Thesisopdracht: "Brain Activation by extra-ordinary

Thesisopdracht: "Brain Activation by extra-ordinary Subliminal Stimuli, measured with
fMRI"
Abstract
In the past, some advertisers whose marketing techniques were deceptive and overly
manipulative, were called "professional persuaders". They suggested that messages sent to a
subject could be more effective if they were presented below the level of conscious awareness.
Some researchers developed a machine capable of flashing such unnoticeable, "subliminal
messages" within big screen movies. Messages like "Eat Popcorn" and "Drink Coke" were
displayed at regular intervals throughout the film for such short durations that they could not be
consciously perceived. This subliminal messages resulted in a significant increase in sales of
popcorn and coke.
Subliminal or unconscious perception refers to the idea that stimuli presented below the threshold
for conscious awareness can influence an individual's thoughts, feelings, or actions. The
possibility that an individual can acquire and act on input without being aware of doing so, has
stimulated me to do a research project on this subject in combination with functional MRI. The
main objective is to differentiate between the possible stimuli and its specific neurological
activation.
Fysiologie van de hersenen.
Algemeen
Voor onderstaande gedetailleerde beschrijving is steeds Fig-1 van toepassing.
De hersenen zijn een onderdeel van het centrale zenuwstelsel. Het centrale zenuwstelsel bestaat
uit de hersenen, grote hersenen (cerebrum), kleine hersenen (cerebellum), hersenstam (truncus
cerebri) en het ruggenmerg (medulla spinalis). Dit verslag beperkt zich voornamelijk tot de
fysiologie van de hersenen.
Binnen de schedel zijn de hersenen omgeven door een drietal vliezen. Het binnenste zachte
hersenvlies (pia mater), bevat oppervlakkige hersenbloedvaten die het zenuwweefsel voedt. Het
middelste vlies is verbonden door bindweefselstrengen met de Pia Mater en wordt de
Arachnoidea genoemd. De ruimte tussen Pia Mater en Arachnoidea wordt ookwel Arachnoidale
ruimte genoemd en is gevuld met hersenvocht (liquor cerebrospinalis). Het derde vlies is
rechtstreeks verbonden met het schedelbot. Dit vlies is gemaakt van stug bindweefsel en wordt
ookwel het harde hersenvlies (dura mater) genoemd.
Het hersenvocht dat binnen de archnoidale ruimte de hersenen omspoelt, is afkomstig uit de
hersenholten (ventrikels), alwaar het gevormd wordt door de Plexus Choroideus. Een mens heeft
vier ventrikels. Het vierde ventrikel bezit twee openingen opzij, genaamd Aperturae Laterales
(foramina van Luschka) en een in het midden genaamd Apertura Mediana (foramen van
Magendie). Met deze 3 holten staat het vierde ventrikel in verbinding met de archanoidale ruimte
en op deze plaatsen kan de liquor geproduceerd in alle ventrikels, de hersenholten verlaten in de
richting van de arachnoidale ruimte. Het vierde ventrikel staat in verbinding met het derde
ventrikel door middel van een nauw kanaal, de Aquaductus Cerebri (Sylvius). Het derde ventrikel
staat via de Foramina Interventricularia (Monro) in verbinding met de grote zijventrikels (eerste en
tweede ventrikel).
Uiterst craniaal in de schedel bevindt zich de Sinus Sagitalis Superior welke opgenomen is in de
Dura Mater. Deze sinus maakt onderdeel uit van het veneuze systeem van de bloedsomloop. Op
verschillende plaatsen wordt de wand van deze sinus doorboordt door gaatjes, genaamd
Granulae (villi) Arachnoidalis. Hier kan de liquor weer draineren naar de bloedsomloop, zodat in
feite het hersenvochtdoor de ventrikels en de arachnoidale ruimte circuleert. Het principe van
deze drainage is niet bekend. Wel heeft het iets van een kleppensysteem, waardoor de liquor
maar in een richting kan passeren. De archanoidale ruimte in de Medulla Spinalis draineert niet
rechtstreeks naar de bloedsomloop maar op het lymfvatensysteem welke de medulla omgeeft.
Fig-1: Circulatie van Cerebrospinal Fluid (CBF)
De gemiddelde druk in de arachnoidale ruimte is 1,6 kPa (12 mm HG). De pulsaties in de
slagaders hebben drukstijging en drukdaling in deze ruimte tot gevolg. Deze drukvariatie wordt
opgevangen door afvloeiing naar het veneuze systeem.
Hypothalamus
De hypothalamus vormt de onderste laag en de bodem van de tussenhersenen, met onder
andere de kruising van de oogzenuwen (chiasma opticum) en de hypofysesteel. Hij beinvloed
niet alleen het vegetatief-nerveuze systeem, maar via zijn verbindingen met de hypofyse ook het
endocrien-vasculaire systeem, en coordineert beiden.
De hypothalamus produceert een endogeen membraan (Na+) K+ ATPase inhibitor digoxin.
Digoxin kan meerdere neurotransmitter systemen regelen. Het is aangetoond dat Digoxin o.a.
een rol speelt in het onthouden van beelden, korte termijn geheugen en het sturen van
subliminale perceptie (Int J Neurosci. 2003 Jun;113(6):815-20).
Liquor Productie
De productie van liquor vindt ten dele plaats door actieve transportprocessen, ten dele door
ondersteunende diffusie. Per dag wordt ongeveer 500 ml (0,35 ml/min) vloeistof gevormd.
Functie van Liquor
De Pia Mater blijkt geen barriere te vormen tussen extracellulaire hersenvloeistof en de liquor in
de arachnoidale ruimte. Metabolieten en eventuele andere stoffen die vanuit het bloed de bloedhersenbarriere kunnen passeren, kunnen derhalve via de liquor cerebrospinalis worden
afgevoerd. De liquor ruimte wordt wel beschouwd als een buffer die tijdelijke verstoringen in de
samenstelling van de extracellulaire hersenvloeistof kan opvangen.
Een tweede functie is dat liquor het centrale zenuwstelsel tegen mechanisch geweld beschermd.
De dichtheid van hersenweefsel is weinig hoger dan dat van de liquor. Hersenen zijn hierdoor als
het ware zwevend opgehangen in het hersenvocht. Het gewicht van de hersenen (ca. 1400 g in
lucht) wordt in de liquor gereduceerd tot ca. 50 g.
De bescherming tegen mechanisch geweld is echter beperkt. Te sterk mechanisch geweld wordt
wel degelijk op de hersenen overgebracht en kan leiden tot functionele verschijnselen zoals
hersenschudding (commotio cerebri), tijdelijk bewustzijnsverlies, hoofdpijn, misselijkheid, braken.
Bij Contusio Cerebri treden morfologische beschadigingen op. Dit gaat gepaard met een langer
durende bewusteloosheid en er kunnen zich ernstigere motorische en/of sensorische stoornissen
voordoen. Meestal is in dit geval bloed aantoonbaar in de liquor!
Hydrocephalus
Wanneer de afvloed van liquor is belemmerd, dan ontstaat een hydrocephalus (waterhoofd). Is
de afvloed door de Granulae Arachnoidalis gestoord dan ontstaat een hydrocephalus Externus. Is
de afvloed door de Aquaductus Cerebri of via de Aperturae Lateralis en Mediana belemmerd, dan
vormt zich een hydrocephalus internus.
Bloedvaten
De hersenen worden door vier grote arterien verzorgd, namelijk twee aa. carotides internae en
twee aa. vertebrales. De a. carotis interna verdeelt zich uiteindelijk in twee grote eindtakken
genaamd de a. cerebri anterior en de a. cerebri media. De a. cerebri media loopt zijwaarts van de
sulcus lateralis en deelt zich ter hoogte van de fossa lateralis in meerdere grote takken die zich
uitbreiden over het zijoppervlak van de betreffende hersenhemisfeer.
De beide aa. vertebrales die uit de twee aa. subclaviae komen, gaan door het foramen Magnum
de schedelholte binnen. Hier vormt een afsplitsing in de a. basilaris. De uiteindelijke aftakkingen
van de aa. vertebrales zorgen voor de doorbloeding van het cerebellum, plexus choroideus van
het vierde ventrikel, lateraal vlak van de medulla spinalis en pons en zenusbanen zoals nervus
facialis en de nervus vestibulocochlearis.
Ter hoogte van de hersenbasis bevindt zich ook nog een soort circel, genoemd de circulus
arteriosus cerebri (Willis) die een gesloten arteriele ring vormt.
Het cappilairennet is in de grijze hersenstof zeer dicht en in de witte stof zijn de mazen wijder.
Bij plotselinge afsluiting van een arterie door een thrombus, luchtbel of embolie in de
bloedstroom, dan gaat het hersengebied in het verzorgingsgebied van deze arterie ten gronde.
De zogenoemde anastomosen (soort collateralen) zijn niet in staat om de plotselinge afsluiting
van deze arterie op te vangen door extra bloedtoevoer. Vaak betreft het in zulke gevallen de a.
cerebri media.
Opname en Verwerking van Prikkels
Voor onderstaande gedetailleerde beschrijving is steeds Fig-2 van toepassing.
Met de zintuigen nemen we uit de omgeving zeer veel informatie (1.000.000.000 bit/s --> 125
MegaByte/s) op, maar slechts een klein deel hiervan (10 tot 100 bit/s --> 1,25 - 12,5 Byte/s)
bewust. De rest wordt of onderbewust verwerkt of helemaal niet gebruikt. Er wordt dus
belangrijke interessante informatie voor de hersenschors (bewustzijn) uitgekozen. Omgekeerd
geven we via spraak en motoriek (mimiek) informatie (10.000.000 bit/s --> 1,25 MegaByte/s) aan
de omgeving af. Bit is een maat voor de informatie-inhoud en bit/s dus voor de informatiestroom.
Een letter heeft ongeveer 4,5 bit en een bladzijde ongeveer 1000 bit. Wordt deze bladzijde in 20 s
gelezen, dan wordt 1000 / 20 = 50 bit/s opgenomen. Een TV-beeld draagt meer dan 1.000.000
bit/s (125 KiloByte/s) over.
Prikkels komen in verschillende energievormen bij het lichaam (elektromagnetische energie bij
gezichtsprikkels, mechanische energie via tast). Voor deze prikkels zijn er specifieke receptoren
(sensoren) die over het gehele lichaam verspreid zijn
Fig-2: Opname, bewustmaking en afgifte van informatie
Voor onderstaande gedetailleerde beschrijving zijn steeds Fig-3 en Fig-4 van toepassing.
Bij prikkelopname kiest om het zo maar te zeggen de receptor uit de informaties van de
omgeving precies de voor hem geschikte uit. De drukreceptoren van de huid als voorbeeld geven
informatie over de aard van de druk. In de receptor verandert de prikkel de
membraaneigenschappen van de receptorcel, wat terplaatse leidt tot het ontstaan van een
receptor-potentiaal. Hierbij geldt dat hoe sterker de prikkel des te hoger de receptor-potentiaal.
Bereikt deze een bepaalde drempelwaarde dan wordt een actiepotentiaal (AP) opgewekt die in
de zenuw verder wordt geleid. De oorspronkelijke informatie is dus nu omgezet in de vorm van
gecodeerde frequentie (impulsen/s). Hoe hoger de frequentie hoe meer overdrachtsstof
(transmitterstof) daar wordt vrijgemaakt.
De codering in frequentievorm heeft het voordeel dat het bericht met meer zekerheid wordt
overgebracht dan wanneer de hoogte van de actiepotentiaal als informatiedrager dient. Over
lange geleidingsafstanden (>1m) bij de mens zou de potentiaal hoogte gemakkelijk veranderd, en
daardoor het bericht getransformeerd kunnen worden. Hiervan heeft de AP in de vorm van
gecodeerde frequentie minder last van.
Fig-3: Prikkelverwerking en Informatieverwerking
Fig-4:
Relatie tussen prikkel, receptor en actiepotentiaal
Voor onderstaande gedetailleerde beschrijving is steeds Fig-5 van toepassing.
De verwerking van een visuele prikkel gaat net even wat anders. Door de lichtprikkel ontstaat in
de receptoren van de retina een secundaire receptorpotentiaal. Daarbij wordt de negatieve
membraanpotentiaal nog negatiever en wel des te meer naarmate de prikkel sterker is. In
tegenstelling tot andere receptoren leidt een visuele prikkel hier tot een hyperpolarisatie. Aan
deze secundaire receptorpotentiaal die op een afname van het Na+ geleidingsvermogen van de
receptormembraan berust, gaat een schommeling van de primaire receptorpotentiaal vooraf.
Hieraan liggen geen ionenbewegingen ten grondslag, maar andere ladingsverschuivingen in de
buitenste gedeelten van de staafjes. Een voldoende hoog receptorpotentiaal wekt via
bemiddeling van de bipolaire cellen in de gangliencel (gezichtszenuw) AP'en op, waarvan de
frequentie stijgt met de hoogte van de receptorpotentiaal.
Fig-5: Receptorpotentialen, actiepotentialen van de retina
Methoden
Magnetic Resonance Imaging (MRI) is een techniek die het mogelijk maakt om anatomische
beelden te maken van weefsels op een niet-invasieve manier. Deze techniek kan ook gebruikt
worden om hersenfuncties te bestuderen, wat dan fMRI genoemd wordt. Deze techniek kan
gebruikt worden om bepaalde hersengebieden in kaart te brengen die een neurologische activiteit
vertonen na het uitvoeren van een bepaalde taak of het zien van een beeld (stimuli). In geval van
deze thesis hebben we het over Subliminal Stimuli. Dit zijn visuele stimuli die gepresenteerd
worden onder de threshold van het bewustzijn, dus het onbewuste. In Fig-3 kan men zien dat
zo'n subliminale stimulus de drempelwaarde van het receptor-potentiaal niet bereikt, dus er volgt
ook geen AP.
Het fMRI signaal dat volgt na een korte periode van hersenactiviteit als gevolg van een enkele
stimulusaanbieding wordt de Hemodynamische Respons functie (HRF)genoemd.
Stimuli
Hersenactiviteit kan uitgelokt worden door bepaalde stimuli; in de "motor cortex" in geval van
uitvoeren van een bepaalde "taak" en in de "visuele cortex" in het geval van het zien van een
"beeld". Voor deze thesis zijn visuele stimuli van het grootste belang. Er is al veel onderzoek
gedaan naar dit soort stimuli.
Het menselijk brein heeft strategische controle over effecten van subliminale stimuli. Met EEG is
aangetoond dat het menselijk brein onderscheid kan maken tussen bepaalde "unconscious
subliminal stimuli", wat als voordeel heeft dat het de mens zich automatisch kan beschermen
tegen ongewilde informatie (J Cogn Neurosci. 2003 Aug 15;15(6):911-20).
Het niveau van processing dat geeist wordt door het type subliminale informatie, kan leiden tot
het direct vergeten van deze stimuli. Zo wordt stereotype passende en irrelevante informatie
sneller vergeten dan stereotype ongepaste informatie (Soc Psychol. 2003 Aug;143(4):43349). Het menselijk brein is ook in staat om bepaalde correlaties te leggen tussen bepaalde
subluminale stimuli die 7-14 dagen voorafgaand aan een experiment zijn gegeven (J Pers Soc
Psychol. 2003 Aug;85(2):302-16).
Visuele stimuli kunnen bestaan uit bepaalde figuren of gezichten, maar ook uit tekst. Op de
universiteit van Amsterdam is aangetoont dat na subluminale blootstelling aan extreme visuele
stimuli (bv. extreme negatieve of positieve woorden), specifiek deze woorden als minder extreem
worden ervaren door proefpersonen in vergelijking met extreme woorden die niet getoond waren
(Emotion. 2002 Sep;2(3):203-14).
Caffeine, alcohol, koolstofdioxide, zuurstof etcetera hebben invloed op de vasoreaktiviteit en
dragen in die zin bij aan een verandering van de HRF.
Dr. Harris e.a. hebben aangetoond dat patienten met glaucoom (oog pathologie) een lagere
bloedstroomsnelheid van de a. cerebri media hebben en een afwezige vasoreactiviteit ten
opzichte van hyperoxie, vergeleken met controle groepen ( Am J Ophthalmol. 2003
Feb;135:144-147).
Opsplitsing van Visuele Stimuli
Voor onderstaande gedetailleerde beschrijving is steeds Fig-6 van toepassing.
De visuele cortex bij de mens is gelegen uiterst occipitaal, dus aan de achterkant van het
menselijk brein. Deze cortex kan opgesplitst worden in twee delen, namelijk de "primaire visuele
cortex" en de "secundaire visuele gebieden". Alle impulsen van visuele stimuli komen eerst
binnen in de primaire visuele cortex en worden dan voortgeleidt naar de secundaire visuele
gebieden, waar als het ware een analyse wordt gedaan over het inkomende visuele signaal. De
secundaire visuele gebieden bestaan uit een occipitaal deel en een parietaal deel.
Signalen die geassocieert kunnen worden met "vorm", "ruimtelijke positie" ofwel "3D positie" en
"beweging" worden voornamelijk voortgeleidt naar de superieure delen van de occipitale
gedeelten en de posterieure delen van de parietale gedeelten. Signalen zoals "visueel detail" en
"kleur" worden voornamelijk voortgeleidt naar de anterioventrale delen van de occipitale
gedeelten.
Fig-6: Voortgeleiding en opsplitsing van signalen in de visuele cortex.
- zwarte pijlen = "vorm", "ruimtelijke positie" ofwel "3D positie" en "beweging"
- rode pijlen = "visueel detail" en "kleur"
Neurovasculaire Koppeling
Voor onderstaande gedetailleerde beschrijving is steeds Fig-7 van toepassing.
Activiteit in een hersengebied leidt tot een verhoogd metabolisme en dus ook tot een verhoogde
afvalproductie van de neuronen en gliacellen behorend tot dat gebied. Dit gaat gepaard met een
verhoogde regionale cerebrale doorbloeding (rCBF). We kunnen dus concluderen dat er een
koppeling bestaat tussen hersenactivatie en perfusie. Dankzij deze neurovasculaire koppeling is
er steeds voldoende toevoer van zuurstof en glucose naar de verschillende hersengebieden,
alsook afvoer van afvalstoffen.
De realiteit is ingewikkelder. De hoeveelheid toegevoerde zuurstof volgt de actuele consumptie
ervan niet. Bij activatie daalt eerst het zuurstofgehalte van het bloed, wat een indicatie is voor een
verhoogd metabolisme ter hoogte van dat specifieke hersengebied. Dit gebeurt tijdens de eerste
seconden van hersenactiviteit en wordt "vroege respons" genoemd.
Deze vroege respons wordt gevolgd door een grote stijging van de zuurstofconcentratie (late
respons), aangezien de stijging in perfusie de vraag naar zuurstof overcompenseert. Er vindt dus
een ontkoppeling plaats tussen de rCBF en het oxidatieve metabolisme. Dit leidt tot een locale
stijging van de zuurstofconcentratie in het bloed. De late respons bereikt zijn maximum ongeveer
3 tot 9 seconden na aanvang van hersenactiviteit.
De neurovasculaire (ont)koppeling tussen lokale hersenactiviteit en de cerebrovasculaire
fysiologie leidt tot drie effecten die kunnen bijdragen tot het fMRI signaal.
1) Stijging perfusiesnelheid.
2) Stijging van het bloeddoorstromingsvolume.
3) Lokale verandering van het zuurstofgehalte in het bloed.
Vooral het laatste effect is van grote invloed op het fMRI signaal. Daarom noemt men het ookwel
BOLD (Blood Oxygen Level Dependent) contrast. Zuurstof wordt gebonden aan hemoglobine
(Hb) moleculen in het bloed en dit tezamen wordt OxyHB genoemd. Dit zorgt voor een extra
defasering en geeft resulterend een verhoogd T2* signaal.
Fig-7: Hersenactiviteit en de cerebrovasculaire koppeling.
A: Situatie in rust.
B: Tijdens neurale activatie.
C: Het tijdsverloop van de verandering van de oxyHB-concentratie bij neurale activatie.
D: De sequentie van cerebrovasculaire veranderingen die leiden tot een verhoogd (T2*)
MRI-signaal.
Referenties
- Guyton, Arthur C. Hall, John E. Textbook of Medical Physiology, 2000. W.B. Saunders
Company, Philadelphia.
- Netter, Frank H. Atlas of Human Anatomy, 1997. Icon Learning Systems, New Jersey.
- Silbernagl, Stefan. Atlas van de Fysiologie, 1996. Georg Thieme Verlag, Stuttgart.
- Mey de, Tom. fMRI: Bepaling van de Hemodynamische responsfunctie, 2003. Katholieke
Universiteit Leuven.
- http://www.braindynamics.net/braindynamics/braindynamics/publications/pub_files/liddell_03_fMRI.pdf
- http://www.jneurosci.org/cgi/content/abstract/18/12/4697
- http://serendip.brynmawr.edu/bb/neuro/neuro99/web2/Hellew.html
- gerelateerde artikelen op www.pubmed.com