9789144138138 by Smakprov Media AB

KOGNITIV NEUROVETENSKAP NYA TEORIER OCH TILLÃ&#x201E;MPNINGAR

L ARS NYBERG

KOGNITIV NEUROVETENSK AP Nya teorier och tillĂ¤mpningar

Lars Nyberg

Tredje upplagan

Kopieringsförbud Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares och studenters begränsade rätt att kopiera för undervisningsändamål enligt Bonus Copyright Access kopieringsavtal, är förbjuden. För information om avtalet hänvisas till utbildningsanordnarens huvudman eller Bonus Copyright Access. Vid utgivning av detta verk som e-bok, är e-boken kopieringsskyddad. Den som bryter mot lagen om upphovsrätt kan åtalas av allmän åklagare och dömas till böter eller fängelse i upp till två år samt bli skyldig att erlägga ersättning till upphovsman eller rättsinnehavare. Studentlitteratur har både digital och traditionell bokutgivning. Studentlitteraturs trycksaker är miljöanpassade, både när det gäller papper och tryckprocess.

Art.nr 7867 ISBN 978-91-44-13813-8 Upplaga 3:1 © Författaren och Studentlitteratur 2002, 2008, 2020 studentlitteratur.se Studentlitteratur AB, Lund Formgivning inlaga: Werner Schmidt Ombrytning inlaga: Team Media Sweden AB Formgivning omslag: Francisco Ortega Omslagsbild: Shutterstock Författarfoto: Mattias Pettersson Printed by Dimograf, Poland 2020

INNEHÅLL

F Ö R O R D 11 I N L E D N I N G – F R A M VÄ X T E N AV KO G N ITIV N EU R OVETEN S K A P 13

Del I / Grunder

01 / Hjärnans struktur 19 Cellnivå 22 Cellgrupper i hjärnbarken 25 Subkortikala cellgrupper 27 Thalamus, hjärnstammen och cerebellum 28 Funktionella system 30 Transmittorsystem 33 Testfrågor 35 Referenser 36

02 / Metoder: koppla funktion till struktur 37 Patientstudier 37 Funktionell hjärnavbildning 39 Positronemissionstomografi 40 Functional magnetic resonance imaging 42 Konnektivitet – kartläggning av hjärnans funktionella nätverk under vila och uppgift 46 Elektromagnetiska metoder: EEG & MEG 48 Event-relaterad potential 48 Magnetoencefalografi 49

I nnehåll

Transkraniell magnetisk stimulering 49 Transkraniell strömsstimulering 50 Metodologisk pluralism: kombinera tekniker 50 Testfrågor 52 Referenser 52

Del 2 / Perceptions- och uppmärksamhetssystem

03 / Perception 57 Visuell perception 57 Vad och Var? 58 Är det något särskilt med ansiktsperception? 61 Visuell objektigenkänning – moduler, samverkande ensembler, topografi, och ”obligatorisk detektion” av ansikten 61 Komplex(are) visuell perception 62 Andra modaliteter 64 Auditiv perception 64 Somatosensorisk perception 64 Lukt-/smakperception 65 Tidsperception 66 Frontallobernas betydelse 66 Prediktion 66 Testfrågor 67 Referenser 67

04 / Uppmärksamhet 69 Exekutiv uppmärksamhet 69 Responskonflikter 69 Delad uppmärksamhet 70 Selektiv uppmärksamhet 71 Vakenhetsgrad 74 Saliensnätverket – en länk mellan extern och intern uppmärksamhet 76 Testfrågor 76 Referenser 76

I nnehåll

Del 3 / Minnessystem

05 / Arbetsminne 81 Indelning av minnesfunktioner 81 Arbetsminnets indelning 82 Informationsspecifika slavsystem 83 Centrala exekutiven 85 Ett nytt perspektiv – arbetsminne som en samling processkomponenter 89 Testfrågor 91 Referenser 91

06 / Långtidsminne 93 Modeller för långtidsminnet 93 Explicit/deklarativt minne 95 Episodiskt minne: minnesprocesser 95 Hjärnsystem för episodiskt minne 97 Semantiskt minne 103 Implicit/icke-deklarativt minne 105 Icke-associativt minne och betingning 105 Priming 105 Färdigheter 106 Minnessystem – hur ”rena” är de och hur samverkar de? 108 Testfrågor 108 Referenser 109

Del 4 / Kommunikationssystem

07 / Språk 115 Wernicke-Geschwind-modellen: insikter från afasi 115 Ett utvidgat språknätverk 117 Teckenspråk 120 Läsning 121 Dyslexi 124 Testfrågor 125 Referenser 125

I nnehåll

08 / Tolka och uttrycka emotioner 129 Viktiga hjärnregioner för emotioner 129 Emotionell perception 131 Emotionella minnen 132 Implicita emotionella minnen 133 Explicita emotionella minnen 134 Sociala samspel och kroppsspråk 135 Emotionell reglering och empati 137 Testfrågor 139 Referenser 139

Del 5 / Högre funktioner

09 / Medvetande 143 Metoder för att studera neurala korrelat till medvetande 143 Medvetande – posteriora hjärnregioner 145 Medvetande – frontala hjärnregioner 146 Nätverk i hjärnan och claustrum 148 Andra sätt att studera medvetandets neurala organisation 149 Posteriora hot zones och global hjärndynamik 151 Testfrågor 152 Referenser 152

10 / Exekutiva funktioner, kognitiv kontroll och en övergripande neurokognitiv arkitektur 155 Indelning av exekutiva funktioner 155 Mellanfunktionslikheter i aktiveringsmönster 156 Specialiserade exekutiva funktioner: skifta, uppdatera och inhibera 158 Komplexa exekutiva uppgifter 160 Wisconsin card sorting test 160 Tower of London 161 Beslutsfattande och bedömning 162 Dopamin, exekutiva funktioner och kognitiv kontroll 162 En övergripande neurokognitiv arkitektur 164 Testfrågor 166 Referenser 166

I nnehåll

Del 6 / Individuella skillnader

11 / Den föränderliga hjärnan 171 Genetiska faktorer 171 Tvillingstudier 172 Att koppla gener till funktion 172 Studier av enskilda gener 172 Studier på genomnivå 174 Miljöfaktorer: erfarenhet, expertis och livsstil 175 Övning 176 Expertis 178 Livsstilsfaktorer 179 Kombinerade faktorer 180 Testfrågor 181 Referenser 181

12 / Åldrande, sjukdom och skada 185 Den åldrande hjärnan 185 Kognitiv förmåga 185 Hjärnans struktur 186 Hjärnans funktion 187 Hjärnintegritet, hypoaktivering samt reserv och kompensation 188 Alzheimers demens 192 Hjärnskada 194 Testfrågor 196 Referenser 196 E N AV S LU TA N D E B L I C K F R A M ÅT: N YA S T U D I E O M R Å D E N O C H P O P U L AT I O N E R S A M T D EEP LEA R N I N G 199 R E G I S T E R 203

01 / Hjärnans struktur

Our first conclusion, then, is that a certain amount of brainphysiology must be presupposed or included in Psychology.

Ja m es 1890

Många författare har betonat hjärnans komplexitet, strukturellt såväl som funktionellt, och det går inte att fullständigt behandla detta område i ett enda kapitel. Men här presenteras grundläggande information om hjärnans struktur och funktion. Målsättningen är att ge tillräcklig bakgrundsinformation för att underlätta förståelsen av informationen i de kommande kapitlen. En mer komplett redogörelse för basal anatomi och fysiologi ges i specialiserade böcker (se t.ex. Gazzaniga, Ivry & Mangun 1998; Kandel, Schwartz & Jessell 2000). Hjärnan (encefalon) väger 1,3–1,5 kilo och ligger innesluten i olika skyddande hinnor innanför skallbenet, som också fungerar som skydd för hjärnan. Vid en första anblick kan den se ut som en enda klump, men dess funktion är beroende av aktiviteter i åtskilda regioner vars lokalisation definieras med olika termer som beskriver plats/riktning i hjärnan (se figur 1.1). Termerna dorsal/ventral anger hur något ligger i höjdled (eller mer specifikt om det är beläget mot ryggen eller magen till). En ventral region ligger nertill i hjärnan och en dorsal region ligger högre upp. Termen

middle (mellan) används för att ange en plats däremellan. Hur något ligger i höjdled kan även beskrivas med termerna superior (upptill i hjärnan) och inferior (nertill i hjärnan). För att beskriva om något ligger fram eller bak i hjärnan används termerna anterior (främre) och posterior (bakre). Slutligen, för att beskriva läge i sidled används termerna lateral (mot utsidan) och medial (mot mitten/insidan). I översiktsbilden över människans hjärna framgår av figur 1.2 a, med hjärnan sedd från sidan, att hjärnan faktiskt består av två hjärnor. Den övre hjärnan är den man vanligen syftar på när man pratar om hjärnan. För att skilja den från den nedre brukar den övre kallas för storhjärnan (cerebrum), men ofta används bara termen ”hjärnan”. Även i denna bok syftar ”hjärnan” på storhjärnan. Den nedre hjärnan kallas för lillhjärnan (cerebellum). I boken kommer termen cerebellum att användas för den lilla/nedre hjärnan. Cerebellum diskuteras senare i kapitlet. Som framgår av figur 1.2 b, som visar storhjärnan sedd ovanifrån, består hjärnan av två förbundna halvor (även cerebellum består av två halvor). Man brukar kalla hjärnhalvorna för hemisfärer, höger hjärnhalva och höger hemisfär avser alltså samma sak (hemi = halv; sfär = klot). Varje hemisfär delas i sin tur in i fyra lober. Deras utsträckning visas i figur 1.2 c. Framtill ligger en stor lob som heter frontalloben (även 19

D el I G r unde r

Lateral

Medial

Sagittalplan

Dorsal

Frontalplan Ventral Posterior Anterior Horisontalplan

HÖGER

VÄNSTER

Dorsal

Ventral FIGUR 1.1 Riktningsanvisningar i

kallad pannloben). På sidan ligger temporal loben (även kallad tinningloben). Upptill ligger parietalloben (även kallad hjässloben), och längst bak ligger occipitalloben (även kallad nackloben). Det bör noteras att varje lob har en medial yta i den fåra som separerar hemisfärerna (se figur 1.2 d där höger hemisfärs mediala yta visas). För frontal-, parietal- och occipitalloberna löper denna mediala yta upptill i hjärnan och inkluderar främre och bakre gyrus cingulum. Frontal-, temporal- och occipitalloberna har en medial yta nertill i hjärnan. Hjärnan kan vidare delas in utifrån de olika fåror (sulcus, flertal: sulci) och vindlingar (gyrus, flertal: gyri) som ytterligare delar in varje lob. Några av dessa är utmärkta i figur 1.2 e. En framträdande fåra är centralfåran (sulcus centralis), en annan framträdande fåra är sidofåran (sulcus lateralis). I både frontalloben 20

och temporalloben finns tre längsgående vindlingar (gyrus inferior, medius respektive superior). Dessutom finns ytterligare ett stort antal fåror och vindlingar, vilka är mer eller mindre starkt framträdande i olika individers hjärnor. Den fårade ytan som omsluter varje hemisfär kallas för hjärnbarken (eller kortex; båda dessa termer kommer att användas i boken). Hjärnbarken är ett några millimeter tjockt lager som består av fler än 100 miljarder neuron (nervceller i hjärnan). Många djur har en hjärna med slät yta men tack vare fårorna i människans hjärna får hjärnbarken en större yta än om den skulle ha varit slät. Det har uppskattats att fårorna innebär en utrymmesbesparing motsvarande ungefär en tredjedel av den totala barky tan (som är 2 200 till 2 400 cm 2). Det betyder att om barken inte hade varit fårad skulle vi ha behövt ha väldigt stora huvuden

hjärnan. Illustration: Lena Lyons.

0 1 H j ä r nans st r uktu r

Storhjärnan (cerebrum)

Främre och bakre gyrus cinguli Lillhjärnan (cerebellum)

Höger hemisfär Precentrala vindlingen Centralfåran och fåran Postcentrala vindlingen och fåran Vindlingar i frontalloben

Sidofåran

Vänster hemisfär

Frontallob

Temporallob

Parietallob

Vindlingar i temporalloben

Exempel på subkortikala strukturer

Occipitallob F

FIGUR 1. 2 A– F Översikt över människans hjärna. Illustration: Lena Lyons.

D el I G r unde r

Cellnivå Nervceller bildas under embryoutvecklingen i en process som står under stark genetisk kontroll (Rakic m.fl. 2004). Forskning under de senaste decennierna har visat att nybildning av neuron, neurogenes, också äger rum i vissa delar av den vuxna hjärnan. Neurogenes hos människor beskrevs först i en studie av Peter Eriksson (Eriksson m.fl. 1998). Andra svenska forskare har också gjort viktiga insatser inom detta fält och bland annat påvisat att neurogenesen fortgår på ett dynamiskt sätt i vissa delar av hjärnan (se t.ex. Spalding m.fl. 2013). Endast drygt två decennier har gått sedan den första publikationen 1998 och fortsatt intensiv forskning pågår. Arbetet inkluderar centrala frågor, som hur högt upp i åldern neurogenes kan ses (Boldrini m.fl. 2018; Sorrells m.fl. 2018) samt hur de nya cellerna inkluderas i och bidrar till existerande funktionella nätverk (se Kempermann m.fl. 2018). Ett neuron består av flera delar (figur 1.3). En del utgörs av cellkroppen (soma) som inkluderar det maskineri som håller cellen vid liv (t.ex. styr metabolism och produktion av proteiner) och som omsluts av ett cellmembran. Cellkroppen skiljer sig åt mellan olika slags neuron. Ett exempel ges i figur 1.3. Ett annat exempel är pyramidalneuron vilka, som namnet antyder, har en pyramidformad cellkropp. En annan del hos neuronet är dess dendriter (dendron = träd på grekiska). Detta är en trädliknande struktur som leder information till neuronet. Dendriter kan anta olika former, 22

vissa har rika förgreningar, medan andra har en enklare struktur. En tredje, viktig del av neuronet kallas axon. Genom axonet färdas elektriska signaler från cellkroppen till den plats där neuronet ska föra över information (ändknopparna, se figur 1.3). Ett neurons huvudsakliga funktion har att göra med överföring av information. Grunden för detta är att ett mottagande neuron mottar en signal från ett sändande neuron. Detta sker via en synaps som vanligen involverar det sändande neuronets axon och det mottagande neuronets

Dendrit

Cellkropp med kärna

Axon

Myelinskida Ändknoppar

FIGUR 1.3 Viktiga delar av nervceller (neuron). Illustration: Lena Lyons.

för att få rum med motsvarande barkyta. Det skulle naturligtvis ha inneburit problem, bland annat vid barnafödande. Under hjärnbarken finns flera viktiga så kallade subkortikala strukturer (figur 1.2 f). Dessa diskuteras senare i kapitlet. Härnäst behandlas den cellulära nivån.

0 1 H j ä r nans st r uktu r

dendrit och/eller cellkropp (figur 2.4). Ett givet neuron mottar information från många sändande neuron. Vissa av de signaler som kommer ökar sannolikheten för att det mottagande neuronet ska skicka ut en signal i sin tur. Sådan stimulering kallas exciterande (stimulerande). Andra signaler minskar sannolikheten för att det mottagande neuronet ska skicka en signal, och dessa kallas inhiberande (hämmande). Om den totala stimuleringen är sådan att det mottagande neuronet skickar en signal (dess tröskelvärde överskrids = summan av excitatorisk input överskrider summan av inhiberande input), så sker detta i form av att en så kallad aktionspotential löses ut. Detta leder till att en ström färdas ner genom det mottagande neuronets axon. Då denna når slutet på axonet, terminalknapparna, gör den att ämnen som kallas för neurotransmittorer frigörs från ”blåsor” i terminalknapparna. Dessa neurotransmittorer färdas över ett smalt mellanrum som separerar det sändande axonet från den mottagande dendriten (eller cellkroppen). Detta mellanrum kallas för den synaptiska klyftan (se figur 1.4). På den mottagande sidan av den synaptiska klyftan (postsynaptiska sidan) når neurotrans mittorn olika receptorer som finns på ytan av det mottagande neuronets dendritträd och cellkropp. Återigen bestämmer den totala kombinationen av exciterande och inhiberande stimulering om sannolikheten ökar eller minskar för att det mottagande neuronet i sin tur ska utlösa en signal. Det finns ett stort antal neurotransmittorer. Den vanligaste stimulerande neurotransmittorn är glutamat och den vanligaste hämmande transmittorn är GABA. Det räcker dock inte att beakta typen av neurotransmittor; samspelet mellan den mottagande receptorn och den specifika neurotransmittorn definierar

Blåsor

Presynaptiskt membran

Synapsklyfta Postsynaptiskt membran FIGUR 1.4 Synaps: Överföring av information mellan neuron. Illustration: Lena Lyons.

om informationsöverföringen blir stimulerande eller hämmande (en transmittor kan verka exciterande i samverkan med en viss receptor och inhiberande i samverkan med en annan receptor). Här kan noteras att ett neuron inte endast frisätter en typ av neurotransmittor, utan kan frisätta två, tre eller fler transmittorer. Möjligheten att frisätta en kombination av olika neurotransmittorer ökar sannolikt hur komplex en överförd signal kan bli (t.ex. en transmittor kanske snabbt sätter igång en process, medan en annan påverkar hur länge processen ska pågå). Här kan vidare noteras att den effekt som en neurotransmittor har på mottagarreceptorer kan vara av olika slag. En typ av effekt (ionotropic effect) är snabb och kortvarig (effekten varar upp till 20 ms) och verkar genom att jonkanaler öppnas direkt. Denna effekt ligger till grund för exciterande och inhiberande synapser som till exempel överför information om beröring (måste ske snabbt). En annan typ av effekt (metabotropic effect) är långsammare men kan vara mycket längre (sekunder till minuter). 23

D el I G r unde r

så kallade Ranvier-noderna). Därigenom kan man säga att signalen hoppar mellan noderna och snabbt propageras ner till ändknopparna. Länge trodde man att gliacellerna hade enbart stödjande uppgifter. Men på senare tid har mer komplexa funktioner också börjat tillskrivas gliacellerna, inklusive en roll i signal överföring (Perea & Araque 2007). Som noterades ovan består hjärnbarken av neuron. Mer specifikt består hjärnbarken av en hög andel cellkroppar, dendriter samt vissa axoner. Omedelbart under hjärnbarken finns det mängder av axoner. Flera av dessa axoner är täckta av myelin. Denna kontrast mellan en hög andel cellkroppar i barken och en hög andel myeliniserade axon därunder skapar en färgkontrast: Hjärnbarken framstår som gråaktig i färgen medan myelinet är vitaktigt. Detta har lett till att man skiljer mellan grå och vit substans (grey/white matter, figur 1.5). Kopplingarna mellan neuron är alltså centrala för informationsöverföringen och därmed också för hjärnfunktionerna. Sådana kopplingar är inte osystematiska utan utgörs Grå substans Vit substans

FIGUR 1.5 Kontrast mellan grå och vit substans. Illustration: Lena Lyons.

Denna effekt innebär att information via ett så kallat second-messenger-system når områden inom cellen och indirekt påverkar öppnandet av jonkanaler. Denna långsammare effekt är till exempel viktig för enkla former av minne. En variant av den långsammare effekten innebär att cellens genetiska uttryck påverkas så att ny proteinsyntes initieras. Denna variant är viktig för långtidsminnesfunktioner och för utvecklingsrelaterade effekter (det vill säga för förändringar som ska bestå över lång tid). En viktig faktor i informationsöverföring är med vilken hastighet signalerna färdas. Det tar längre tid för signaler (aktionspotentialer) att propageras genom långa än genom korta axoner, men även för långa axoner är det viktigt att en snabb signalöverföring är möjlig. Ett exempel på detta är informationstransporten från en giraffs hjärna. Den långa halsen gör att dessa signaler måste färdas flera meter, samtidigt som koordineringen av inkommande information och till exempel giraffens rörelser kräver en snabb förmedling av signalerna. En faktor som gör att signalen kan färdas snabbt genom axoner är att axonerna är isolerade med myelin (se figur 1.3). Myelin produceras av den andra huvudsakliga celltypen som finns i hjärnan, utöver neuron, nämligen gliacellerna. Proportionerna mellan de två celltyperna i hjärnan är ungefär tio gånger fler gliaceller än neuron. Glia betyder lim och cellerna har neuronstödjande funktioner. Den viktigaste av dessa stödfunktioner är sannolikt att bilda myelin. Över föringen av signaler går betydligt snabbare i de axon som är isolerade med myelin (hastigheten kan vara 120 meter/sekund jämfört med endast upp till 10 m/s för icke-myeliniserade axoner). Detta beror på att aktionspotentialer inte behöver genereras så ofta om axonet täcks av myelin – det räcker att göra det vid mellanrummen som finns i myelinlagret (de

0 1 H j ä r nans st r uktu r

av väl definierade nätverk. Nästa avsnitt behandlar kopplingar inom och mellan neurongrupper.

Cellgrupper i hjärnbarken

Som nämnts ovan är hjärnbarken endast några millimeter tjock (den genomsnittliga tjockleken är tre millimeter). Inom barken är neuron grupperade i lager och kolumner (figur 1.6). Närliggande kolumner utgör funktionella enheter (neuronal ensembles), och det finns rikligt med kopplingar mellan neuron inom varje funktionell enhet. Huvudsakligen består barken av sex distinkta lager (neokortex), men vissa äldre delar av hjärnbarken har en annan struktur (allokortex, med tre lager, diskuteras i samband med det limbiska systemet). Det finns även kopplingar mellan många funktionella grupper (figur 1.7). Mycket tyder

på att samspel mellan olika funktionella grupper utgör basen för många mentala funktioner. Generellt står varje region inom en hemisfär i förbindelse med motsvarande region i den motsatta hemisfären. Den största förbindelsen mellan de två hemisfärerna är hjärnbalken (corpus callosum, figur 1.7 a). För förbindelser mellan mer inferiora regioner är främre och bakre kommissuren viktiga. Inom varje hemisfär finns rikligt med kopplingar mellan posteriora och anteriora regioner via inferiora och superiora samlingar av axoner. Sådana löper både lateralt och medialt (figur 1.7 b). Dessutom finns ytterligare ett stort antal förbindelser mellan närliggande områden. Olika funktionella områden kan delas in i primära respektive sekundära regioner och tertiära associationsområden. En primär region står i direkt förbindelse med ett område utanför hjärnan. Det kan vara regioner som mottar

FIGUR 1.6 Lager och kolumner av neuron i hjärnbarken. Källa: Biological Psychology, 6 uppl., av J.W. Kalat (1998). Återgiven med tillstånd av Wadsworth, an imprint of the Wadsworth Group, a division of Thomsen learning.

D el I G r unde r

Hjärnbalken (corpus callosum)

Arcuate fibers

Superior longitudinal fasciculus Cingulum

Främre hjärnkommissuren (commissura anterior)

Uncinate fasciculus

Inferior longitudinal fasciculus

FIGUR 1.7 A– B Förbindelser mellan olika neurongrupper. Illustration: Lena Lyons.

turerade och organiserade delade Brodmann in hjärnbarken i ett 50-tal numrerade områden (se figur 1.8). Denna indelning kallas en Brodmann-karta. Basen för denna indelning var alltså strukturell snarare än funktionell, men det finns en motsvarighet (åtminstone grovt sett) mellan Brodmann-areor och olika primära och sekundära regioner. Vidare är det vanligt att resultat från funktionella hjärn avbildningsstudier rapporteras i termer av Brodmann-areor (BA).

FIGUR 1.8 Brodmann-karta.

visuell information från ögonen eller sensorisk information från hudreceptorer, eller regioner som överför signaler till muskler så att individen kan utföra olika rörelser. Sekundära regioner står i nära förbindelse med primära regioner, och deras funktion handlar om ett fortsatt processande av den information som deras respektive primära region sänder ut eller tar emot. Senare i kapitlet kommer olika primära och sekundära regioner att identifieras i samband med diskussionen av somatosensoriska och motoriska bansystem. Tertiära (högre ordningens) associationsområden kallas de delar av hjärnbarken som har funktioner som inte enbart är förknippade med sensorik eller motorik. Dessa regioner har traditionellt sammankopplats med ”högre” mentala funktioner som minne, språk och uppmärksamhet. Ett annat sätt att dela in hjärnan i funktionella områden baseras på en så kallad cytoarkitektonisk analys som gjordes av Brodmann i början på 1900-talet (Brodmann 1909). Utifrån likheter och skillnader i hur neuron är struk-

0 1 H j ä r nans st r uktu r

Subkortikala cellgrupper I det här avsnittet dyker vi ner under hjärnbarken för att titta närmare på några viktiga subkortikala strukturer, med fokus på dem som är centrala för diskussionen av hjärn aktiveringsdata. Men innan dessa strukturer presenteras ska hjärnans hålrum, ventriklarna, nämnas helt kort. Dessa hålrum är förbundna med varandra och innehåller en vätska som kallas cerebrospinalvätska (CSV) eller likvor. Likvor produceras kontinuerligt i hjärnan och cirku lerar i ventriklarna och i det hålrum som separerar hjärnbarken från de hinnor som omsluter hjärnan. Vätskan innehåller bland annat proteiner och glukos och har en viktig stödjande funktion. Hjärnan innehåller inga ben eller liknande som hjärnans mjukdelar är uppbyggda kring, men genom att hjärnan ”flyter” i likvor blir trycket på skallbasen inte högre än på andra områden. En annan viktig funktion som likvor har är att reducera de skakningar som hjärnan utsätts för vid kraftig acceleration eller inbromsning, exempelvis om man ramlar eller får ett slag mot huvudet. De första av de subkortikala regionerna att presenteras här är medialt placerade i temporalloben: hippocampus och amygdala (figur 1.9 a). Hippocampus består av flera delområden, så kallade subfält (subfields; CA1–CA4, dentate gyrus) som är sammankopplade med varandra och bildar en krets för signalöverföring in till, respektive ut från, hippocampus (figur 1.9 b). Hippocampus är sammankopplat med många kortikala och subkortikala områden och integrerar information från olika sinnesmodaliteter. Inkommande information till hippocampus går via en del av den närliggande barken (enthorhinal cortex). Utgående information

från hippocampus, huvudsakligen pyramidalneuron, passerar genom fornix (en samling vitsubstansfibrer, se figur 1.9 a) och når subkortikala (thalamus, mammillärkropparna) och kortikala (septum) områden. Hippocampus har förknippats med vissa former av minne. I kapitel 6 avhandlas kopplingen mellan de olika subfälten i hippocampus och specifika minnesprocesser (pattern completion; pattern separation). Amygdala består av 13 olika kärnor och ligger anteriort om hippocampus. Amygdala har rikligt med kopplingar till såväl hippo campus som till kortikala regioner. Särskilt bör kopplingarna mellan amygdala och den så kallade limbiska loben betonas. Den limbiska loben omfattar hippocampus och dess närliggande barkområden samt delar av mediala Gyrus cinguli Thalamus

Hjärnbalken Fornix

Luktbulb (bulbi olfactori)

Hippocampus

Mammillarkropparna (corpus mammillaria)

Amygdala

Entorinal cortex (EC)

CA1

CA3

Gyrus dentatus (DG)

Perforantbanan

FIGUR 1.9 A Hippocampus och amygdala med flera subkortikala strukturer. B Illustration av subfält i hippocampus. Illustration: Lena Lyons.

D el I G r unde r

funktioner, vilket illustreras av att patienter som lider av Huntingtons sjukdom även har kognitiv problematik.

Thalamus, hjärnstammen och cerebellum Thalamus ligger centralt i hjärnan och kan sägas kröna hjärnstammen (figur 1.11 a). Det är en bilateral struktur, det vill säga det finns en vänster och en höger thalamus. Vardera thalamus kan vidare delas in i ett antal kärnor (figur 1.11 b). Dessa kärnor fungerar som omkopplingsstationer för så gott som all inkommande sensorisk information till hjärnbarken (det enda undantaget utgörs av luktinformation). De olika kärnornas engagemang beror på typen av information som behandlas (t.ex. visuell kontra auditiv). Thalamus är dock mer än endast ett relä genom att den har reciproka (tvåvägs-) förbindelser med flera kortikala och subkortikala strukturer. Dessa förbindelser utgör neurala kretsar som är involverade i många kognitiva och motoriska funktioner. Under thalamus ligger hypothalamus som består av en samling olika cellkärnor. Hypo thalamus är en liten struktur, men den är viktig för många basala funktioner som hunger, törst, sexualitet och temperament. Hormoner som produceras av hypothalamus kontrollerar det

BASALA GANGLIERNA: Thalamus

Nucleus caudate Putamen Globus pallidus Subtalamiska kärnan Substantia nigra

FIGUR 1.10 Basala ganglierna (globus pallidus, nucleus caudatus och putamen). Illustration: Lena Lyons.

hjärnbarken i frontal- och parietalloben (inklusive främre och bakre gyrus cingulum). Dessa mer primitiva delar av mediala barken (allokortex) har en trelagersstruktur och inte den typiska sexlagersstrukturen som utmärker neokortex (den nya barken). Kopplingar mellan amygdala, den limbiska loben och andra subkortikala strukturer (inklusive thalamus, hypothalamus och basala ganglierna) utgör det limbiska systemet som kommer att diskuteras vidare i kapitel 8, om emotioner. Ytterligare en samling subkortikala kärnor är de basala ganglierna. Dessa kan delas in på olika sätt, men tre huvudkärnor är globus pallidus, nucleus caudatus och putamen (figur 1.10). Dessutom brukar den subtalamiska kärnan och substantia nigra inkluderas i basala ganglierna. Basala ganglierna är förknippade med motoriska funktioner (diskuteras vidare nedan). Huntingtons sjukdom, som innebär grava problem med motorisk kontroll, utmärks av celldöd i basala ganglierna. Parkinsons sjukdom är också en sjukdom som inbegriper de basala ganglierna. Sjukdomen innebär sänkt dopaminnivå vilket är relaterat till celldöd i substantia nigra (se nedan), från vilken dopaminerg input går till striatum (striatum är ett samlingsnamn för nucleus caudatus och putamen). Förutom motorik är basala ganglierna förknippade med vissa kognitiva

0 1 H j ä r nans st r uktu r

Superior Till cingulum

Posterior

VA VL

Inferior

FIGUR 1.11 Thalamus: A kopplingar till kortex, B thalamuskärnor (P = pulvinar, KK = laterala och mediala knäkropparna).Illustration: Lena Lyons.

endokrina systemet. Detta sker i nära samspel med hypofysen som ligger omedelbart under hypothalamus. Det endokrina systemet består av ett antal cellgrupper (inklusive hypofysen) som frisätter hormoner i blodflödet (t.ex. vasopressin som reglerar vattenutsöndring genom urin och oxytocin som stimulerar mjölkutdrivning under amning). Blodet för med sig hormonet till celler som har receptorer för just det hormonet (t.ex. mottagarceller i njurarna för vasopressin). Hypothalamus mottar information från det limbiska systemet, från näthinnan (retina) i ögat och från den retikulära formationen i hjärnstammen (se hjärnstammen nedan). Den senare informationen ligger till grund för kontroll av sömn- och vakenhetscykeln (circadian rhythm). Tillsammans med ytterligare två små strukturer, epithalamus, och subthalamus, utgör thalamus och hypothalamus ”mellanhjärnan” diencephalon. Efter denna diskussion av den ”övre” hjärnan (storhjärnan (cerebrum) kommer den ”nedre” hjärnan, (cerebellum), tillsammans med hjärnstammen att kort diskuteras (figur 1.12). Hjärnstammen kan delas in i tre delar. Omedelbart under mellanhjärnan (diencefa-

lon) tar mitthjärnan (mesencephalon/midbrain) vid. Under denna finns bryggan (pons) och under denna finns i sin tur förlängda märgen (medulla oblongata) som övergår i ryggraden. Dessa delar av hjärnstammen innehåller motoriska och sensoriska neurongrupper som är kritiska för neurotransmittorsystem och vitsubstansbanor som leder sensorisk information till hjärnan och överför utgående motorsignaler. Neurongrupperna i hjärnstammen är även kritiska för vitala funktioner som andning och vakenhetsgrad. Skador i denna del av centrala nervsystemet kan få mycket svåra konsekvenser. Mer specifikt inkluderar mitthjärnan neurong rupper involverade i visuomotoriska funktioner (t.ex. superior colliculus), överföring av auditiv information (inferior colliculus) och koordinering av motorik (den röda kärnan, nucleus ruber, och den svarta kärnan, substantia nigra). Mitthjärnan inkluderar också delar av den retikulära formationen (andra delar ingår i pons och medulla). Denna formation är förknippad med funktioner som vakenhetsgrad, andning, och hjärtverksamhet, och kommer att behandlas vidare i kapitel 4 om uppmärk29

D el I G r unde r

Höger hemisfär Hjärnbalken (corpus callosum)

Mellanhjärnan (diencefalon) Mitthjärnan (mesencefalon) Lillhjärnan (cerebellum) Pons Medulla Ryggmärgen

FIGUR 1.12 Hjärnstammen och cerebellum. Illustration: Lena Lyons.

Funktionella system Med utgångspunkt från de olika regioner som har diskuterats ovan kan olika funktionella bansystem identifieras och merparten av den resterande delen av boken handlar om att identifiera sådana system. I detta avsnitt presenteras grundkomponenterna i några sensoriska och motoriska system. Syninformation projiceras från ögat genom synnerven (nervus opticus) som via laterala knäkroppen (nucleus geniculatus lateralis) i thalamus når primära syncortex i occipitalloben, det vill säga Brodmann-area (BA) 17. Förbindelsen mellan ögat och primära synbarken är sådan att information från vänster synfält projiceras till höger hemisfär och vice versa (figur 1.13). Det är dock viktigt att påpeka att en viss andel av fibrerna från ögat (cirka 10 procent) når andra delar i hjärnan än primära synbarken, som pulvinar i thalamus och colliculus superior i mitthjärnan. Detta kan förklara

samhet. Neurongrupper i bryggan medierar hörsel- och vestibulära (balans-) funktioner. I förlängda märgen ingår neurongrupper (olivkärnorna; nucleus olivarius) som mottar information från storhjärnbarken och den röda kärnan i mitthjärnan och projicerar den vidare till cerebellum. Cerebellums anatomi liknar storhjärnans i det att cerebellum har både hjärnbark (grå substans), subkortikala cellgrupper och vit substans. Input till cerebellum kan projiceras kortikalt såväl som subkortikalt, och kommer huvudsakligen från motoriska och sensoriska storhjärneområden. Banorna är korsade så att höger storhjärnehemisfär är förbunden med vänster hemisfär i cerebellum. Generellt har cerebellums funktionella roll definierats som motorisk, men cerebellum är också involverad i kognitiva funktioner, vilket kommer att framgå av senare kapitel.

0 1 H j ä r nans st r uktu r

att patienter med skada i synbarken ändå kan ha förmåga att identifiera var objekt är belägna (så kallad blindsyn/blindsight). I primära syn barken processas elementär visuell information (som horisontell och vertikal lutning) av specialiserade neuron, och från primära synbarken utgår två specialiserade synbanor (figur 1.14). Den ena banan, den ventrala, löper nertill i hjärnan och den andra, den dorsala, löper högre upp i hjärnan. Den ventrala banan kallas ofta för ”Vad-banan” eftersom den inkluderar neurongrupper som är kritiska för objektigenkänning (det vill säga att kunna känna igen vad man ser). Detta diskuteras mer i kapitel 3. Den dorsala banan brukar benämnas ”Var-banan”, eftersom områden i denna bana är viktiga för att bestämma olika objekts spatiala placering (det vill säga var de är belägna i rummet). Många situationer kräver givetvis att man beaktar både information om vad och var, och det finns rika kopplingar mellan banorna (som via pulvinarkärnan i thalamus). Auditiv information projiceras från örat via subkortikala relästationer (som colliculus infe-

Vänster synfält

rior) och mediala knäkroppen (nucleus geniculate medialis) i thalamus till primära och sekundära auditiva kortex i temporalloben (BA 41 och 42/43; Heschls gyri). Därifrån går information vidare till närliggande kortexområden för ytterligare bearbetning. Olika auditiva bansystem som liknar det visuella systemet har påvisats. En mer ventral bana aktiveras för att bestämma vad det är man hör, medan en mer dorsal bana analyserar var ljudet kommer ifrån. Vissa neuron i parietalloben aktiveras av analys av spatial position för både visuell och auditiv information (Bushara m.fl. 1999), och regional specialisering för analys av vad respektive var för både auditiv och visuell information har påvisats i frontala områden (Squire & Kandel 2000). Detta tyder på att modalitetsspecifika funktionella system (relaterade till ett visst sinne) konvergerar i mer generella transmodala system (över flera sinnen). Det motoriska systemet brukar sägas vara hierarkiskt organiserat. På en lägsta nivå finns ryggraden som kan sägas förbinda det centrala nervsystemet med musklerna. Enkla

Höger synfält

Näthinnan Synnerven Synnervskorsningen Övre kollikeln

Synbarken

Laterala knäkroppskärnan i thalamus

FIGUR 1.13 Synbanorna från öga till hjärna. Vägen från näthinnan till synbarken via de laterala knäkroppskärnorna i thalamus. Observera att information från det högra synfältet (allting till höger om du tittar rakt fram) som kommer in genom båda ögonen kommer att föras till vänster occipitallob. Visuell input från det vänstra synfältet förs på samma sätt till höger occipitallob. Illustration: Lena Lyons.

D el I G r unde r

Parietalloben

Temporalloben

”V AR

”

V3 V4

V2 V2 ”VAD”

reflexiva rörelser kan kontrolleras på den här nivån. Högre nivåer inbegriper cellgrupper i hjärnstammen, cerebellum, basala ganglierna och kortikala motoriska områden (figur 1.15). Motorkortex kan delas in i en primär area (BA 4), sekundär/premotorarea (laterala delar av BA 6) och supplementära motorarean (mediala delar av BA 6). De senare har förbindelser med många olika delar av hjärnan, inklusive frontala delar som är placerade anteriort om motorkortex (prefrontala kortex, prefrontal cortex, PFC). Omedelbart bakom centralfåran finns de primära och sekundära somatosensoriska delarna av parietalloben (BA 1–3, figur 1.15). Dessa delar har många kopplingar till mer posteriora, parietala regioner. Via cellkärnor i thalamus registrerar neuron i det somatosensoriska området information om beröring, smärta, temperatur och positionering av extremiteter (t.ex. händer och fötter). De aktiveras också då vi försöker identifiera föremål med exempelvis händerna (som att leta i fickan efter en viss sak). För både somatosensoriska och motoriska barken gäller en särskild intern organisation (figur 1.16). I motoriska barken är mer dorsalt belägna områden förknippade med de nedre kroppsdelarna (t.ex. ben och fötter) och mer 32

FIGUR 1.14 Dorsal och ventral synbana. V1 motsvarar primära synbarken. För förklaring se texten. Illustration: Lena Lyons.

Sekundära motoriska cortex

Primära motoriska cortex Centralfåran

Centralfåran

Somatosensoriska cortex

B FIGUR 1.15 A– B Motoriska och sensoriska kortex. Illustration: Lena Lyons.

MT (V5)

0 1 H j ä r nans st r uktu r

Somatosensoriska hjärnbarken

ventrala områden kontrollerar de övre kroppsdelarna (t.ex. delar av ansiktet). I figuren representeras mer finmotoriska kroppsdelar (t.ex. fingrarna) av en större del av motoriska barken. På liknande sätt är större delar av somatosensoriska barken involverade i att registrera information från kroppsdelar som är särskilt känsliga för beröring och stimulering.

Transmittorsystem Ovanstående diskussion av funktionella system, det vill säga system av samverkande regioner, kan relateras till transmittorsystem. Med detta avses förbindelser till olika delar av hjärnan från cellgrupper (t.ex. i hjärnstammen) som producerar en viss neurotransmittor. Flera olika familjer av transmittorer har identifierats (Rosenzweig, Breedlove & Watson 2005). Nedan presenteras de kolinerga, dopa minerga, serotonerga samt aminerga systemen i korthet. Kolinerga systemet: Acetylkolin är en central neurotransmittor som verkar på kolinerga receptorer. Celler med sådana receptorer finns

Motoriska hjärnbarken

FIGUR 1.16 Organisation av motoriska och somato sensoriska hjärnbarken. Illustration: Lena Lyons.

bland annat i nedre främre delen av hjärnan och har kopplingar till större delar av hjärnbarken och även till subkortikala områden som hippocampus och amygdala (figur 1.17 a). De kolinerga receptorerna delas in i nikotin- och muskarinreceptorer. Ǵ Nikotinreceptorerna är huvudsakligen av den snabba (jonotropiska) typen och har vanligen en exciterande effekt. Ǵ Muskarinreceptorerna är av det långsammare (metabotropa) slaget och kan vara antingen exciterande eller inhiberande. Acetylkolin har betydelse för kognitiva funktioner som inlärning och minne. Om de kolinerga receptorerna blockeras farmakologiskt (med t.ex. skopolamin) kan det leda till en kognitiv nedsättning av övergående natur. Mer permanent påverkan på det kolinerga systemet, som hos patienter med Alzheimers demens, förknippas också med kognitiva nedsättningar. Dopaminerga systemet: Förbindelser där dopamin är neurotransmittor går från den 33

D el I G r unde r

Kolinerga systemet A

Mesocorticala banan

Nigrostriatala banan Mesolimbiska banan

Dopaminerga systemet

Serotoninsystemet

FIGUR 1.17 A– C Transmittorsystem. Illustration: Lena Lyons.

0 1 H j ä r nans st r uktu r

svarta substansen i hjärnstammen till delar av basala ganglierna (så kallad nigrostriatala banan; figur 1.17 b). Den nigrostriatala banan är central för motorisk kontroll och är påverkad hos patienter med Parkinsons sjukdom. Förbindelser går även från VTA-området i hjärnstammen till mediala temporalloben med amygdala (mesolimbiska banan) och till kortikala delar, inklusive frontalloberna (mesokortikala banan). Dessa bansystem har betydelse för såväl emotionella som kognitiva funktioner och de är påverkade hos patienter som lider av schizofreni. Det finns flera olika dopaminreceptorer (D1–D5). Receptorer av D1-typen (D1 och D5) är vanligare än recep torer av D 2-typen (D 2–D4). I striatum finns båda typerna av receptorer medan D1-receptorer dominerar i kortex. Serotonerga systemet: Serotonin bildas i raphekärnorna i hjärnstammen. Därifrån utgår projektioner till stora delar av hjärnan (figur 1.17 c). Ett flertal serotoninreceptorer har identifierats (5HT1–5HT 15). Serotonin är viktigt för många basala funktioner som känsloliv, sömn, hunger och sexualitet. Läkemedel mot depression har till funktion att öka halten av serotonin i synapserna. Aminerga systemet: Ämnesgruppen amino syror inkluderar såväl hjärnans vanligaste exciterande transmittor, glutamat, som dess vanligaste inhiberande transmittor gamma aminosmörs yra (gamma aminobutyric acid, GABA). Dessa transmittorer cirkulerar lokalt i synapsregionen (Brodin 2007). Ǵ Glutamat aktiverar två slags jonotropa receptorer (N-metyl-D-aspartat, NMDA, och alfa-amino-3-hydroxi5-metyl-4-isoxazol-propionsyra, AMPA), och även flera metabotropa receptorer (metabotropic glutamate

receptor, mGluR). Stroke och skallskada kan medföra en ohämmad frisättning av glutamat, vilket i förlängning kan medföra att omgivande celler överstimuleras och dör. Ǵ Det finns tre huvudtyper av GABA- receptorer (GABA A–GABAC), vissa snabba och andra långsamma. Substansen utövar en viktig inhiberande effekt på neural aktivitet, och störningar som minskar den inhiberande GABA-signaleringen kan leda till kramper och epilepsi. Läkemedel av bensodiazepintyp förstärker den GABA-erga aktiviteten. Efter denna översikt över hjärnans struktur och några av dess funktionella system är det dags att gå vidare med en diskussion av olika metoder som används inom kognitiv neurovetenskap.

Testfrågor 1. Vad heter hjärnans fyra lober? 2. Vad är ett annat namn för cerebellum? 3. Vilka är neuronets tre huvudsakliga beståndsdelar? 4. Hur överförs information mellan neuron? 5. Vilken är den vanligaste hämmande neurotransmittorn? 6. Vad har myelinet för funktion? 7. Vad är corpus callosum? 8. Vilka subkortikala områden finns det? 9. Vilka regioner utgör hjärnans visuella funktionella system? 10. Hur breder dopaminsystemet ut sig i hjärnan?

Lars Nyberg är professor i neuro vetenskap vid Umeå universitet. Han forskar om hjärnan och olika kognitiva funktioner med ett särskilt intresse för våra minnesfunktioner.

KOGNITIV NEUROVETENSKAP NYA TEORIER OCH TILLÄMPNINGAR Vilka regioner i hjärnan är involverade när man kommunicerar med någon, och spelar det någon roll om det är talat språk eller teckenspråk? Finns det några skillnader i hjärnans aktivering när man lyckas respektive misslyckas med att plocka fram minnen? Aktiveras yngre och äldre personers hjärnor på olika sätt, och kan hjärnans sätt att lösa en uppgift ändras efter en hjärnskada? Detta är några exempel på centrala frågor inom kognitiv neurovetenskap, ett forskningsområde som handlar om att förstå hur komplexa kognitiva funktioner uppstår i samspel mellan hjärnans många olika delar. I Kognitiv neurovetenskap beskrivs grundläggande funktioner som perception, uppmärksamhet, språk, minne och emotion. Men även komplexa förmågor som medvetande och exekutiva funktioner behandlas. Författaren ger också kliniska och tillämpade perspektiv genom att diskutera individuella skillnader samt förändringar kopplade till åldrande, sjukdom och skada. Kognitiv neurovetenskap är grundligt omarbetad och uppdaterad sedan förra upplagan, bland annat med avsnitt om neurogenes, kognitiv arkitektur och deep learning. Dessutom presenterar författaren den omfattande metodutveckling som skett inom området. Boken vänder sig till studerande och yrkesverksamma inom områden som medicin och vård, psykiatri, psykologi och kognitionsvetenskap. Tredje upplagan Art.nr 7867

studentlitteratur.se