WERELD & DENKEN
 
 

Neurologie: slaap, circuits en functie

Er zijn vele aspecten aan slaap, maar hier gaat het om wat het zegt over de werking van het neurologische systeem. Dat gaat in twee stappen: eerst een beschrijving van de betrokken circuits, en daarna van de functionaliteit van slaap.

Circuits

Het allereerste dat opvalt aan slaap is dat er zo veel van is. Ongeveer een derde van een heel etmaal. Dat wil zeggen: een derde van het leven. Terwijl er over de overige tweederde bekend is dat het vol zit met schier eindeloze variatie, is dat derde deel slaap een schijnbaar homogeen blok. Wat bij nadere beschouwing natuurlijk genuanceerder ligt, maar evengoed is de minder-genuanceerde blik bijzonder eentonig. Daarover later meer.

Het tweede dat opvalt, is dat het zeer plotseling komt: zo ben je nog wakker, en zo ben je weg. Terwijl er toch duidelijk meerdere factoren van invloed zijn op het al dan niet in slaap vallen. En als er meerdere factoren van invloed zijn, krijg je volgens een wiskundige wet normaliter een "normale verdeling" en een geleidelijke overgang.

Daaruit valt al meteen veel af te leiden: het systeem dat de overgang naar slaap regelt, is een snel systeem en het is vermoedelijk een aan/uit systeem.

De plaats en het werking van dit systeem, die schakelaar, is bekend. De plaats is de hypothalamus  , het orgaan dat ligt voor en tussen de twee thalamussen  . De thalamussen zijn er twee van en maken deel uit van het diencephalon  , het eerste deel boven de hersenstam  dat zichtbaar in twee helften is verdeeld. De hypothalamus is dat niet - daar is er maar één van. En slaap is ook een erg primitief verschijnsel. Ook het feit dat de hypothalamus samen met de hypofyse de zeer basale functie van de opwekking van hormonen  verzorgt, laat zien dat de hypothalamus (zowel als de hypofyse) functioneel tot de hersenstam behoort.

De hypothalamus is een verzameling van een veeltal aan kernen met eigen functies. Twee daarvan vormen de slaap-schakelaar - dit zijn de VLPO, de ventrolateral preoptic nucleus uitleg of detail ("aan de buikkant en zijkant liggende pre-optische kern") en de TMN, tubero-mammilary nucleus uitleg of detail ("in het midden liggende aan de mammilary bodies gerelateerde kern"). In de illustratie onder staat het basale circuit aan verbindingen (de illustraties vormgegeven als de volgende zijn afkomstig van hier uitleg of detail , die daar weer ontleend zijn aan uitleg of detail :

De pijltjes met een T-uiteinde staan voor neuron-verbindingen die het aangestuurde neuron, aan de T-kant, blokkeren - of in de neurologie gehanteerde terminologie: inhiberen  . De twee kernen blokkeren dus elkaar.
    Maar als de rechter de linker wil blokkeren, wordt dat tegengehouden door de linker die de rechter blokkeert. Kortom: dit is een instabiele toestand die op zichzelf heen-en-weer zou gaan staan flipperen. In de elektronica heet dat een flip-flop  (Wikipedia). Het is een schakelaar die aan en uit staat te flikkeren - ééntje precies in de middenstand. Maar als je één van de twee kanten een beetje voordeel geeft, dan slaat hij onmiddellijk de ander dicht. En zichzelf meteen volledig aan, dus. Een flip. En verplaats je dat beetje voordeel naar de andere kant, flopt de toestand de andere op (om dit te bereiken zijn er nog wat verbindingen nodig die boven niet zijn getekend - de simpelste elektronische flip-flop overeenkomend met boven staat hieronder:

De blokjes (logische "porten"  ) hebben dezelfde soort functie als de kernen, het doorgeven van signalen, en eigenlijk zijn de twee illustraties dus een kwart slag gedraaid ten opzichte van elkaar - de verbindingen tussen de kernen zijn de kruislingse verbindingen tussen de porten. De onderlinge signalen worden meestal uitgedrukt in 1 of "aan" en 0 of "uit". Het blokkeren of inhiberen is in het schema het rondje aan de rechterkant of uitgang van de port, dat staat voor "inverteren": 1 wordt 0 en omgekeerd - een 0 op één van de ingangen  van de port voorkomt dat deze een "één" afgeeft, oftewel: dat de port de volgende port exciteert.
    In het schema boven staan twee invoeren getekend, maar met wat extra port-elementen kan dat ook tot een één-ingangversie worden omgevormd.

Dit flip-flopcircuit vormt de kern van de aansturing van de slaap, zie onderstaande schema:

Het circuit wordt aangestuurd door andere delen van de hersenen, die dat doen onder andere aan de hand van de verstreken tijd sinds de vorige slaapperiode en de hoeveelheid daglicht. In de illustratie is dit getekend als de toevoer van de neurotransmitter  orexine (ORX) of hypocretine.

De TMN dient ook als uitgang van het circuit, zendende signalen aan de rest van de hersenen. In de tekening zijn daarvan aangeduid de LC of locus coeruleus of blauwe plek en de raphe nuclei of RN, beide zich bevindend in de hersenstam  , staande voor meer van die kernen. De LC is een bron van de neurotransmitter noradrenaline  of norepinephrine en de raphe nuclei zijn de bron van serotonine  . Samen met het bekendere dopamine en onbekendere acetylcholine zijn dit de belangrijkste modulerende neurotransmitters.

De aangegeven verbindingen naar LC en RN staan voor een veelheid van verbindingen naar wat heet het reticular activating system (RAS) of "waakzaamheidssysteem", ook gelegen in de hersenstam. De meest opvallende functie van dit systeem is het uitschakelen van het bewingsapparaat. Ook dit is een overduidelijke aan-uit functie. Die ook los van het slaap-waak-systeem kan functioneren zoals blijkt uit het verschijnsel van "flauwvallen".

Ook dit wijst dus op het sterk modulaire karakter van het systeem, onder andere zichtbaar in de diverse storingen erin, gezamenlijk geheten narcolepsie  (Wikipedia) of slaapstoornis. Een waarvan is slaapwandelen: de verbinding naar de bewegingsschakelaar disfunctioneert. Een ander is het omgekeerde van slaapwandelen: slaapverlamming: wakker zijn en niet kunnen bewegen.

Het waakzaamheidsysteem heeft op zich weer een veelheid van verbindingen naar het hele brein, en dat zijn de verbindingen die het brein omschakelen van de waak- naar de slaap-toestand.

De TMN produceert zelf een vijfde modulerende neurotransmitter: histamine  (Wikipedia). In de TMN zitten histamine-neuronen met vertakking naar bijna alle grotere hersenstructuren: de cortex  , thalamus, basale ganglia  , basal forbrain  en de hypothalamus.

Dit dus wat betreft de aansturing van de plotsheid van de overgang. Het meest zichtbaar in de bewegingsloosheid en het meest "voelbaar" in het verlies van bewustzijn.

Functie

Wetende hoe het schakelmechanisme ruwweg in elkaar zit, is de volgende vraag: wat is het doel ervan? Daarvoor is er een allang bekende aanwijzing: de slaapcyclus. Slaande op de bijna net zo oude kennis dat er tweede basisvormen van slaap bestaan: de diepe slaap en de zogenaamde REM-slaap, die elkaar met een regelmaat afwisselen - een cyclus. REM-slaap heet zo omdat in die periodes er snelle bewegingen van het (gesloten) oog (Rapid Eye Movemnts) zichtbaar zijn.

Het verschil is ontdekt aan de hand van de gemeten elektrische activiteit van de hersenen, het electro-encefalogram (EEG). Tijdens diepe slaap geeft dit een ander patroon dan tijdens REM-slaap (illustratie van hier  ):

En een typische slaap-cyclus ziet eruit als volgt (van hier uitleg of detail ):

Waarin binnen de diepe slaap nog meerdere fasen zijn aangegeven.

(Technische noot: dat tijdens waken en REM-slaap de EEG veel vlakker zijn, wijst niet op minder maar juist op méér activiteit in de hersenen. De EEG's zijn een optelling van talloze deelprocessen, en naarmate daar meer van zijn en ze ongecoördineerder zijn, tellen ze sneller op tot nul).

De eerste vraag: waarom die tweedeling? Wat is de functie daarvan?

Het antwoord, of beter: een antwoord, ligt in het verlengde van een nog fundamentelere vraag: wat is de functie van het bewustzijn? Op die fundamentele vraag is er best een fundamenteel antwoord te formuleren, afkomstig uit de evolutie: om beter te overleven. En ietwat minder fundamenteel: beter overleven door een beter kunnen voorspellen van gevaren en mogelijkheden.

En ook uit de evolutie tezamen met dagelijkse ervaringen komt de wetenschap dat de kunde van het voorspellen van gevaren en mogelijkheden iets is dat aangeleerd moet worden. En uit technologische ontwikkelingem tezamen met de groeiende kennis van de neurologie komt het sterke vermoeden dat dit soort leren de functie is van neurale netwerken  , gelaagde structuren van veel neuronen.

Wat die neurale netwerken dus moeten doen is waargenomen situaties vergelijken met bekende, en daaraan een waarde voor de waargenomen situatie ontlenen. Waarbij basaal is hoe uitgebreid en hoe correct het arsenaal van in het geheugen beschikbare situaties is.

En dat alles moet geleerd worden. Of in technische termen want een neuraal netwerk is een technisch iets: getraind.

Waarna de overblijvende vraag is: hoe train je een neuraal netwerk?

En op dit punt kan er overgestapt worden van de wetenschappelijke analyse, of speculatie, op de aanwezige kennis. Want (bijna) iedereen heeft daar ervaring mee. Het is hoe je een kind traint in het herkennen en evalueren van situaties.
  "Mama, auto!"
  "Ja, een rode auto".
  "Mama, waarom is die auto rood?"
  "Het is een brandweerauto".
  "Mama, een brandweerauto!"
  "Nee, dat is geen brandweerauto"
  "Maar hij is rood ..."
  "Maar een brandweerauto heeft ook een ladder".

Dit leren heeft twee hoofdfasen: "Uitvinden wat wel geldt", en "Uitvinden wat niet geldt". In technische toepassingen heet dit: het trainen op "false negatives" en het trainen op "false positives" uitleg of detail .

Dit zijn strevingen met een tegengestelde trend: trainen op false negatives probeert zo veel mogelijk in te sluiten - alle rode auto's worden brandweerauto's - het trainen op false positives probeert zo veel mogelijk uit te sluiten: al die rode auto's die geen brandweerauto zijn.

Het trainen op false negatives kan je doen met de werkelijke wereld: je voert zo veel mogelijk werkelijke ervaringen toe. Het trainen op false negatives moet het omgekeerde doen: het moet zo veel mogelijk niet bestaande situaties opvoeren: blauwe brandweerauto's.

Blauwe brandweerauto's bestaan niet. In de werkelijkheid. Maar wel in dromen. Net als al het niet-werkelijke kan voorkomen in dromen.

En weten we uit eigen ervaringen: dromen bestaan voornamelijk tot uitsluitend uit niet-werkelijke situaties.

En dat is dus de mogelijke functie van slaap en dromen: het trainen van de neurale netwerken op false positives.

En vandaar dat patroon in de slaapcyclus: eerst laat je het netwerk zo veel mogelijk erbij leren, en dan haal je er weer zo veel als noodzakelijk is van af. Diepe slaap, droomslaap, diepe slaap, droomslaap. Eerst grover, dan fijner. Zie het daadwerkelijke patroon.

Net zo lang tot alle ervaringen van de dag verwerkt zijn.

En wordt er niet genoeg geslapen, wordt het herkennen overdags steeds moeilijker, de dagelijkse inspanning steeds groter, en de mens steeds moeier.

Trouwens, het dier ook, waarop je het uit de slaap houden wel kan testen en het resultaat is dramatisch: langdurig uit de slaap gehouden dieren "worden gek" en gaan dood.

Structuren

De twee fasen van slaap trainen hetzelfde neurale netwerk. Bovendien is dat natuurlijk hetzelfde neurale netwerk dat het herkenningswerk overdag doet, waarvoor in de slaap zo nijver getrained is. Er moeten dus verbindingen lopen naar en van dat neurale netwerk om het van de gewenste informatie te voorzien, en daarin om te kunnen schakelen.

Aan de hand van deze lijst van eigenschappen kan het betrokken neurale netwerk makkelijk geïdentificeerd worden - voor welke identificatie meer aanwijzingen zijn: dit is de hippocampus  , en direct omliggende stucturen, tezamen het hippocampus-complex - hier is de globale locatie van de hippocampus zelf:

De interne structuur is zichtbaar in een doorsnede loodrecht op de lengte, met hier ook de bijbehorende structuren:

Waarin ook duidelijk is hoe de hippocampus is aangesloten op de rest van de cortex, via de tussengelegen entorhinal cortex. Daarvan is bekend dat het de ruimtelijke en vermoedelijk ook tijdsfactor toevoegd aan de ervaringen.
    De interne strutuur is zichtbaar hier:

Tonende de gebogen donkere lagen waarin de massa van de neuronkernen liggen, met de lichtere gebieden met de verbindingen naar elders.

Die verbindingen geven de signalen door vanaf de kop naar steeds verder in het nauwer uitlopende gedeelte, suggererende wat met onderzoeksresultaten uit 2013  bevestigd lijkt: de hippocampus vormt een filter dat ervaringen ontleedt in abstracte begrippen, zoals een individuele persoon ontleedt kan worden in man of vrouw, jong of oud, mooi of lelijk, blond of donker enzovoort. Bepaalde (combinaties van) neuronen, heeft men gevonden, komen overeen met bepaalde concepten.

En zo wordt dan ook omgekeerd uit de combinaties van waargenomen concepten een individueel persoon geïdentificeerd.

De hippocampus is dus het neurale netwerk dat "leert" - of getraind wordt. Tijdens de slaap. Tegelijkertijd worden de gedurende dag opgedane ervaringen geherevalueerd, en definitief opgeslagen in het geheugen, in de cortex. En de hippocampus zit dus in een circuit dat de toe- en afvoer schakelt, waarvan een deel weergegeven hier:

Dit circuit zelf is al langer bekend, en heet naar de ontdekker het Papez-circuit  , uitgewerkt als  (Wikipedia):
  hippocampal formation (subiculum; groen, onder) → fornix (gele boog) → mammillary bodies (gele bolletje aan einde boog) → mammillothalamic tract (van gele bolletje naar groene sikkel) → anterior thalamic nucleus (groene sikkel) → cingulum (groene boog) → entorhinal cortex → hippocampal formation.

In de tekening staat ook nog een aftakking naar links naar twee gele bolletjes, kernen. Dit staat voor een aftakking naar de septal nuclei en de nucleus accumbens  . Dit zijn de centra voor het positief waarderen van ervaringen. Hier niet ingetekend in verband met de duidelijkheid is een tweede circuit dat eindigt in de amygdala  , die het centrum is voor het negatief waarderen van ervaringen.

Dan is er van de in de inleiding genoemde kenmerkende eigenschappen van slaap en met name dromen nog eentje niet verklaard: hoe ontstaan de onwerkelijke beelden en gebeurtenissen van het dromen? Dat wil zeggen: het is meestal een combinatie van een "werkelijk" deel met een absurd. Die combinatie is te verklaren uit het omgekeerde filteerproces: de ervaringen zijn in de vorm van abstracte concepten opgeslagen in het geheugen, en bij het reconstrueren van de ervaringen uit de concepten kan je de boel meer of minder door elkaar gooien - verhakselen.

Dat door elkaar gooien moet ook ergens gebeuren, en de meest voor de hand liggende plaats is de zogenaamde substantia innominata, een gebied met een onregelmatige structuur en geen bekende functie, ook zittende in de naam ervan (die betekent: "onbenoemde materie"), maar wel zichtbaar hier:

Het is het donkerbruine gebied dat ook hier, zeer toepasselijk, niet benoemd is.

Oftewel: het antwoord op de vraag "Waar komen die nare dromen toch vandaan?" luidt: uit het poepbruine gebied!

Toepassingen

De waarde van een model wordt mede bepaald door de mate waarin het aansluit bij andere waargenomen verschijselen en andere kennis. In de neurologie is die kennis veelal nog steeds afkomstig van de aloude bron: storingen en uitval in het systeem.

Een lichte storing in de mechaniek van het boven geschtetse model kan leiden tot het voor het bewustzijn getoverd krijgen van beelden die er in de werkelijkheid niet zijn maar wel nog op de werkelijkheid lijken. Dat zijn hallucinaties.

Een zwaardere storing in het systeem is als het bewustzijn beelden voorgetoverd krijgt die deels door de verhakselaar in de substantia innominata is gegaan. Dat zijn in diverse mate absurde beelden. Dat sluit aan bij het verschijnsel "psychose".

Het kan dus ook zo zijn dat bij een lichte variant van dat laatste, mensen beelden of begrippen in het bewustzijn krijgen die weliswaar niet geheel reëel zijn, maar daar een wel welkome aanvulling op vormen.

Dan is ook ineens verklaarbaar het al langer geconstateerde verband tussen creativiteit, het nieuwe weten te verzinnen en vooral van meer kunstzinnige soort, en het meer voorkomen van psychose-achtige geestelijke kwalen bij die groep  .

Oftewel: het hier geschetste model legt een verband tussen een behoorlijk aantal verschijnselen, bijdragende aan de werkelijkheidswaarde ervan. Voor meer aanwijzingen uit de praktijk, zie hier  .

Meer over de structuur en functie van de hersenstam hier  - meer over de emotie-organen hier  - voor andere voorbeelden van dit soort technische processen in de neurologie, zie Cerebellum  en Oog  .


Naar Neurologie, organisatie  , of site home  .

 

 

15 mrt.2013; 28 jul.2014; 11 jun.2016