Tag-arkiv: Neurologi

Spejlneuroner

Resumé

Artiklen starter med en hurtig opridsning af begrebet Theory of mind og tre af teorierne bag dette. Herefter præsenteres en type af neuroner, kaldet spejlneuroner og deres betydning for imitation, empati og forståelse af intention.

1. Theory of mind

Mennesker kan aflæse andre menneskers intentioner. Man kan mene, at det er en banal observation, men evnen er grundlæggende for, at vi kan omgås andre mennesker i vores hverdag forholdsvis uproblematisk.
Evnen til at sætte sig ind i, hvad andre mennesker tænker og antager kaldes “theory of mind”. Vi gør det alle sammen, og vi gør det uden at tænke nærmere over det, men hvordan gør vi det egentligt?
Der findes forskellige teorier om hvordan theory of mind (ToM) udvikles fra barnsben af. Udviklings psykologiske data tyder på, at denne evne hører ind under et særligt domæne i kognitionen, så lad os se nærmere på tre af de domænespecifikke teorier.

Teori-teori perspektivet
Grundtanken er i Teori-teorien at børn ikke ulig en forsker danner teorier om objekter og situationer. Teorien muliggør at børnene kan forudsigelse, fortolke og forklare (eller i det mindste at forsøge at forudsige og forklare). Erfaringer er en betydningsfuld del af teori-teorien, fordi det giver barnet feedback på dets teori. Lidt på samme måde som erfaringer giver forskere feedback om deres teorier. For børnene er særlig feedback om anormaliteter sikkert interessante, for det vil give anledning til en modificering eller fuldstændig omstrukturering af teorien, således at teorien kommer til i overensstemmelse med fakta.
Udviklingen på baggrund af erfaring er dog ikke lineær, for man må formode, at børn, ikke ulig en forsker, holder fast i deres teori, selv når der begynder at komme modsigelser. Således tåler teorien en vis modsigelse, men må forkastes, hvis der kommer flere modsigelser, og efterfølgende må en alternativ teori dannes.

Det modulære perspektiv
Her er grundideen, at ToM evnen ligger i en særlig mekanisme i hjernen. Undersøgelser fra forskellige kulturer viser, at børn opnår denne evne i cirka samme alder og efter at have opnået samme udviklingstrin. Dette giver anledning til at henfører ToM evnen til et medfødt modul.
Modulet (evt. flere) er dedikeret og specifikt, det er hurtigt og automatisk. Dets funktion lader til at være uafhængig af individets generelle intellektuelle kapacitet, men kan hæmmes specifikt ved tilstedeværelse af nogle mentale dysfunktioner, men kan også fungere i tilstedeværelsen af andre mentale dysfunktioner.
I teorien om et specifikt medfødt modul ligger følgende antagelser. For det første er det specifik, således at essensen i ToM evnen er bestemt af specialiserede mekanismer. Det medfører netop muligheden for specifik hæmning. For det andet er modulet medfødt, det er på den måde en del af vores genetiske arv. Det aktiveres af miljøfaktorer således at erfaringer kan være nødvendige for at udløse funktionen af disse mekanismer, men ikke bestemmende for deres specifikke funktion.
Der er forskellige udgaver af, hvorledes modulerne er sammensat og arbejder sammen, men teorien fanger, ganske interessant, oprindelsen af theory of mind egenskaberne.

Simuleringsperspektivet
Kongstanken i simuleringsteorien er, at vores evne til forståelse af andre mennesker beror på vores evne til at ”køre kognitive simuleringer”. Udgangspunktet er, at det er muligt at aflæse andre folks intentioner og forudsige handlinger ved at bruge vores eget sind som model på deres. Det sker jf. teorien ved af køre en beslutningsproces ”off-line”, for at forestille sig hvordan ens egen hjerne vil resonere, hvis vi selv var i den forstilte kontekst.
Det der udvikler sig over tid, er i denne teori evnen til at køre mere og mere komplekse simuleringer.

Simulationsteorien har været en ”kold” teori i en årrække, men den har fået en renæssance med opdagelse af såkaldte spejlneuroner, idet spejlneuroner måske kan bruges til at forklare simulationsteorien. Spejlneuroner opfattes som en del af mekanismen, der muliggør, at vi kan efterligner andre for bedre at kunne forstå dem.

Spejlneuroner, imitation og simulation
Jf. den italienske forsker Marco Iacoboni, der er en af hovedpersonerne bag opdagelsen af spejlneuroner sammen med Giacomo Rizzolatti, Leonardo Fogassi og Vittorio Gallese, så er imitation vigtig for læringsprocesser i vores udvikling. Det er vigtigt, fordi det giver mulighed for at tilegne sig færdigheder, uden at skulle gennem en tidkrævende og besværlig trial-and-error læring.
Imitation er også vigtig i udviklingen af grundlæggende socialfærdigheder som at forstå ansigtsudtryk, og andre kropslige udtryk og gestikulation.

 

2. Spejlneuroner

I forbindelse med imitation er en type neuroner, der kaldes for spejlneuroner særlig interessante
Spejlneuroner tilhører en særlig klasse af neuroner, såkaldte visuomotor neuroner. De blev oprindelig fundet i præmotor kortexen i hjernenområdet F5 hos makakaber. Efter sigende blev de opdaget ved et tilfælde, fordi en af forsøgslederne rakte ud efter en banan i en frugtskål, mens man var i gang med at undersøge neuroner hos makakaber, der kontrollerer håndbevægelser.
Disse neuroner fyrer et signal af, både når en makakaben udfører målorienteret handlinger som at række ud efter, holde og manipulerer et objekt. Neuronerne fyrer også, når makakaben ikke bevæger sig, men blot observerer den samme bevægelse udført af et andet individ, det være sig makakabe eller menneske.

Spejlneuroner hos makakaber
Man har identificeret to overordnede type spejlneuroner baseret på kongruens mellem den observerede handling og udført handling.  Strengt kongruente spejlneuroner der kun fyrer, når observation og handling praktisktaget er ens. Den anden type er bredt kongruente spejlneuroner, der fyrer ved observation af handlinger, der ikke nødvendigvis er helt ens med egne udførte handlinger, der skal blot være tale om det samme mål. Det kunne for eksempel være at gribe en frugt med hele højre hånd i forhold til at tage frugten med højre hånds tommel- og pegefinger.
Spejlneuronerne vil ikke fyre ved en pantomimeagtig rækken ud efter et forstilt objekt, og de fyrer heller ikke blot ved synet at et objekt. Indledningsvis var teorien faktisk, at hele sekvensen af at række ud efter og gribe et objekt skulle ses, for at spejlneuronerne fyrede. Senere studier viser dog, at spejlneuroner faktisk fyrer, selvom dele af handlingen er skjult. Det kunne eksempelvis være, at man placerer en frugt på et bord, skjuler frugten bag en skærm, og efterfølgende gennemføre handlingen med at række ud efter og gribe. I sådan en type forsøg vil omkring 50 % af de undersøgte spejlneuroner fyre. I kontroleksperimentet, uden frugt, men stadig med skærmen der sættes op, vil ingen spejlneuroner fyre. Så selv om det visuelle input er ens i de to situationer, så betyder viden om tilstedeværelse eller fravær af frugten bag skærmen, at spejlneuronerne kan skelne mellem de to situationer.
Nogle spejlneuroner fyrer eksempelvis ikke kun ved synet af en jordnød, der åbnes, men også ved lyden af en jordnød der åbnes. Så alene lyden associeret med handlingen er stimuli nok, til at spejlneuronet fyrer, som om det selv skulle kontrollere handlingen.
I en forsøgsrække med at gribe og spise eller at gribe og lægge i en beholder viser det sig, at spejlneuronerne ikke bare giver en relativ abstrakt repræsentation af andres handlinger, men at systemet også koder for den intention, der er associeret med den observerede handling.
Man anså i starten kun spejlneuroner som vigtige i forbindelse med handlinger udført af en biologisk aktør. I det man kunne observere at spejlneuronerne kun fyrede, når makakaben så en hånd, der griber efter f.eks. et stykke frugt. De fyrede ikke, når det samme stykke frugt blev grebet med et værktøj som en kæp eller en tang. Man har dog for nylig identificeret en gruppe spejlneuroner, der fyrer mere ved synet af handlinger udført med værktøj end samme handling udført med hånden. Man forklarer det med, at aberne i laboratoriet må have set personer anvende værktøj til målorienterede handlinger og på den måde gennem synet have forstærket associationen mellem abens motoriske repertoire, handling og mål. Konklusionen var, at spejlneuronsystemet kan formes gennem erfaringer og sandsynligvis give mulighed for læring gennem observation.

3. Spejlneuronsystemet

Spejlneuronsystemet (MNS) hos mennesker
Selv om man ikke har målt enkelt spejlneuroner direkte hos mennesker, så er der en lang række studier hvor man har målt indirekte f.eks. vha. EEG, TMS, PET og fMRI. Der er således en stor mængde af data der viser tilstedeværelsen af et spejlneuronsystem hos mennesker.
Man har fundet nogle forskelle med makakabens spejlneuroner og menneskets spejlneuronsystem. Ikke målrettede bevægelser medfører f.eks. aktivitet i menneskets spejlneuronsystem. Således at det ikke kun er handlingen at gribe en ting spejlneuronsystemet koder for, men også selve bevægelsen.

Spejlneuroner og intention
Spejlneuronsystemet hos mennesker er et centralt element i at forstå intentionen hos andre mennesker – i det mindste i forbindelse med hverdagsaktiviteter. Man kan f.eks. vise, at spejlneuronområderne reagerer anderledes ved observation af den samme gribe handling i forskellige kontekster. Det antyder, at forskellige intentioner kan associeres med den samme handling, f.eks. gribe en kop for at drikke eller gribe en kop for at rydde op.
Den italienske forsker Iacoboni har i et studie netop taget udgangspunkt i den kontekst bevægelserne foregår i, da det må være afgørende for forståelsen af den observerede persons intentioner. Den samme bevægelse kan jo betyde to forskellige ting i to forskellige kontekster. I forbindelse med disse undersøgelser blev der vist forskellige former for filmklip til en gruppe forsøgspersoner, for at undersøge i hvor høj grad spejlneuroner var involveret i tolkning af intentionerne bag den samme handling i forskellige kontekster. Man fandt ikke bare frem til, at spejlneuronernes har indflydelse på tolkning af intentionerne bag forskellige bevægelser, men man foreslog også eksistensen af såkaldte “logisk relaterede” spejlneuroner, der skulle indgå i tolkningen afhængig af den pågældende kontekst.

Spejlneuroner og empati
Der er stærke empiriske beviser for den rolle simulation spiller i empati. Når forsøgspersoner præsenteres for andres emotionelle ansigtsudtryk, så vil de typisk, automatisk og uden forudgående instruktion, efterligne udtrykket. Denne efterligning sker selv ved en subliminal præsentation af emotionelle ansigtsudtryk.
Et studie, der er værd at fremhæve, er et af Wallbott fra 1991. I dette studie blev deltagerne videofilmet mens de udførte genkendelser af emotionelle ansigtsudtryk. I en efterfølgende session skulle de så gætte, på baggrund af deres eget videofilmede ansigt, hvilket ansigtsudtryk de så på. Deltagerne svarede rigtig over tilfældighedsniveauet. Dette resultat sammenholdt med en korrelation mellem deres forsøgspersonernes genkendelsesscore i første og anden session, antyder at imitation spiller en rolle i genkendelsen af emotionelle ansigtsudtryk.
Et andet studie hvor deltagerne skulle identificerer det punkt, hvor et computersammensat (morfet) billede ændrede sig fra glad til ked af det og omvendt. Deltagerne blev delt i to grupper, den ene gruppe skulle under forsøget bide i en blyant. Gruppen der skulle bide i blyanter, og på den måde  var forhindret i at imiterer ansigtsudtryk, opdagede ændringen i billedet senere. Dette indikerer, at en forstyrrelse af ansigtsimitation hæmmer genkendelsen af emotionelle ansigtsudtryk.
Et sidste studie, jeg vil trække frem, er fra University of California – Los Angeles. Her har man arbejdet mere direkte med empati målt ved et såkaldt Interpersonal Reactivity Index (IRI). Her blev der fundet en sammenhæng mellem scoren på empatiskalaen og aktivitet i de områder af hjernen, der indeholder spejlneuroner.

ToM, autisme og spejlneuroner
Autistiske børn har en signifikant lavere score ToM opgave sammenlignet med andre opgaver, der tester intelligens eller sprogfærdigheder. Lindsay M. Oberman fra University of California – San Diego viste i 2007 ved hjælp af fMRI-metoden forskelle i aktivitetsniveauet hos henholdsvis autistiske og normale børn i flere af de områder i hjernen, som man mener, indeholder spejlneuroner. Så en af årsagerne til den nedsatte ToM score kan skyldes defekter i spejlneuronsystemet, der jo som tidligere beskrevet er involveret i, hvorledes vi afkoder andre menneskers adfærd og intentioner.

Spejlneuroner – den hellige gral eller kejserens ny klæder?
Selv om opdagelsen af spejlneuronsystemet er blevet sammenlignet med opdagelsen af DNA molekylet, så er der også andre faktorer involveret i vores ToM evne f.eks. sprogforståelse, hukommelse og eksekutive funktioner. Så der er sikkert stadig lang vej til en forståelse af menneskets evne til at aflæse andre menneskers intentioner, men sammenlagt kan der argumenteres for, at spejlneuronsystemet spiller en vigtig rolle i vores forståelse af andre mennesker.

Afslutningsvis vil jeg tillade mig at spænde buen, måske næsten til bristepunktet. Jeg startede med at præsenterer tre teori bag Theory of mind. Jeg kan, for egen regning, ane en række sammenfald mellem disse teorier og spejlneuronsystemet. I teori-teorien arbejdes der bl.a. med en ophobning af erfaring. Spejlneuronersystemet kan faktisk forklare dele af det med logisk relaterede spejlneuroner og formning af disse gennem observation.
I den modulære teori om ToM lægges der vægt på, at ToM bygger på en medfødt specialiseret mekanisme, hvilket spejlneuroner netop er.
Så selv om simulationsteorien underbygges af spejlneuronsystemet, så kan de videre studier af denne spændende type neuroner måske tilnærmer de forskellige tilgange til ToM hinanden.

Udvalgt litteratur
»Hvis du vil læse mere…«.
Palle Vestberg (2006): SPEJLNEURONER, Psykolog Nyt. Nr. 3

Artiklen her bygger primært på følgende tre engelsksprogede artikler.

Iacoboni, Marco and Mirella Dapretto (2006): The mirror neuron system and the consequences of its dysfunction, Nature Reviews Neuroscience 7, 942-951 (December 2006)
Oberman, L. M. & Ramachandran, V. S. (2007): The simulating social mind: The role of the mirror neuron system and simulation in the social and communicative deficits of autism spectrum disorders, Physiological bulletin, Vol. 133, 2, 310-327.
Rizzolatti, Giacomo & Laila Craighero (2004): The Mirror-neuron system, Annu. Rev. Neurosci., 27:169–92

Membranpotentialet

Her er en kort note om membranpotentialet og aktionspotentialet.

Membranpotenltialet
Cellers hvilemembranpotentialet er bestemt af ionernes permeabilitet og ligevægtspotentiale, primært K+ionens pga. dennes store permeabilitet, i forhold til de andre ioner. Permeabiliteten skyldes sandsynligvis primært lækkende Kalium kanaler – leak channels

Det er mulig at opretholde et, under normale omstændigheder, konstant hvilemembranpotentiale pga. Na+,K+ATPasens pumpeaktivitet. Der kommer på den måde et underskud af positive ladninger på indersiden, man kunne også sige at der kommer et overskud af positive ladninger på ydersiden. Indersiden vil derfor være negativ i forhold til ydersiden.

Som en konvention har man vedtaget at sætte ydersiden til 0 volt, og man måler så spændingsforskellen i forhold til det. Membranpotentialet kan derfor typisk måles til omkring – 70 mV.

Bliver membranpotentialet mere negativt taler man om hyperpolarisering, og omvendt hvis det bliver mindre negativt kalder man det depolarisering.

Aktionspotentialet
Nerve- og muskelceller kan exciteres. Når cellen exciteres menes det, at membranpotentialet ændres kortvarigt. Denne ændring vil typisk være det der kaldes et aktionspotentiale.

Aktionspotentialet er et ugraderet signal – det er ”All or none”. Der findes også graderede signaler der skyldes neuronets passive kabelegenskaber fx synapse potentialer, men de vil ikke blive behandlet i denne note.
Aktionspotentialet kan beskrives som at membranpotentialet kortvarigt ændres, fra at være negativt på indersiden til at være positiv, hvorefter det vender tilbage (repolariseres).

Disse potentialeændringer skyldes ændringer i permeabilitet over for Na+,K+ og Ca2+.
Aktionspotentialet starter med en åbning af Na+kanaler, der giver en lille Na+indflux og dermed en lille depolarisering af cellemembranen. Ved denne depolarisering åbnes yderlige Na+kanaler langs axonet, der er således tale om en selvforstærkende mekanisme, kaldet Hodgkins cyklus (man kan også kalde det positiv feedback). Denne type kanaler kaldes spændingsafhængige (voltage-gated). Den Na+indflux der opstår herved giver den meget hurtige initielle og maksimale depolarisering.

Aktionpotentialet afsluttes med Na+kanalerne inaktiveres (inaktiveringstid, typisk nogle få ms), og K+kanalerne aktiveres. K+kanalerne er også spændingsafhængige, men åbner senere end Na+kanalerne. K+kanalerne forbliver åbne et lille stykke tid, faktisk så sker der en hyperpolarisering pga. deres åbningstid.

Når aktionspotentialet kun bevæger sig en vej er det fordi de Na+kanaler der lige har været aktiveret, vil være i en refraktærperiode i nogle ms. Det betyder at de ikke vil kunne aktiveres igen lige med det samme.

Refraktærperioden er typisk på 3-4 ms inden alle Na+ kanaler i et område er klar til aktion igen. Tidsrummet fra initiering af aktionspotentialet til lige efter toppen kaldes absolut refraktær periode (ARP) Her vil, selv ikke den stærkeste, stimulering give et nyt aktionspotentiale. ARP er typisk på 1-2 ms. Efter dette tidsrum begynder Na+ kanalerne at blive klar igen, og hvis en stærk nok stimuli gives kan der opstå et nyt aktionspotentiale. Stimuliet må dog være stærkere end det oprindelig påkrævede. Denne tilstand (relativ refraktær periode (RRP) fortsætter end til alle Na+ kanalerne er kommet ud af deres inaktive tilstand efter ca. 4 ms.

Refraktærperiodens molekylære baggrund er en inaktiverings-gate, således forstået at Na+ kanalen har to gate en aktiverings-gate (m-gate, lukket) og en inaktiverings-gate (h-gate, åben). Ved tilstrækkelig depolarisering åbner aktiverings-gaten og Na+ strømmer ind. Depolarisringen aktiverer også inaktiveringsgaten, men denne reagerer forsinket. Når inaktiverings-gate lukker afsluttes Na+ indstrømningen. Afslutningsvis vender kanalen tilbage til udgangstilstanden, hvor aktiverings-gaten er lukket og inaktiverings-gaten åben.

På grund af Na+gradientens vigtighed er det nødvendig, at se nærmere på  Na+,K+ATPasen, der pumper Na+ ud igen. ATPasen sidder i cellemembranen og pumper 3 Na+ ud og 2 K+  ind, under hydrolysering af en ATP. I hvilende skeletmuskler er kun ca 2-6 % af Na+,K+ATPaserne aktive for at opretholde de cellulære og ekstracellulære koncentrationer af natrium og kalium (Clausen 1986). De gradienter denne aktive transport skaber, er f.eks. vigtige for cotransport og udveksling af bl.a. H+, Cl-, Ca2+, sukker og aminosyrer.

Na+,K+ATPasen er elektrogen dvs. den bidrager, i de fleste tilfælde, med nogle mV til membranpotentialet (pga. 3 Na+ ud og 2 K+ ind).
ATPasens aktivitet påvirkes af flere hormoner f.eks. insulin og katecholaminer (adrenalin og noradrenalin). Muskelaktivitet kan også direkte påvirke pumpeaktiviteten i skeletmuskulatur (Skou 1992).

Hæmmere:

TTX: Tetrodotoxin, fra pufferfisk (Kuglefisk Tetrodon) Hæmmer specifikt voltage-gatede Na+ kanaler.

TEA: Tetraethyl ammonium. Hæmmer specifikt voltage-gatede K+ kanaler.

Ouabain: fra fx Fingerbøl (Digitalis p.). Hæmmer specifikt Na+/K+ATPasen.

Hvad mangler jeg at skrive om?
Ligevægtspotentiale og beregning af dette
Gliacellernes evne til at optage K+
De passive kabelegenskaber og længdekonstant. De passive kabelegenskaber skyldes et K+ flow gennem passive ikke excitable kanaler der selektivt lader K+ passerer (leaky channels & nongated channels).
Synapser.