Hersenen

De hersenen (meervoud, een enkelvoud bestaat in het Nederlands niet), ook het brein of het encephalon (Grieks voor "in het hoofd"), zijn het waarnemende, aansturende, controlerende en informatieverwerkende orgaan in dieren. Er zijn drie groepen dieren met hersenen: alle gewervelden en van de ongewervelden de geleedpotigen (insecten, spinnen, kreeften) en de inktvissen. De overige ongewervelden hebben geen hersenen maar collecties van individuele ganglia. De hersenen bevinden zich over het algemeen in de kop van het dier.

De hersenen zijn een extreem complex orgaan; het menselijk brein is opgebouwd uit ca. 100 miljard neuronen (zenuwcellen) waarvan elk in verbinding staat met een groot aantal andere zenuwcellen, soms vele duizenden. De hersenen besturen en coördineren sensorische systemen, beweging, gedrag en homeostatische lichaamsfuncties zoals ademhaling, bloeddruk en lichaamstemperatuur. De hersenen zijn de bron van beweging, geheugen en (bij hogere soorten) cognitie en emotie.

Anatomie

In de meeste hersenen is een duidelijk verschil zichtbaar tussen grijze stof en witte stof. Grijze stof bestaat uit de cellichamen van de neuronen; witte stof bestaat uit de vezels (axonen) die de neuronen over lange afstand verbinden. De buitenste lagen van de hersenen noemt men de cerebrale cortex of hersenschors. Deze bestaat voornamelijk uit grijze stof. Behalve in lagen komen cellichamen ook voor in kernen. Ze zijn over het gehele centrale zenuwstelsel verspreid. De axonen in de witte stof zijn omgeven door een vettige, beschermende en isolerende laag; myeline. Myeline is verantwoordelijk voor de kleur van de witte stof.

Bij lagere gewervelden (vissen, reptielen, amfibieën) bestaat de cerebrale cortex uit minder dan zes lagen; deze structuur wordt ook wel allocortex genoemd. Bij zoogdieren bestaat een deel van de cerebrale cortex uit zes lagen, dit deel wordt de neocortex genoemd en ligt bovenop de oudere allocortex. Bij hogere zoogdieren zoals primaten neemt de neocortex een groter deel in dan bij lagere zoogdieren.

Deze schematische tekening laat de subdivisies zien van de hersenen van een embryo. Later zullen deze delen zich ontwikkelen tot volwassen structuren

De hersenen zijn in te delen in verschillende gebieden:

• Rhombencephalon (achterhersenen)
  • Myelencephalon
  • Metencephalon
• Mesencephalon (middenhersenen)
• Prosencephalon (voorhersenen)
  • Diencephalon
  • Telencephalon

Een eenvoudiger en gangbaardere indeling is:

• Cerebrum (grote hersenen)
• Cerebellum (kleine hersenen)
• Hersenstam

Neurobiologie

Ondanks de variatie in diersoorten die hersenen hebben zijn er op cellulair, structureel en functioneel niveau veel overeenkomsten. Op cellulair niveau; de hersenen bestaan uit twee soorten cellen; neuronen en gliacellen. Beide soorten cellen komen voor als verschillende celtypen die ook verschillende functies hebben. Onderling verbonden neuronen vormen neuronale netwerken. Deze netwerken lijken op de kunstmatige elektrische circuits in zoverre dat ze schakelende elementen bevatten (neuronen) die met elkaar verbonden zijn door biologische bedrading (zenuwvezels). Normaliter zijn neuronen verbonden met minimaal 1000 andere neuronen. Deze uiterst gespecialiseerde netwerken vormen systemen die de basis vormen van perceptie, actie en hogere cognitieve functies.

Histologie

De cellen die actiepotentialen genereren en informatie doorsturen naar andere cellen zijn de neuronen; deze cellen zijn de belangrijkste cellen in de hersenen, wat niet wil zeggen dat de andere gemist zouden kunnen worden. In elk hersengebied bevinden zich neuronen die input ontvangen (afferente neuronen), die een output produceren (efferente neuronen) en interneuronen. Afferente neuronen ontvangen projecties van andere hersengebieden. Efferente neuronen projecteren naar andere gebieden. Interneuronen hebben geen connecties buiten het hersengebied waarin ze liggen, maar zorgen voor locale verwerking.

Naast neuronen bevatten de hersenen gliacellen, ongeveer 10 tot 50 per neuron. Gliacellen (Grieks glia = lijm) hebben een ondersteunende rol in de hersenen waaronder het produceren van het isolerende myeline, het verschaffen van structuur aan het neuronale netwerk en het verwerken van afval. De meeste soorten gliacellen die zich in het centrale zenuwstelsel bevinden, vind je ook in het perifeer zenuwstelsel. Een uitzondering zijn de oligodendrocyten die in het centrale zenuwstelsel axonen isoleren; in het perifeer zenuwstelsel zijn hiervoor de Schwanncellen verantwoordelijk.

Bij zoogdieren worden de hersenen omgeven door bindweefselvliezen, de hersenvliezen. Het is een systeem van membranen dat de hersenen scheidt van het schedel. De vliezen zijn van buiten naar binnen opgebouwd uit het harde hersenvlies, het spinnenwebvlies en het zachte hersenvlies. Het spinnenwebvlies is verbonden met het harde hersenvlies en deze worden soms als één laag gezien. Onder het spinnenwebvlies bevindt zich een ruimte waarin zich de hersenvloeistof bevindt, waarin de hersenen zweven. Bloedvaten komen het zenuwstelsel binnen via de ruimte boven het zachte hersenvlies. De bloed-hersenbarrière, een functionele scheiding tussen bloedvaten en hersenweefsel beschermt de hersenen enigszins tegen toxines die mogelijk met het bloed mee binnenkomen.

De hersenen zweven in het hersenvocht, dat ook wel cerebrospinale vloeistof, liquor cerebrospinalis of kortweg liquor genoemd wordt. Het circuleert tussen de lagen van de hersenvliezen en door holtes in de hersenen die we ventrikels noemen. Chemisch is het belangrijk voor het metabolisme en mechanisch is het belangrijk als schokdemper. De menselijke hersenen wegen ongeveer 1 tot 1,5 kilo. De massa en dichtheid van de hersenen zijn zo hoog dat de hersenen onder hun eigen gewicht in elkaar zakken als ze niet worden gesteund. Doordat ze drijven in de liquor heeft de zwaartekracht dit effect niet in het hoofd. Omdat de schedel hard en op enkele kleine openingen na gesloten is, zouden de hersenen niet kunnen opzwellen of uitzetten als er geen liquor was; de druk zou bij zwellingen en kneuzingen snel oplopen tot waarden waarbij geen doorbloeding meer mogelijk is met de dood als onmiddellijk gevolg. De verdringbare hersenvloeistof ondervangt ook dit effect voor een groot deel.

Functies

Hersenen van gewervelden ontvangen signalen van de 'sensors' (receptoren) van het organisme via de zenuwen. Deze signalen worden door het centrale zenuwstelsel geïnterpreteerd waarna reacties worden geformuleerd, gebaseerd op reflexen en aangeleerde kennis. Eenzelfde soort systeem bezorgt aansturende boodschappen vanuit de hersenen bij de spieren in het hele lichaam.

Sensorische input wordt verwerkt door de hersenen voor de herkenning van gevaar, het vinden van voedsel, het identificeren van mogelijke partners en voor meer verfijnde functies. Gezichts- gevoels- en gehoorsinformatie gaat eerst naar specifieke kernen van de thalamus en daarna naar gebieden van de cerebrale cortex die bij dat specifieke sensorische systeem horen. Reukinformatie (fylogenetisch het oudste systeem) gaat eerst naar de bulbus olfactorius, daarna naar andere delen van het olfactorisch systeem. Smaak wordt via de hersenstam geleid naar andere delen van het betreffende systeem.

Om bewegingen te coördineren hebben de hersenen een aantal parallelle systemen die spieren besturen. Het motorisch systeem bestuurt de willekeurige bewegingen van spieren, geholpen door de motorische schors, de kleine hersenen (het cerebellum) en de basale ganglia. Uiteindelijk projecteert het systeem via het ruggenmerg naar de zogenaamde spiereffectors. Kernen in de hersenstam besturen veel onwillekeurige spierfuncties zoals de ademhaling. Daarnaast kunnen veel automatische handelingen zoals reflexen gestuurd worden door het ruggenmerg.

De hersenen produceren ook een deel van de hormonen die organen en klieren beïnvloeden. Aan de andere kant reageren de hersenen ook op hormonen die elders in het lichaam geproduceerd zijn. Bij zoogdieren worden de meeste hormonen uitgescheiden in de bloedsomloop; de besturing van veel hormonen verloopt via de hypofyse.