Neurologie: slaap, werking en functies
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.
Werking
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
("aan de buikkant en zijkant liggende pre-optische kern") en de TMN,
tubero-mammilary nucleus
("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
, die daar weer ontleend zijn aan
:
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 bewegingsapparaat. 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 Movements)
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
):
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"
.
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 vermoeider.
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 toevoegt aan de ervaringen.
De interne structuur 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):
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 verschijnselen 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 geschetste 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 |
|