Neurovetenskap Studier av nervsystemet Varför intressant för kognitionsvetare? 1 kul kan befästa/förkasta kognitionspsykologiska och lingvistiska teorier kan bidra till modeller för kognitiv arkitektur visar på människans begränsade förmåga att behandla information visar på människans gränslösa möjligheter att förbättra förmåga Innehåll 2 CNS Neuropsykologi Anatomi Celler Neuronal utveckling Topografiska kartor Neuronens viloläge Neuronens kommunikation Neurologi vs konnektionism Centrala nervsystemet (CNS) Hjärnan + ryggmärgen Uppgift: kontrollcenter för tolkning av sensor-indata styr tanke- och den fysiska verksamheten 3 Hjärnan är det mest aktiva organet i hela kroppen (förbrukar 15-20% av allt syre) Neuropsykologi 4 Studiet av implementationen av minne, språk, medvetande etc genom att studera hjärnskador och människor med hjärnskador Traditionellt top-down: från kognitiv modell (utifrån den hjärnskadades bibehållna/förlorade funktioner) till neuronimplementation (avbilder av hjärnan) Nu även bottom-up: från neuronimplementation till kognitiv modell (konnektionismen) Minne (exempel på top-down slutsats) 5 Amnesi påverkar bara deklarativt minne. - Bevis för att deklarativt och procedurellt minne är biologiskt skilda åt motorik Smärta, sensibilitet Neuroanatomi Omdöme, initiativ, planering, målinriktad aktivitet, Broca’s area: Produktion av språk cerebral cortex Wernicke’s area: språkförståelse vision Hjärnstam 6 cerebellum b Neuroanatomi a c MS a. Wernickes afasi 7 b. Brocas afasi c. Alexi men ej agrafi Hjärnans celler Gliaceller Upprätthåller ”Blod-hjärnbarriären” - Omgärdar de flesta blodkärlen i hjärnan, filtrerar blodtillförseln och avlägsnar överflödiga/ovälkomna substanser Duplicerar sej på platser för skador och tar bort skräp, skapar ärrbildning Formar myelinet kring vissa neuroners axon – En process som är avgörande för utvecklandet av kognitiva och motoriska funktioner (MS) 8 Neuroner Neuronen Liknar andra celler men kan skicka och ta emot stora mängder signaler kan inte duplicera sig själva – vuxnas hjärnskador blir ”permanenta” Mycket känslig för störningar i syretillförseln (dör inom minuter) omgivningens ämnesinnehåll (gifter, men även förhöjda halter av naturliga ämnen) – Skydd: ”Blodhjärnbarriären” 9 Neuronens uppbyggnad dendriter cellkropp axon 10 hillock Neural utveckling (1) - före födseln Ett mysterium Tillväxttakt under en viss period: flera hundra tusen neuroner / minut Migrationsfasen: neuronerna vandrar längs gliacellspår till sina ”adresser” Aggregationsfasen: gruppering och positionering Differentiationsfasen: axoner växer, kopplingar formas, kretsar ”prunas” ner till funktionella vägar 11 Migrationsfel: dyslexi Pågår hela uppväxten Neural utveckling (2) - efter födseln Myelination Plasticitet bygger på överproduktion av synaps-kopplingar Stimulans AO för utveckling (OCH bibehållande) Djurförsök har visat: påverkan av storleken på cortex densitet av gliaceller antalet synaptiska kopplingar 12 Utveckling sker i olika peroder i olika delar av hjärnan, ex synbarken (2-5 mån), språkcentra (0-5 år), frontalloben (0-... år) Vänster/höger hjärnhalva Vänster hjärnhalva kontrollerar motorik/sensorik i högra delen av kroppen och tvärtom Synen nästan också Ena halvan ofta dominant för styrning av beteende Vänster: språk, finmotorik för högerhänta Höger: visuo-spatiala funktioner (neglekt) 13 Topografiska kartor (1) 14 Ex: beröringscentra i hjärnbarken Topografiska kartor (2) 15 Kan förändras pga yttre stimuli Kan variera något mellan individer Neuronnätverket bestäms av både genetiskt arv och miljö Neuronens viloläge (1) 16 Potentiell energi i och runt neuronen Cellmembranet separerar inre och yttre förhållandena DNA i cellkärnan är negativt laddat. Neuronens viloläge (2) 17 I och runt neuronen finns bl a kalium-, natrium- och klorjoner (K+, Na+, C-). Kalium dras in i cellen p g a elektrisk kraft. Klorjoner dras utåt p g a att kärnan är negativt laddad. => överskott av kaliumjoner i cellen, och ett underskott av natrium- och klorjoner, jämfört med utsidan. Jämvikt uppnås vid -70 mV i neuronen. Neuronens kommunikation (1) 18 ”local potentials” – slö kommunikation nära vänner emellan ”action potentials” – blixtsnabb kommunikation för distansarbete Neuronens kommunikation (2) - “local potentials” 19 En receptor på neuronen retas av signalsubstans från en annan neuron. Portarna på receptorn öppnas under 1 ms. Natriumjoner strömmar in. Jonpumpen börjar pumpa in natriumjoner för att återställa jämvikt men under tiden höjs spänningen i neuronen... Natriumjoner fördelar sig i neuronen och tunnas ut. Neuronens kommunikation (3) - ”action potentials” 20 Om tillräcklig koncentration av natriumjoner når hillock (så att spänningen där höjs till -55 mV) öppnas portarna i hillock. Då strömmar natriumjoner in p g a elektrisk och kemisk kraft. Natriumjonerna sprids nedåt i axonet eftersom spänningen är lägre där (-70 mV). Om koncentrationen av natriumjoner ger upphov till spänningsökning till -55 mV längre ned i axonet (vid nästa port) öppnas denna port, o s v. Neuronens kommunikation (4) - hämmande signaler 21 signaler kan både verka exciterande och hämmande på mottagarneuronen Neuronens kommunikation (5) - avfyrningshastighet 22 ”action potentials” varar 1-10 ms och kan färdas med 100 m/s avfyrningshastigheten varierar mellan en och hundratals signaler per sekund förändring i avfyrningsfrekvens betyder ”beräkning pågår” Neuronens kommunikation (6) - synapsen 23 Ställe där neuroner utbyter info på kemisk väg Presynaptisk cell = sändare Postsynaptisk cell = mottagare Neuronens kommunikation (7) - synapsen 24 Bild från ett elektronmikroskop Neurologi vs konnektionism 25 Nervfibrer är inte bidirectional (backprop-alg) Frekvens + fas (ANN saknar fasinfo) Multipla neurotransmittorer, många olika typer av neuroner Mikrokretsar i dendriterna som utför komplexa, ickelinjära beräkningar => synapserna basen för neuronal beräkning, ej neuronerna