Neurovetenskap Studier av nervsystemet Varför intressant för kognitionsvetare? 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 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 Hjärnan är det mest aktiva organet i hela kroppen (förbrukar 15-20% av allt syre)

Neuropsykologi 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) Amnesi påverkar bara deklarativt minne. - Bevis för att deklarativt och procedurellt minne är biologiskt skilda åt

Neuroanatomi cerebral cortex cerebellum Hjärnstam motorik Smärta, sensibilitet Neuroanatomi cerebral cortex Omdöme, initiativ, planering, målinriktad aktivitet, Broca’s area: Produktion av språk Wernicke’s area: språkförståelse vision cerebellum Hjärnstam

Neuroanatomi a. Wernickes afasi c. Alexi men ej agrafi b. Brocas afasi MS

Hjärnans celler Gliaceller Neuroner 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) Neuroner

Neuronen Liknar andra celler men Mycket känslig för störningar i 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: ”Blod-hjärnbarriären”

Neuronens uppbyggnad dendriter cellkropp hillock axon cellkropp (soma): innehåller bl.a. cellkärnan och organeller som ser till att cellen mår bra dendriter = samlar upp input från andra neuroner, utformningen av dem ger en viss typ av neuron sitt karakteristiska utseende axon = ”bredbandskabel” (snabb) mellan neuronen och dendriter hillock = platsen där cellkropp och axon möts dendriter cellkropp hillock axon

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” Migrationsfel: dyslexi Aggregationsfasen: gruppering och positionering Differentiationsfasen: axoner växer, kopplingar formas, kretsar ”prunas” ner till funktionella vägar 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 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)

Topografiska kartor (1) Ex: beröringscentra i hjärnbarken

Topografiska kartor (2) Kan förändras pga yttre stimuli Kan variera något mellan individer Neuronnätverket bestäms av både genetiskt arv och miljö

Neuronens viloläge (1) Potentiell energi i och runt neuronen Cellmembranet separerar inre och yttre förhållandena DNA i cellkärnan är negativt laddat. Elektriska och kemiska krafter ger upphov till en potentiell energi i och runt neuronen. Detta är möjligt eftersom cellmembranet fungerar som en dammvägg mellan de inre och yttre förhållandena. DNA i cellkärnan är ett stort protein och alltså negativt laddat.

Neuronens viloläge (2) 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. I och runt neuronen finns bl a kalium-, natrium- och klorjoner (K+, Na+, C-). Natriumjoner (inklusive vidhäftande vattenmolekyler) är för stora för att penetrera cellmembranet. Kaliumjoner kan göra detta. Kalium dras in i cellen p g a elektrisk kraft. Klorjoner dras utåt p g a att kärnan är negativt laddad. Resultatet blir att det finns ett (kemiskt) 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) ”local potentials” – slö kommunikation nära vänner emellan ”action potentials” – blixtsnabb kommunikation för distansarbete ”local potentials” – slö kommunikation nära vänner emellan (cellkropp till cellkropp) ”action potentials” – blixtsnabb kommunikation för distansarbete (via axonen)

Neuronens kommunikation (2) - “local potentials” 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. I viloläget finns elektriska och kemiska krafter som drar natrium- och klorjoner mot neuronen och kaliumjoner ut ur denna. En receptor på neuronen retas av signalsubstans från en annan neuron. Portarna på receptorn öppnas under 1 ms. Natriumjoner strömmar in. Jonpumpen börjar arbeta för att återställa jämvikt genom att pumpa ut natriumjoner, men under tiden höjs spänningen i neuronen. Natriumjoner fördelar sig i neuronen och tunnas ut.

Neuronens kommunikation (3) - ”action potentials” 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 signaler kan både verka exciterande och hämmande på mottagarneuronen

Neuronens kommunikation (5) - avfyrningshastighet ”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 Ställe där neuroner utbyter info på kemisk väg Presynaptisk cell = sändare Postsynaptisk cell = mottagare

Neuronens kommunikation (7) - synapsen Bild från ett elektronmikroskop

Neurologi vs konnektionism 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