H5 (ASS): Breinmodellen van intelligentie

Wat houdt de biologische benadering in?

het bestuderen van de hersenen

Wat gebeurt in de hersenen is het resultaat van ... en ...?

genen & omgeving

3 regels die we moeten onthouden als we naar de hersenen kijken?

1) geen enkel verhaal over het brein is eenvoudig (brein = heel complex)

2) geen enkele studie is afdoend

3) het duurt vele jaren om inconsistente resultaten te ontwarren en te komen tot een overtuigend gewicht van bewijs (the weight of evidence)

Basale hersenanatomie:

- gewicht hersenen?

- welke vier kwabben? wat vormen deze vier kwabben?

- kleine hersenen?

- 1,5 kg

1) frontale kwab

2) occipitale kwab

3) pariëtale kwab

4) temporale kwab

-> vormen de cerebrale cortex

- kleine hersenen = cerebellum

Basale hersenanatomie: subcorticale structuren?

-> corpus callosum?

-> gyrus cingula?

-> libimisch systeem: bestaat uit ...? functie?

- corpus callosum: verbindt 2 hemisferen

- gyrus cinguli: communicatie in de cortex

- LS: hippocampus: beslissingen over wat we onthouden en het opslaan van ruimtelijke info + amygdala: belangrijk bij verwerken van emotionele info

frontaal-posterieur

ventraal-dorsaal

mediaal-lateraal

voorkant-achterkant

onderkant-bovenkant

midden-zijkant

Leg uit: somatosensorische & motorische info contralateraal afgebeeld

Wat we L ervaren, voelen, zien wordt verwerkt R deel van de hersenen en omgekeerd

Lateralisering van functies -> wat betekent dit?

Bij de meeste mensen zitten taalfuncties vooral links, maar er zijn individuele verschillen -> hersenen functioneren niet bij iedereen op dezelfde manier

Ongeveer hoeveel neuronen in het brein?

86 miljard neuronen:

- onze hersenen vormen een netwerk van neuronen (deze staan voortdurend met elkaar in connectie)

- onderscheid grijze & witte stof

grijze vs witte stof (in de hersenen)

witte stof: gemyeliniseerde neuronen -> zorgt vr het verspreiden van info van het ene hersengedeelte nr het andere

grijze stof: betrokken bij lokale verwerking

Sommige hersengebieden vervullen specifieke functies, maar de hersenfuncties werken eigenlijk vooral als systeem.

-> Broca's & Werniche area?

Broca:

- frontaal-links, posterieur

- belangrijke rol bij het produceren an verbale info (spreken)

- schade: moeite met zich uitdrukken, knn taal van anderen wel nog goed begrijpen

Wernicke:

- temporeel-links, posterieur

- belangrijke rol bij begrijpen van verbale info

- vloeiend spreken, maar onzin en moeite met begrijpen van taal van anderen

Orkestmetafoor (=metafoor gebruikt om na te denken over hersenfunctioneren)

- grote en kwaliteit?

- effect wegvallen musici?

- van waar komt muziek?

- relatie kwaliteit musici en orkest?

- relatie loon musici en kwaliteit orkest?

- effect wevallen dirigent?

- muziek = ... kenmerk?

- grootte en kwaliteit van het orkest: grote orkesten spelen typisch beter (maar niet altijd

- effect wegvallen musici is afhankelijk van het muziekstuk: als de instrumenten niet nodig zijn, zal je niet merken dat ze er niet zijn

- muziek komt van overal: heel veel verschillende hersendelen op hetzelfde moment actief

- relatie tussen kwaliteit van individuele musici en kwaliteit van orkest: top musici betekent niet perse top orkest -> hersendelen moeten goed op elkaar inspelen!

- relatie tussen loon musici en kwaliteit orkest: hersendelen die complexe/belangrijke taken uitvoeren krijgen meer middelen (vb. zuurstof)

- effect van wegvallen dirigent: dirigent heel belangrijk, maar maakt zelf geen geluid -> zonder dirigent knn ze geen stukken spelen die ze nog niet goed kennen

- muziek = emergent kenmerk: info wordt geïntegreerd tot een geheel

Autometafoor

-> veel soorten, maar ...?

-> kwaliteit waarvan afhankelijk?

-> op welke vlakken verschillen auto's? met wat heeft dat te maken?

- er zijn veel soorten auto's, maar ze hebben allemaal dezelfde basisonderdelen (werken min of meer op = manier)

- kwaliteit van de auto afhankelijk van hoe de basisonderdelen samenwerken

- auto's verschillen in snelheid, verbruik -> heeft te maken met efficiëntie: sommige motoren zijn efficiënter dan ander, maar ook minder efficiënte motor kan je ver brengen

Technologieën voor beeldvorming van de hersenstructuur: CAT

-> voluit?

-> hoe werkt dit?

-> nadeel?

Computerized Axial Tomography (CAT): obv X-stralen

nadeel: stralen zijn potentieel schadelijk, dus kan je niet regelmatig op dezelfde persoon toepassen (<-> sMRI)

Technologieën voor beeldvorming van de hersenstructuur: sMRI

-> voluit?

-> hoe werkt dit?

-> vergelijking met CAT?

Structural Magnetic Resonance Imaging (sMRI): beeldvorming met elektromagneten en radiogolven

in vgl met CAT: gedetailleerder + geen straling!

Technologieën voor beeldvorming van de hersenstructuur: DTI

-> voluit?

-> hoe werkt het en wat identificeert het?

Diffusion Tensor Imaging (DTI): het is een vorm van beeldvorming met elektromagneten en radiogolven, het identificeert witte stof (bekabeling vd hersenen)

Technologieën voor beeldvorming van hersenfunctioneren: PET

-> voluit?

-> wat wordt er gemeten?

-> welke resolutie is heel goed?

-> 2 nadelen?

Positron Emisson Tomography (PET): scanning meet het glucosemetabolisme

-> ruimtelijke resolutie heel goed! (temporeel minder sterk)

nadelen: duur en ongemakkelijk! (radio-isotopen moeten ingespoten worden)

Technologieën voor beeldvorming van hersenfunctioneren: fMRI

-> voluit?

-> wat wordt er gemeten?

-> welke resolutie is zeer goed?

Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI): meten van het BOLD signaal (blood oxigen level dependent)

-> meet dus het gebruik van zuurstof dr de hersendelen

-> ruimtelijke resolutie heel goed! (temporeel minder sterk)

Technologieën voor beeldvorming van hersenfunctioneren: EEG & ERP

-> voluit?

-> wat wordt er gemeten?

Elektro-encefalogram (EEG) & Event Related Potentials (ERP): elektrische golven worden gemeten

-> detecteren van veranderingen id hersenen

-> EEG: elektroden worden op schedel geplaatst en hersengolven worden gemeten

-> ERP: specifiek de reactie op een gebeurtenis bekijken!

Technologieën voor beeldvorming van hersenfunctioneren: MEG

-> voluit?

-> wat wordt er gemeten?

-> welk soort resolutie is goed?

Magneto-encefalogram (MEG): meet veranderingen in magnetische velden dieper in de hersenen

-> goede temporele resolutie (ruimtelijke minder)

Welk verband vinden we tussen grootte van de hersenen en intelligentie?

-> over soorten heen evolutionair gezien?

-> wie is dit beginnen onderzoeken hen hoe?

-> eerste data van hem?

-> wat waren 2 grote problemen bij dit onderzoek?

Over soorten heen evolutionair gezien: hoe groter de hersenen, hoe meer cognitieve mogelijkheden de soort heeft

-> Galton onderzocht dit door schedelomtrek te meten

-> eerste data: relatie tussen schedelomvang en examenresultaten van studenten Cambridge: .11 (kleine correlatie)

2 problemen:

- schedelomtrek is gecorreleerd met grootte van de hersenen, maar het is niet hetzelfde (.50)

- Cambridge studenten = sterk geselecteerde steekproef

Wat vindt een meta-analyse (2005) over de correlatie tussen IQ en hersengrootte?

.33 -> grotere hersenen gecorreleerd met hoger IQ

Wat vindt een recentere meta-analyse over de correlatie tussen IQ en hersengrootte?

Dat het verband afhankelijk is van de kwaliteit van de studie: correlaties tussen .23 en .39

Analyses rond IQ en hersengrootte kwamen in welk vaarwater terecht?

Dat van racistisch denken: de schedelomtrek van verschillende groepen is verschillend qua grootte -> dit werd gebruikt als een rechtvaardiging voor racisme

MAAR: hersengrootte wordt niet enkel genetisch bepaald (dr ras ofzo), maar ook dr omgeving! (vb. experimenten ratten: ratten in stimulerende omgevingen hebben grotere hersenen)

Zelfs als binnen Westerse maatschappij de hersengrootte volledig genetisch is, zou het nog steeds kunnen dat de verschillen tussen groepen volledig omgeving bepaald zijn.

Zelfs als binnen Westerse maatschappij de hersengrootte volledig genetisch is, zou het nog steeds kunnen dat de verschillen tussen groepen volledig omgeving bepaald zijn.

-> LEG DIT UIT ADHV VOORBEELD

vb. onderzoek naar de vruchtbaarheid van de grond waar je zaait en het effect van genetische bagage van planten:

ene helft zaadjes plant je op een onvruchtbare grond, andere helft op een vruchtbare grond

-> binnen een veld zijn verschillen volledig toe te schrijven aan genen

-> tussen velden zijn verschillen volledig toe te schrijven aan omgeving

Waar bevindt intelligentie zich?

-> wat stelt vroeg onderzoek?

-> MAAR?

-> wat stelden ze dus? klopt dit?

-> wat knn intelligentietesten dus niet?

frontale lobben zijn betrokken in complex redeneren en plannen -> ze veronderstelden dus dat de intelligentie daar zit

MAAR: bij frontale lobotomie is er geen daling in IQ

-> DUS: intelligentie bevindt zich toch niet in frontale lobben

-> MAAR: DIT KLOPT NIET; het hangt af van wat je meet (in sommige IQ testen worden belangrijke mechanismen niet gemeten)

-> intelligentietesten kunnen dus nooit alles vatten!

Waar bevindt intelligentie zich?

-> Start modern onderzoek

-> observaties hieruit?

modern onderzoek = met RAPM (Raven's Advanced Progressive matrices) en met PET scans

observaties hieruit:

- veelvoud aan regio's is actief (dus niet enkel frontale gebieden)

- hoe meer glucose er wordt verbruikt, hoe lager de RAPM-score: slimmere mensen gebruiken efficiënter hun hersenen

- DUS: slimmere mensen gebruiken minder energie (omdat ze efficiënter met hun brein kunnen omgaan)

Wat stelt de Pariëtale-Frontale Integratie theorie (P-FIT)?

Stelt dat intelligentie niet uit één hersengebied komt, maar ontstaat door samenwerking tussen meerdere hersengebieden, vooral in de pariëtale en frontale kwabben.

Maar ook deze gebieden zijn belangrijk:

- delen van temporale en occipitale cortex

Netwerk = belangrijk: intelligent gedrag komt voort uit een netwerk, niet uit één plek

-> hoe beter de samenwerking van het netwerk (dus de wittestofbanen), hoe beter je het doet op cognitieve taken

Haier et al. onderzoek - P-FIT: hoeveel regio's gerelateerd aan intelligentie?

14 regio's gerelateerd aan intelligentie

1) donkerblauwe cirkels: hersengebieden in linkerhemisfeer die samenhangen met intelligentie

(gebaseerd op Brodmanngebieden)

2) lichtrode cirkels: beide hersenhelften vertonen activiteit (bilateraal)

3) gele pijl: arcuate fasciculus: witte stofbaan die frontale, pariëtale en temporale gebieden met elkaar verbindt.

Predictief obv P-FIT: in welke stadia wordt info verwerkt?

- verwerking van input: occipitaal & temporaal (basisverwerking van visuele & auditieve info)

- integratie & abstractie: pariëtale kwab = belangrijk voor aandachtscontrole en snelheid van denken

- probleemoplossing en evaluatie: obv pariëtale-frontale interactie: pariëtale en frontale kwab werken samen om hypothese te testen

- responsselectie: anterieure cingulate gyrus: antwoord kiezen

Waarmee hangt "gyrificatie" samen?

Gyrificatie = aantal vouwen aan de oppervlakte in pariëtale & frontale cortex -> hangt samen met het WG:

- vergroot verwerkingssnelheid tussen regio's in de hersenen

- vergoot efficiëntie van WG

Probleem: onderscheiden algemene en specifieke vormen van intelligentie

- soms wordt dezelfde IQ-score gevonden op basis van een zeer verschillend patroon aan testscores: vb. hoog G kan komen door goed verbale index, maar het kan ook door goede visuele index

- hersenactiviteit bij specifieke cognitieve testen: zijn ze een maat voor g?

Experiment: vóór en na controleren van g

vóór controleren g: je ziet veel hersenactiviteit voor verschillende soorten vaardigheden:

- verbaal

- ruimtelijk

- schoolse vaardigheden

(kleuren geven aan waar er sterke relatie is tussen hersendikte en prestaties)

na controleren g: Wat blijft er over van de hersenactiviteit als we eerst het effect van algemene intelligentie (g) eruit filteren?

Resultaat: bijna geen kleur meer, dus bijna geen unieke hersengebieden per taak.

wat het betekent:

- veel van deze activiteit bij taken is niet specifiek voor taal, rekenen, of ruimtelijk inzicht

- de activiteit hangt vooral samen met g

DUS: veel taken gebruiken dezelfde hersengebieden die te maken hebben met algemene intelligentie!

Onderzoek laesiestudies: intelligentietest afnemen bij mensen met laesies in sommige gebieden

-> welke 3 soorten evidentie werd er gevonden?

- evidentie gevonden voor g: g zit vooral in pariëtale en frontale gebieden, want als deze gebieden uitvallen leidt het tot cognitieve problemen (niet beperkt tt één taak)

- evidentie voor specifieke gebieden aka sommige hersengebieden zijn heel taakspeclifiek: vb. Wernicke gebied belangrijke rol bij verbale testen (schade hieraan beïnvloedt je taal, maar niet perse algemene intelligentie)

- evidentie voor overlap tussen executief functioneren en g: executieve functies hangen sterk samen met g

Experiment oorlogsveteranen: g en executieve functies

executieve functies en g zijn nauw verbonden in de hersenen, maar executieve functies zijn iets frontaler en specifieker gelokaliseerd

🟠 Oranje = gebieden belangrijk voor algemene intelligentie (g)

🟢 Groen = gebieden belangrijk voor executieve functies (EF) (zoals plannen, aandacht, werkgeheugen)

🔴 Rood = gebieden die belangrijk zijn voor beide: g én EF

-> g is verspreid over pariëtale en frontale gebieden

-> EF meer geconcentreerd in frontale gebied

-> veel overlap tussen beide = rood!!

DUS: overlap tussen g en executieve functies!!!!

Waar bevindt intelligentie zich: meta-analyse Basten & Fiebach (2021)

- 28 studies

- > 1000 pp

-> naar wat keken zij? (2)

-> resultaten/bevindingen?

keken naar:

- functionele correlaten van intelligentie (hersenen in actie)

- structurele correlaten van intelligentie (grijze stofdichtheid via VBM)

wat ze vonden:

- rood: positieve associatie met hersenactivatie

- blauw: negatieve associatie met hersenactivatie

-> sommige gebieden (zoals insula) tonen minder activatie bij hogere intelligentie, wat kan wijzen op efficiëntere verwerking

- groen: positieve structurele associatie: meer grijze stof in bepaalde gebieden hangt samen met hogere intelligentie

-> DUS: intelligentie hangt samen met een netwerk van hersengebieden + mensen activeren hersengebieden meer of juist efficiënter, afhankelijk van de taak.

Hoe kunnen we patronen in hersenconnectiviteit onderzoeken?

-> via functionele en structurele connectiviteit

-> via voxels

- via structurele (DTI) en/of functionele connectiviteit

-> structureel: kijken nr witte stof: welke hersendelen zijn verbonden met andere?

-> functioneel: als een bepaald hersendeel actief is, welke andere ook?

- via voxels (= 3D pixel in hersenscans): elke voxel laat zien hoeveel activiteit of stofwisseling er is op dat punt in de hersenen -> door te kijken welke voxels tegelijk actief zijn, zie je functionele verbindingen

-> activiteit in voxels correleren met elkaar

Wat is de "Graph theory"?

-> wat zijn nodes?

-> edges?

-> rich clubs?

-> small world connections?

-> global connections?

-> hoe correleert dit alles met IQ?

Een manier om patronen van hersenconnectiviteit in kaart te brengen.

- nodes: voxels (lokale gebieden die al dan niet actief zijn)

- edges: connecties tussen nodes

- rich clubs: nodes met veel connecties

- small world connections: nodes die verbonden zijn met nabijliggende nodes

- global connections: nodes die verbonden zijn met verliggende nodes

-> correleert hoog met IQ: hoog IQ betekent meer en sterkere connecties

Voorspellen van intelligentie obv connectiviteit

-> aanvankelijk?

aanvankelijk heel uitdagend: kleine steekproeven en methoden

-> MAAR: grote steekproeven nodig om tot stabiele conclusies te komen

Voorspellen van intelligentie obv connectiviteit: Stammen et al. (2022): witte stof en g-scores -> belangrijkste bevinding?

hogere densiteit in witte stof leidt tot hogere g-scores

Voorspellen van intelligentie obv connectiviteit: Finn et al. (2015): functionele connectiviteitspatronen tussen 268 nodes werd gemeten

-> wat werd er gedaan?

-> belangrijkste bevindingen?

N = 126: gekeken welke nodes actief zijn en welke met elkaar in connectie staan, afhankelijk van de taak

-> tijdens 6 verschillende cognitieve taken

-> elk individu had een uniek, stabiel connectiviteitspatroon

- connectiviteit frontale & pariëtale gebieden correleerden sterk met Gf: .46

- connectiviteitspatronen vrij stabiel over verschillende taken: het is niet taakafhankelijk, maar afh van de persoon

Voorspellen van intelligentie obv connectiviteit: Dubois et al. (2018): g en functionele connectiviteit in rusttoestand

-> belangrijkste bevindingen?

Ook zonder actieve taak (in rust) kan hersenconnectiviteit al genoeg informatie geven om intelligentie te voorspellen.

verband tussen connectiviteit hersengebieden in rusttoestand en g: 0.46

Wat zijn 3 problemen bij het voorspellen van intelligentie obv connectiviteit?

1) statistische problemen: je kan vals-negatieve en vals-positieve verbanden hebben

2) individuele verschillen: elk brein heeft een uniek connectiviteitspatroon (moeilijk om algemene modellen te maken die voor iedereen werken)

3) meetproblemen: veel studies gebruiken slechts één of enkele testen, het is beter om bredere batterijen te gebruiken die meerdere types intelligentie meten, zowel snelheidstaken als krachttaken bevatten (hoe moeilijk?)

Galton: stelde al dat hogere intelligentie te maken heeft met ... (3)

- snellere reactietijd

- meer mentale energie

- of meer cognitieve kracht

Intelligente hersenen zijn hersenen die efficiënt zijn, maar hoe kan het brein meer efficiënt zijn? (3)

- meer cognitieve bronnen: grotere hersenen knn meer info tegelijkertijd verwerken

- meer connectiviteit: meer connectiviteit = betere en snellere communicatie tussen hersendelen

- specifieke kenmerken van neuronen en synapsen (vb. betere synaptische plasticiteit)

Experiment Haier et al. (1995): glucose metabolic rate via PET

-> wat hield OZ in?

-> bevinding over IQ en training?

hield in:

- mensen moesten Tetris spelen

- IQ: mensen die hoger scoren op een IQ-test gaan eenzelfde taak uitvoeren met minder glucoseverbruik dan mensen met een laag IQ

- training: naarmate mensen meer oefenen kunnen mensen langer en sneller moeilijke taken doen en minder glucose verbruiken

Experiment Neubauer et al. (2005): correlatie tussen intelligentiescore en de amplitude in EEG/ERP

-> bevinding?

-> vrouwen vs mannen?

- lagere amplitudes of neurale responsen bij hogere intelligentiescore (dus: minder elektrische activiteit bij mensen met hoger IQ)

👩 Bij vrouwen:

Lagere hersenactiviteit (amplitude) bij verbale taken→ Vrouwen bereikten goede prestaties met minder hersenverbruik → hogere verbaal gerichte breinefficiëntie

👨 Bij mannen:

Lagere hersenactiviteit bij visueel-ruimtelijke taken→ Mannen toonden meer efficiëntie bij ruimtelijk gerichte taken

-> vrouwen zijn meer geneigd om een taak verbaal te verwerken en mannen om een taak visueel-ruimtelijk te verwerken

Experiment Schubert et al. (2017): EEG & verwerkingssnelheid

-> belangrijkste bevinding?

- de snelheid van hogere-orde informatieverwerkingsprocessen verklaart 80 % van g

Experiment Genc et al. (2018): MRI

-> belangrijkste bevinding rond densiteit en dendritische vertakkingen?

-> welke hypothese wordt hierbij opgesteld?

Hoog IQ voorspelt

- grotere hersenen

- lagere densiteit: minder neuronen

- minder vertakkingen van dendrieten

hypothese: intelligentie mensen zijn spaarzamer georganiseerd

Experiment Goriounova et al. (2018): MRI

-> welke lob onderzocht?

-> waarmee correleert IQ positief?

-> dus mensen met een hoger IQ hebben... en ... ?

-> wat werd bij een vervolgstudie gevonden? (2)

- temporale lob onderzocht

- IQ correleert positief met complexiteit van dendrieten van piramidale neuronen

- mensen met een hoger IQ hebben:

-> langere dendrieten

-> neuronen die sneller vuren

vervolgstudie: mensen met hoge intelligentie hebben dikkere cortex, maar NIET MEER NEURONEN

-> nog niet bevestigd!!!

Evidentie over breinefficiëntie is nog steeds niet bevestigd:

-> waarover heerst nog discussie?

-> in welke richting neigt de "weight of evidence"?

- nog discussie over hoe hersenefficiëntie tot stand komt

- weight of evidence in richting van breinefficiëntiehypothese (BEH) (glucose)

Hilger en Sporns (2021): samenvatting van meer dan 30 jaren neurobeeldvorming

-> hoe worden de hersenen opgebouwd?

hersenen opgebouwd via:

- nodes (knooppunten) = bepaalde hersengebieden

- edges (verbindingen) = verbindingen tussen hersengebieden

-> deze verbindingen knn gemeten worden op 2 manieren:

- structureel: via wittestofbanen

- functioneel: via gelijktijdige activiteit

Hilger en Sporns (2021): samenvatting van meer dan 30 jaren neurobeeldvorming

-> wat zijn 2 eigenschappen van het netwerk in ons brein?

1) efficiëntie: gaat over hoe snel info door het netwerk reist

2) modulariteit: geeft aan hoe het netwerk is opgedeeld in groepen (modules)

Hilger en Sporns (2021): samenvatting van meer dan 30 jaren neurobeeldvorming: belangrijkste bevindingen

- structurele connectiviteit: sterke verbinding corpus callosum bij intelligentere mensen

- functionele connectiviteit: intelligentere mensen minder communicatie tussen front-pariëtale netwerken en task-negative network

-> intelligentie hangt samen met een efficiënt breinnetwerk!

Conclusies over het brein (herinner 3 regels; zie begin) + wat weten we zeker? (3)

1) intelligentie in het brein is veeleer een netwerk, dan individuele hersengebieden

-> intelligentie zit niet op 1 plek!

-> g-factor zit niet op 1 plek, maar ook niet overal: het is een netwerk van verschillende hersengebieden dat samenwerkt op een efficiënte manier

2) BEH (breinefficiëntiehypothese)

-> glucoseverbruik vrij robuust vast te stellen!

-> nog discussie over wat dit betekent op vlak van structuur

3) g speelt een centrale rol: g bestaat echt, het is geen artefact

-> zowel structureel als functioneel zijn er aspecten van de hersenen die samenhangen met de g-factor!

-> zie studie waarvoor werd gecontroleerd voor g: alle significante verbanden vielen weg!