WERELD & DENKEN
 
 

Neurologie: slaap, circuits

Er zijn vele manieren om over slaap te praten. Hier gaat het om hoe het verschijnsel van slaap iets zegt over het neurologische systeem.

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 fucntie van de hormoonopwekking 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. 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 acetylchlorine 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. 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. Op deze manier stuurt dus een enkele kleine schakelaar de keuze tussen de twee belangrijkste te onderscheiden toestanden van het totale brein aan. Dit werkt dus met de al genoemde neurotransmitters, en de andere twee modulerende: acetylchlorine en dopamine.

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.

Maar er zijn redenen om aan te nemen dat er nog een aantal omschakelingen plaats vinden tijdens de overgang naar slaap, de bekendste daarvan zijnde "dromen". "Dromen" zijn herinneringen achteraf van wat er tijdens de slaap zich in het brein heeft afgespeeld, hoewel gewoonlijk een zeer fragmentarisch en schijnbaar ook nogal vervormde vorm van herinneringen.

Dat betekent dus dat het geheugen en een deel van de cortex wel degelijk actief bezig zijn, maar op een andere manier dan tijdens het bewustzijn. En ook dat moet omgeschakeld worden.

Ook daarvan is al het een en ander bekend, in de vorm van de circuits die geheugen en cortex aan elkaar verbinden. Want op zijn minst een deel van de functionaliteit van het geheugen bevindt zich niet in de cortex, maar in de hippocampus  , een orgaan van de emotionele hersenen. En omdat dit omschakelen een veelheid van achtereenvolgende functies omvat, slaande ook op het grootste deel van de hersenen (de cortex), verwacht je dat het omschakelcircuit redelijk zichtbaar moet zijn. En dat het dus mogelijk als ontdekt is maar niet in de daadwerkelijke rol.

Er is zo'n duidelijk zichtbaar circuit dat slaat op de genoemde onderdelen dat al vrij lang bekend is en wel onder verschillende namen, als eerste naar de ontdekker als Papez-circuit  , maar ook als visceral brain  , en als meest bekende het limbic system of limbische systeem  ("randsysteem", liggende aan de rand van de cortex), dat ook altijd een sterke rol toegekend krijgt aangaande de emoties. Als Papez-circuit wordt het uitgewerkt als  (Wikipedia):
  hippocampal formation (subiculum) → fornix → mammillary bodies → mammillothalamic tract → anterior thalamic nucleus → cingulum → entorhinal cortex → hippocampal formation.

Het cingulum is de verzameling verbindingen aan de basis, de onderkant, van de cortex lopende over de hersenbalk en heeft talloze verbindingen met de cortex. De entorhinal cortex, is het gedeelte aan de onder- en voorkant ("rhinal": neuswaarts). De thalamus  heeft de functie van verzamel- en doorgeefcentrum voor een groot deel van de signalen tussen hersenstam en de hersendelen erboven.
    Afgekort wordt het circuit:
  hippocampus  → fornix → mammillary bodies → mammillothalamic tract → thalamus → cingulum → entorhinal cortex → hippocampus.

Het cingulum heeft ook vele verbindingen met de rest van de cortex. Kortom: dit is een circuit dat zeer goed in aanmerking komt voor de koppeling van de geheugenfuncties, en voor het ompolen van de diverse koppelingen in de slaaptoestand. Dit wordt ondersteund door het feit dat schade aan zowel de anterieure thalamische kern (komt voor bij het Korsakof-syndroom) als aan de mammilary bodies samengaat met geheugenstoornissen.

De gebruikelijk associatie van het limbische systeem met nog veel meer onderdelen van de emotionele hersenen hoeft niets anders te zijn dan waarvoor veel van de emotionele organen bedoeld zijn: het geven van waarderingen aan ervaringen opgedaan met de werkelijkheid. Welke waarderingen dan opgeslagen worden tezamen met die herinneringen van de werkelijkheid.

Het door deze beschrijvingen voor de hand liggend vermoeden is dat slaap iets te maken heeft met deze circuits - om precies te zijn: dit circuit gebruikt in haar omschakelfunctie.

Wat betreft de verdere aard van deze omschakeling zijn er overduidelijke aanwijzingen te halen uit een oude bron van kennis omtrent de werking van het brein: de afwijkingen. De bekendste daarvan is slaapwandelen: iemand die uit de slaap op lijkt te staan en dagelijkse dingen gaat doen, zonder zich dat achteraf te kunnen herinneren - hardnekkige slaapwandelaars zijn moeilijk of niet uit hun slaapwandelen te wekken. De les hieruit: tijdens de slaap spelen zich taferelen uit het dagelijkse leven af in het brein.

Slaapwandelen is één van de verschijnselen van narcolepsie  (Wikipedia) of slaapstoornis. Een ander is het omgekeerde van slaapwandelen: slaapverlamming: wakker zijn en niet kunnen bewegen. Ook hieronder valt de hallucinatie: het bewust worden van ervaringen die duidelijk niet uit het dagelijkse leven stammen - net zoals dromen. Dat wil zeggen: hallucinaties kunnen gezien worden als dromen mét bewustzijn. Waarna ook zaken als psychose in beeld komen: een zeer sterke vorm van hallucinatie gepaard gaande met zeer angstwekkende beelden.

Terug naar het begin: de slaapschakelaar. Waaraan allerlei systemen van het brein gekoppeld zijn. De slaapstoornissen kunnen dus ook gezien worden als problemen met de slaapschakelaar - een soort "technisch probleem". De slaapstoornissen laten ook meer zien van wat er zoals geschakeld wordt: beweging, dagelijkse ervaringen, beelden van  niet-dagelijkse ervaringen, sterk afwijkende beelden, en alle mogelijke emoties die hierbij horen.

Met één opvallende uitzondering: die dromen en ervaringen als uit het leven bevatten geen ervaringen betreffende geur. Dat gaat samen met een ander feit: in de elementen van het Papez-circuit komen geen elementen voor die verbonden zijn aan geur.

Waarmee genoeg aanwijzingen en argumenten gegeven zijn voor de volgende stap, in de vorm van een werkhypothese: tijdens het bewustzijn worden de dagelijkse ervaringen geleid langs de elementen van de emotionele hersenen: hippocampus, amygdala enzovoort, en daar voorzien van waarderingen in de vorm van emoties gebaseerd op vergelijking met eerdere soortgelijke ervaringen uit het verleden, en de huidige ervaringen worden voorzien van hun waarderingen opgeslagen in de tijdelijk en semi-permanente vormen van geheugen  Tijdens de slaap wordt dit circuit deels omgepoold, en ervaringen opgeslagen in het tijdelijke en semi-permanente geheugen opnieuw afgespeeld en geherwaardeerd tezamen met andere en eerdere ervaringen, en tegelijkertijd of tijdens een andere slaapperiode worden allerlei mogelijke variaties van die ervaringen doorgenomen ten einde voorbijreed te zijn op eventuele toekomstige ervaringen, tevens of weer ernaast, om de circuits die de ervaringen verwerken en waraderen te ijken om betere oordelen te kunnen afgeven ("leren").

Waarna onmiddellijk één van de logische mogelijkheden geschrapt kan worden, aan de hand van de al veel langer bekende EEG-diagrammen  . Een EEG of elektro-encefalogram is een weergave van de opgemeten elektrische activiteit van de hersenen als geheel - normaliter dus niet veel meer zeggende dan het geluid van een stad zegt over de specifieke activiteiten in die stad. Maar omdat de elektrische activiteit in de hersenen veelal verloopt in de vorm van golven, kan als vele van die golven samenlopen er wel een extern golfpatroon zichtbaar zijn. Niet dus bij opwinding, zie de bron, want dan lopen er namelijk te veel door elkaar heen. Maar wel dus bij rust op slaap. Het optreden van verschillende golfpatronen overeenkomend met wat men is gaan zien als verschillende slaapfasen: diepe slaap, REM-slaap en tussenvormen  (Wikipedia), wijst erop dat hier sprake is van de verschillende in de werkhypothese genoemde taken, die dus niet tegelijkertijd maar na elkaar vervuld worden.

Dit lijkt wat ingewikkelder dan gebruikelijk op deze site omdat het meer stappen bevat, maar neem dit aan, en alle voorgaande verschijnselen zijn verklaard. En talloze andere verschijnselen en ervaringen: de beelden van een psychose zijn geen afwijkende beelden, maar de afwijking bestaat er slechts in dat ze kunnen doordringen tot het bewustzijn - dezelfde soort beelden spelen zich normaliter tijdens de slaap. Enzovoort. Een niet met mensen maar wel met varkens uigevoerd experiment is om ze langdurig uit hun slaap te houden. De beesten vertoonden gedrag dat in menselijke termen beschreven zou worden als "gek" - als in "gestoord". Wat met de werkhypothese volkomen voor de hand liggend is: het (varkens)brein kan de opgedane ervaringen niet verwerken, en "loopt over". Enzovoort.

Dit is tot nu toe allemaal gegaan over de de uiterlijke functionaliteit van de diverse genoemde hersenelementen, niet hoe ze die functies  uitvoeren. Daarover later en/of elders meer.


Voor andere voorbeelden van dit soort technische processen in de neurologie, zie Cerebellum  en Oog  .


Naar Neurologie, organisatie  , Psychologie lijst  , Psychologie overzicht  , of site home  .

 

 

15 mrt.2013; 28 jul.2014