande hersenveranderingen. Interessant is dat twee van de primaire hersenfuncties zich in verschillend tempo ontwikkelen. Hersenonderzoek wijst uit dat het deel van de hersenen dat beloningen uit risico’s waarneemt, het limbisch systeem, in de vroege adolescentie in de hoogste versnelling gaat. Het deel van de hersenen dat impulsen controleert en zich bezighoudt met langetermijnperspectieven, de frontale kwabben, rijpt later. Deze vertraging kan verklaren waarom tieners in de midden-adolescentie meer risico’s nemen dan oudere tieners.

Als de frontale kwabben meer ontwikkeld worden, gebeuren er twee dingen. Ten eerste, zelfbeheersing ontwikkelt als tieners zijn beter in staat om oorzaak en gevolg te beoordelen. Ten tweede worden meer gebieden van de hersenen betrokken bij het verwerken van emoties, en tieners worden beter in het accuraat interpreteren van de emoties van anderen.

Video 3.4.4. Brain Changes in Adolescence describes some of the physical changes that occur during adolescence.

Educational Neuroscience

Educational neuroscience (of neuroeducatie) is een opkomend wetenschappelijk gebied dat onderzoekers in neurowetenschappen, psychologie, onderwijs, en zelfs technologie samenbrengt, om de interacties tussen biologische processen en onderwijs te onderzoeken. Onderzoekers in onderwijsneurowetenschappen onderzoeken de neurale mechanismen voor processen zoals leren, geheugen, aandacht, intelligentie en motivatie. Hun onderzoek richt zich ook op problemen, waaronder dyslexie, dyscalculie en ADHD, in relatie tot het onderwijs. Onderzoekers op dit gebied kunnen fundamentele bevindingen op het gebied van cognitieve neurowetenschappen koppelen aan onderwijstechnologie om te helpen bij de uitvoering van leerplannen voor specifieke academische gebieden, zoals wiskunde en leesonderwijs. Educatieve neurowetenschap streeft ernaar fundamenteel en toegepast onderzoek te genereren dat een nieuwe transdisciplinaire beschrijving van leren en onderwijzen zal opleveren, die in staat is het onderwijs te informeren.

Video 3.4.5. Introduction to Educational Neuroscience bespreekt hoe neurowetenschappen het onderwijs kunnen informeren en ontzenuwt verschillende gangbare mythes over het functioneren van de hersenen bij leraren en studenten.