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Nervous system 07/10/2015 1 Biological basis of behaviour Announcements Movember Iwill support any person in the class who joins a team Thanksgiving thank your parent(s) Announcements Regenesis If you are a undergraduate or graduate student, please support our work by taking 20 seconds of your time to cast your vote in support of Regenesis at: evote.yorku.ca A teaching moment – critical thinking & the federal election Social Psychology in Action How the media & politicians shape political debate How many of you have heard about the debate about the niqab during the federal election campaign? How many of you have heard about the debate about aboriginal issues during the federal election campaign?

Lecture #4 - Biology of Behaviour

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1

Biological basis of behaviour

Announcements

• Movember

– Iwill support any person in the class who joins a team

• Thanksgivingthank your parent(s)

Announcements

• Regenesis

– If you are a undergraduate or graduate student, please support our work by taking 20 seconds of your time to cast your vote in support of Regenesis at: evote.yorku.ca 

• A teaching moment – critical thinking & the federal election

Social Psychology in Action

• How the media & politicians shape political debate

– How many of you have heard about the debate about the niqab during the federal election campaign?

– How many of you have heard about the debate about aboriginal issues during the federal election campaign?

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Social Psychology in Action• Availability heuristic

– A mental shortcut that relies on immediate examples (usually visual) that come mind when evaluating a specific topic, concept, or decision. 

– Not just in Canada, not just one party

Communication in the Nervous System

• neurons (nerve cells):  workers ‐‐transmit info

glial cells: bodyguards -- feed & protect

Structure of a Neuron• Dendrites 

– receive info from other neurons and transmits to cell body.

• Cell body– contains nucleus; decides “to fire or not to fire”

• Axon

– conducts impulses (fire signal) away from cell body

Structure of a Neuron

Myelin Sheath fatty insulation from glial cells surrounding axon

multiple sclerosis: loss of myelin causes erratic signals

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Recent views on neurons• neurogenesis: production of new neurons from immature stem cells– immature cells can develop into any cell type in the appropriate environment

• Mirror neurons– Neurons activated by performing an action or “seeing another” perform the same action 

• little progress in understanding the function of mirror neurons

• overemphasis on the studying actions?

How Neurons Communicate

• axon terminals release neurotransmitters

• neurotrans. enters synaptic gap

• neurotrans. binds to receptors that it fits

• Excitatory signal (pos) Fire!

• Inhibitory signal (neg) Hold your fire!

Action Potential• Cell at rest (resting potential): polarized membrane (neg. molecules/ions inside & pos. outside)

• Cell body averages out signals & decides if it should fire.

• Cell in action (action potential ‐‐ AP): membrane depolarised & pos. sodium ions flood in  

• AP is an electrical signal that follows an all‐or‐none law (same strength); the intensity of stimulation is determined by the rate of firing

From Postsynaptic Potentials to Neural Networks

• One neuron gets signals from thousands of others

• Requires integration of signals– PSPs (+ & ‐) add up

• Neural networks– patterns of neural activity: interconnected neurons that fire together or sequentially

• Synaptic connections– elimination and creation: synaptic pruning

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Estimated number of synapses in the human visual cortex as a function of age.

Neurotransmitters

• Specific neurotransmitters work at specific synapses

– lock & key (binding)

• Agonist – chemical that mimics action of a neurotransmitter

• Antagonist – opposes action of a neurotransmitter

Neurotransmitters

• Acetylcholine (ACh): muscle control, but also memory & emotion 

– Agonist – nicotine

– Antagonist – curare

Neurotransmitters – The monoamines

Dopamine: movement; learning; emotion

Parkinson’s -- dopamine degeneration

Schizophrenia – dopamine hypothesis

Norepinephrene: mood & arousal

Serotonin: sleep & wakefulness; appetite; agressionProzac (antidepressant) – serotonin circuits

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Neurotransmitters – The amino acids

GABA Gamma-aminobutyric acid

Inhibitory PSPs

Glutemate Excitatory PSPs

Other chemical messengers

• Endorphins (endogenous opioid peptides): natural opiates – reduce pain & increase pleasure by altering neurotrans. activity

• Hormones produced by glands (e.g., pituitary, pineal) in the endocrine system, for (slow) control of general systems through bloodstream– Oxytocin – reproductive beh., bonding, trust

– Melatonin – biological rhythms

Structure of the Nervous System The Central Nervous System

• Brain

• Spinal cord

– from the base of the brain down the center of the back.

– protected by spinal column.

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The Withdrawal Reflex Peripheral Nervous System

• Somatic 

– nerves connected to sensory receptors & skeletal muscles

– afferent (incoming) & efferent (outgoing) nerves

• Autonomic

– sympathetic systemmobilizes resources & increases energy during emotion and stress

– parasympathetic system operates during relaxed states & conserves energy

The Autonomic Nervous System

Emily Dickinson

The Brain – is wider than the Sky –For – put them side by side –The one the other will containWith ease – and You – beside –

The Brain is deeper than the sea –For – hold them – Blue to Blue –The one the other will absorb –As Sponges – Buckets – do –

The Brain is just the weight of God –For – Heft them – Pound for Pound –And they will differ – if they do –As Syllable from Sound –

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Mapping the Brain

• Lesion method

• Electroencephalogram (EEG)

• Electrical stimulation of the brain (ESB)

– Transcranial magnetic stimulation (TMS)

• Computerized tomography (CT scan)

• Positron‐Emission tomography (PET)

• Magnetic resonance imaging (MRI & fMRI)

Lesion method

• Lesion: abnormality from trauma (e.g., concussion), disease or intentional neurosurgery

Computerized tomography ‐‐CT scan

• high def ‐‐ bony structures & soft tissues

• organs: brain, muscles, joint structures, veins & arteries

• anomalies: tumors & hemorrhages 

Positron‐Emission tomography (PET)

• 3‐d images of blood flow & chemical reactions 

• measures use (metabolization) of glucose & oxygen in brain

• more active brain areas ‐‐ increased blood flow & more oxygen consumption

Normal Alzheimer's

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functional Magnetic resonance imaging fMRI

• uses magnetic field, radio frequency pulses & computer to produce detailed pictures of organs, soft tissues, bone, etc. 

• measures tiny metabolic changes taking place in active part of brain 

Axial slice renderings of mean activations (red/yellow scale bar) and deactivations (blue/green scale bar) associated with improvisation during Scale and Jazz paradigms

Anatomy of the Brain – greatest hits

• The brain stem

• The cerebellum

• The thalamus

• The hypothalamus and the pituitary gland

• The amygdala

• The hippocampus

• The cerebrum and lobes of the cerebral cortex

Hindbrain• Pons ‐‐ sleeping, waking & dreaming.

• Medulla ‐‐ automatic functions (breathing, heart rate, …)

• Cerebellum ‐‐Regulates movement and balance

• Mnemonic: Medusa bless her heart, cerebrates her dance on the ponds of her dreams

Midbrain

• between hind. & forebrain 

• dopamine synthesis (movement)

• Reticular formation –arousal

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Forebrain• Thalamus ‐ relays sensory messages to the cerebral cortex

• Hypothalamus – basic drives (hunger, thirst, sex)

• Limbic system – network involved in emotion, motivation, & memory

• Amygdala ‐ emotion regulator

• Hippocampus ‐ gateway to memory (the case of H.M.)

Forebrain

Mnemonic: Thalma the traffic cop & sex hungry hypo-Louise forgot to set up their hippocampus in the Lymbic system and they cried their amygdalas out.

The Cerebrum

• Largest structure of forebrain

• Upper part of brain that is divided into two hemispheres connected by the corpus callosum.

• In charge of most sensory, motor and cognitive processes.

• Surrounded by cerebral cortex (3 mm of layers of dense grey cells) that can be divided into four lobes (per hemis.)

Lobes of the Cerebral Cortex• Occipital lobes

– Visual cortex.

• Parietal lobes

– Somatosensory cortex.

• Temporal lobes

– Memory, perception, emotion and auditory cortex.

– Left lobe, Wernicke’s area

• Frontal lobes

– Emotion, planning, creative thinking and motor cortex.

– Left lobe, Broca’s area

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Lobes of the Cerebral Cortex Adaptiveness – Echolocation & the blind

• Daniel Kish

• Where does it happen in the brain?

Hemispheres & Corpus Callosum

• Millions of axons connecting hemispheres

• pathway for communication

• severed for  treatment of severe epilepsy

Hemispheric specialisation

Left hemisphere

Broca’s area (1861) -- left frontal lobe handles speech production

Wernicke’s area (1874) -- left temporal lobe deals with language comprehension

Right hemisphere: spatial abilities, facial recognition, & creativity

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THE “SPLIT” BRAIN• 1953: Myers & Sperry sever corpus callosum (c.c) in cats

• 1960s: c.c. severed in humans with severe epilepsy (split brain patients)

• 1970s: Sperry conducts studies with patients (N.B. neural connections crossed)

• 1981: Sperry wins Nobel prize

http://ca.youtube.com/watch?v=lfGwsAdS9Dc

Split‐Brain ExperimentHemispheric specialisation

• studies based on assumption of right handedness

• data from left handers is mixed

• handedness may exist on a continuum

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Handedness

• 1 – right only

• 2 – right usually

• 3 – both hands

• 4 – left usually

• 5 – left only

1. Draw?2. Ball throwing?3. Bread slicing?4. Match holding?5. Hair combing?6. Lid removal?7. Teeth brushing?8. Cutting?9. Spoon holding?10. Sweeping (top hand)?11. Writing?

Are There “His” and “Hers” Brains?

• small diffs between gender groups

• larger differences within groups.

• sex diffs in lateralization of language?

– not always replicated

– no support in meta‐analyses

• sex differences in brain could be the result rather than the cause of beh. diffs

Critical thinking: The allure of neuroscienceWeisberg et al, in 2008

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