Hoorcollege 1: De bouwstenen van het brein en communicatie

Transcriptie

1 Hoorcollege 1: De bouwstenen van het brein en communicatie Hoofdstuk 1 en 2. De mens is een combinatie van neuraal weefsel, elektriciteit, chemie; een bewegend lichaam in interactie met een wereld. In dit college De cellen van het zenuwstelsel (H1) De bloed-hersenbarrière (H1) De zenuwimpulsen (H1) De synapsen: communicatie tussen neuronen (H2) Leerdoelen Neuronen en gliacellen kunnen beschrijven Beschrijven hoe een impuls wordt doorgegeven in een neuron Beschrijven hoe de bloed-brein barrière bijdraagt aan bescherming van het brein en de voeding van neuronen Alles-of-niets principe uitleggen Uitleggen hoe neuronen met elkaar communiceren Contrasteren van neurotransmitters, neuropeptiden en hormonen De cellen van het zenuwstelsel Je hebt 2 type cellen: neuronen en gliacellen. De ratio is ongeveer 1:10. Voor elke neuron heb je ongeveer 10 gliacellen. Neuronen Neuronen zijn de cellen van het zenuwstelsel. Ze geven impulsen door. We hebben ongeveer 100 miljard neuronen in onze hersenen. Het gewicht van het brein is gram. De neuronen zijn veel groter dan de gliacellen. Ze zijn dus met minder, maar wel groter. De neuronen zijn verantwoordelijk voor het ontvangen en geven van informatie aan andere cellen. Onderdelen van een neuron Soma = cellichaam Dendrieten (denk aan een boom)

2 Axon: - Axonheuvel - Collateralen (vertakkingen aan het eind van de axon) Eindknopjes Dendrieten Dendrieten zitten aan de buitenkant. Ze ontvangen impulsen. Ze vangen de eerste berichten op en geven dit door aan het cellichaam. Cellichaam Het cellichaam bevat organellen. Deze zorgen ervoor dat de cellen goed kunnen functioneren. Vanuit het cellichaam loopt een enorm lange sliert (axon). Axon Geeft de impulsen door vanuit het cellichaam, naar uiteindelijk de synapse. Synapsen Zorgen ervoor dat het signaal van het ene naar het andere zenuwcel kan. Celkern Bevat het DNA. Celmembraan: begrenzing van het neuron Het neuron zelf is omgeven met celmembraan. Celmembraan = een soort van vette laag, om de neuron heen. Het vormt een soort buffer om de extracullaire ruimte (buiten de neuron) en de intracullaire ruimte (binnen het neuron). In het celmembraan zitten kleine openingen waar stofjes (ionen) van de buiten- naar de binnenruimte kunnen reizen. Diversiteit Er is een diversiteit in de neuronen. Diversiteit is belangrijk. Waarom zouden we verschillende neuronen nodig hebben en niet gewoon één soort? Het gaat om samenwerking, specialisatie, en innovatie/flexibiliteit. Dit is ook bijvoorbeeld zo in een bedrijf. Een homogene groep werkt minder lekker dan een heterogene groep. Misschien zijn dat de redenen waarom we verschillende neuronen hebben: we moeten flexibel met bepaalde situaties om kunnen gaan. Neuronen verschillen in grootte, vorm en locatie. We kunnen ze op verschillende manieren categoriseren, maar het belangrijkst is of het neuron afferent of efferent is: Efferente neuron Geeft informatie (denk aan E van Exit, er gaat informatie uit) Afferente neuron Krijgt informatie

3 We hebben ongemyeliniseerde en gemyeliniseerde neuronen: Ongemyeliniseerde neuron Axon zonder laagje, gaat langzaam in het geleiden van actiepotentialen. Gemyeliniseerde neuron Hebben een laagje (myeline, een soort vetlaagje) om de axon heen, die de actiepotentialen veel sneller kunnen geleiden naar de eindknopjes. De gaten tussen de myelinestukjes heten de knopen van Ranvier. Myeline is een witte stof; een soort vetlaag om de axon heen. Als je een hersenscan ziet, zie je dat alles wat wit is gemyeliniseerde axonen zijn. De grijze stof zijn de neuronen of de cellichamen. In het ruggenmerk is dat weer omgekeerd, daar ligt de grijze materie in het midden en de witte materie (myeline) eromheen. Neuronen verschillen t.o.v. vorm, grootte en locatie. Gliacellen Glia betekent ook wel lijm. Maar glia is veel meer dan alleen lijm! Gliacellen zijn met veel meer en zijn veel kleiner. Belangrijk bij verschillende functies (bijvoorbeeld hygiëne, voeding en bescherming van het brein). Verschillende vormen van gliacellen Astrocyte Zit tussen de neuronen en de bloedvaten in. Deze heeft zich vastgemaakt aan het bloedvat en houdt de boel bij elkaar (lijmende functie). Ook onttrekt het informatie van voedingsstoffen uit de bloedvaten om door te geven naar bijvoorbeeld de neuronen. Radiale glia Deze is belangrijk op het moment dat neuronen geboren worden tijdens de ontwikkeling van het brein. Ze moeten dan van de één naar de andere plek toe. Deze migratie wordt begeleid door de radiale glia. Schwann cellen/oligondendrocyte Deze maken allebei de myeline om de axonen heen. Het is letterlijk een cirkeling om de axon heen: ze bouwen als een spin om zich heen. Er is wel een verschil tussen de twee cellen. De oligondendrocyte geeft de myeline in het centrale zenuwstelsel, de schwann cel geeft de myeline in het perifere zenuwstelsel. Microglia Een soort vuilnismannen van de hersenen. Ze zijn verantwoordelijk voor het opruimen van giftige stoffen van neurotransmitters die niet meer nodig zijn.

4 Hoe een astrocyte neuronen rondom zich synchroniseert De astrocyte gaat zelf met zijn uiteinden om een synaps heen zitten. Op het moment dat 2 neuronen vuren, dan krijgt de astrocyte dat mee en dan kan de astrocyte heel eventjes de activiteit van de verschillende neuronen inhiberen (stopzetten). Op het moment dat hij zijn rem weer loslaat, zal je zien dat ze daarna sneller tegelijkertijd vuren. We weten niet waarom een astrocyte dat doet, maar het heeft iets met leren te maken. De neuronen leren dat als ze samen vuren, dat ze een netwerk maken. De astrocyten ondersteunen daarin. Denk aan een DJ die de muziek even platlegt, iedereen kijkt naar boven, hij start de muziek weer en iedereen begint te springen. Daarna begint de party pas echt. Iedereen begint te dansen. Cells that fire together, wire together. Astrocyten kunnen daar een ondersteunende rol in spelen. Kleine samenvatting neuraal weefsel Hieronder zie je een samenvattend plaatje die laat zien waar we het net allemaal over hebben gehad:

5 Gliacellen (niet alleen lijm, maar ook bescherming van het brein) Neuronen (verschillende groottes, vormen en locaties) Actiepotentiaal (gaan we straks dieper op in)

6 De bloed-hersen barrière We hebben onze gliacellen en neuronen maar die moeten natuurlijk beschermd worden. Dit gebeurt door de bloedhersen barrière. De hersenen hebben heel veel energie nodig. Het zorgt voor: Bescherming van het centrale zenuwstelsel tegen vreemde organismen en chemische substanties. Regulatie van hersenmetabolisme. Energieregulering. Hoe werkt de bloed-hersen barrière? Het is een laag tussen de bloedvaten en hersenweefsel in. Er zijn een aantal stoffen die door dit schild kunnen: Glucose (belangrijkste voeding!) Eiwitten Glutamaat (een afleidende response) Zuurstof Glucose is dus de belangrijkste voeding van de hersenen om werkend te blijven. Glutamaat is de belangrijkste neurotransmitter van de hersenen. De zenuwimpulsen De zenuwimpulsen kun je zien als de elektriciteit in de hersenen. Wat moeten de neuronen met elkaar doen? Onze neuronen vormen een netwerk en communiceren met elkaar, met al die actiepotentialen. Bij ons ontstaat er bijvoorbeeld een idee van een frikandel of een roos. Hoe doen de hersenen dat? Ze communiceren via elektrische activiteit, die op de een of andere manier het gevoel geeft dat we er zijn: zo ontstaan onze gedachten, gevoelens, etc. Het is een belangrijke vraag: hoe ontstaan die gedachten eigenlijk? Waarom impulsen? Initiëren van boodschappen tussen neuronen (maken geen contact elektrisch). Het is een wisselwerking van chemie en elektriciteit. Alle activiteit samen leidt tot waarnemingen, gedachtes, gevoelens en handelingen. Hoe ontstaan boodschappen in een neuron? Hoe ontstaat het vuren van de neuron? Je moet eerst weten dat een neuron een rustpotentiaal heeft. Het rustpotentiaal wordt bepaald door een elektrische gradiënt en een concentratiegradiënt.

7 Verstoringen van het rustpotentiaal van de neuron. - Elektrische gradiënt - Concentratie gradiënt Spanning = elektrische druk tussen twee punten. Dat meten we met Volt. Je hebt een hoge spanning als het pijpje vol zit, en een lage spanning als het leeg is. Bronnen van spanning In onze neuronen hebben we het over milivolt. Hele kleine spanningen die neuronen kunnen produceren. Alle neuronen zijn ongeveer -60 milivolt als rustspanning. Rustpotentiaal De rustpotentiaal is altijd negatief in het neuron. De omgeving buiten het neuron is altijd positiever dan binnen het neuron. Methoden voor het meten van activiteit van een neuron Dit meten we door middel van apparatuur, zoals een versterker die aan een computer is aangesloten. Op de ene plek meet je de intracellulaire microelektroden, op de andere plek meet je de referentie microelektroden. Je moet het rustpotentiaal even uit zijn evenwicht halen, zodat er een positieve spanning aan de binnenkant van de neuron/axon komt. Hoe klinkt het brein? Het brein klinkt als een knetterscheetje. Je biedt bijvoorbeeld verschillende plaatjes aan, aan een proefpersoon. Als diegene een zon ziet, dan gaat de neuron vuren. Dan weten ze dat die bepaalde neuron daarop reageert en de ander niet. Elektrische en concentratie gradiënt De chemie van hersenen verandert ook. Er ontstaat diffusie: de nieuwe stoffen willen van een drukke naar een minder drukke ruimte. Dat is de wet van de concentratie gradiënt. Ionenkanalen in het membraam van een neuron Je ziet allemaal kanalen. Soms zijn ze een beetje open, soms dicht. Hier kunnen ionen passeren. Ionen zijn moleculen die binnen en buiten een neuron zitten. Je hebt verschillende ionen die belangrijk zijn: natrium- en kaliumionen. Je hebt altijd meer natriumionen buiten de neuron en meer kaliumionen binnen de neuron. Er zijn verschillende dingen aan de hand: er is een negatief rustpotentiaal die ervoor zorgt dat positieve ionen

8 naar binnen willen. Aan de andere kant: soms willen de ionen wegvloeien naar een plek die minder druk is. Dat zorgt voor een bepaalde spanning. Natrium en kalium ionen in rust In rust is het zo dat de natriumkanalen dichtzitten en dat de kaliumionen een klein beetje kalium doorlaten. Die natriumkanalen gaan wel open als er een actiepotentiaal wordt gegenereerd. De natrium/kalium pomp De natrium-/kaliumpomp zorgt ervoor dat het rustpotentiaal wordt gehouden op -70. De natrium/kalium pomp is een enzym dat ervoor zorgt dat: Voortdurend 3 natrium ionen de cel uit laat en 2 kalium ionen naar binnen gaan. Ze zijn allebei positief. Dus als er 3 positieve deeltjes naar buiten gaan en 2 weer binnen komen, zorgt het voor -70. De elektrische gradiënt blijft dan behouden. Natriumionen (Na+) is in het Engels sodium en kaliumionen (K+) is potassium. Actiepotentiaal, deel 1 Wat gebeurt er als een actiepotentiaal wordt gegenereerd? Het rustpotentiaal is stabiel totdat de neuron wordt gestimuleerd. Er ontstaat depolarisatie: neuron wordt positiever totdat de treshold of exitation (-58) is behaald actiepotentiaal alles of niets principe bij vuren. Het actiepotentiaal is altijd hetzelfde met de zelfde amplitude. De drempelwaarde: een niveau waarboven extra stimulatie leidt tot massieve depolarisatie. Dit is het actiepotentiaal. De drempelwaarde verschilt per neuron, maar is consistent per neuron. Je stimuleert een neuron. De rustpotentiaal wordt positiever. Vanaf een bepaalde hoogte (-58), de drempelwaarde, ontstaat er een actiepotentiaal (boem!). De kalium- en natriumionen gaan verspreiden. Daardoor ontstaat er een positief potentiaal in de binnenkant van de neuron en duikt vervolgens terug in zijn eigen waarde (hyperpolarisatie). Het is een alles of niets-principe. Als je iets afvuurt met een pistool, gaat het altijd met dezelfde snelheid. Dat is dus ook zo met neuronen. Dat is ongeveer +30 milivolt.

9 Actiepotentiaal Het actiepotentiaal verspreid zich door de axon, van het cellichaam, naar het uiteinde. Normaalgesproken is binnenin negatief, totdat de actiepotentiaal ontstaat. De actiepotentiaal regenereert zich over het axon, totdat hij bij de eindknopjes is en daar laat hij bepaalde chemicalieën los. De actiepotentiaal vliegt door de stukken heen. Als je grote stappen zet, kun je ook harder lopen. Het gaat om de snelheid van informatieverspreiding door de axonen. Elektronische voortgeleiding De elektrische boodschap die wordt doorgegeven in de axon van een neuron reist niet de axon af, maar regenereert zich, zodat het niet verzwakt. De snelheid van een impuls varieert van neuron tot neuron (1 m/s 100 m/s). Signalen kunnen in een fractie worden doorgegeven. De synapsen De synaps Je hebt van die mandjes waarbij je het balletje van het ene naar het andere mandje moet gooien. Hetzelfde gebeurt in de synaps. Je hebt twee verschillende neuronen: Presynaptisch neuron Postsynaptisch neuron De ruimte tussen die twee heet de synaptische spleet. Het neuron maakt in het cellichaam bepaalde neurotransmitters aan. Die worden in kleine zakjes langs de axon naar beneden geleid, naar het einde van de presynaptische neuron. Als daar het actiepotentiaal plaatsvindt, kan het zijn dat de neurotransmitters in de synaptische spleet worden uitgestrooid. Vervolgens gaan ze naar de andere kant van de postsynaptische neuron, daar zitten receptoren. Daar kunnen ze aan vastzitten als ze bij de receptoren horen. Wat er vervolgens gebeurt is dat de neurotransmitter zich loslaat van de receptor, en terugvloeit naar de presynaptische neuron óf het vloeit als het ware weg in de synaptische spleet en dan is er wel weer een gliacel die het schoonmaakt.

10 Dus: 1. Het neuron maakt chemische stoffen aan die als neurotransmitters dienen. 2. Neurons bewaren neurotransmitters in de axon uiteindes of vervoeren ze er naartoe. 3. Een actiepotentiaal zorgt voor de trigger, zodat de neurotransmitter in de synaptische spleet terecht komt. 4. De neurotransmitter steekt de synaptische spleet over en hecht zich aan receptoren op het postsynaptische neuron. 5. De neurotransmitters laten de receptoren weer los. 6. De neurotransmitters worden weer opgenomen door de presynaptische neuron of worden gedeactiveerd door chemische stoffen. 7. De postsynaptische neuron stuurt mogelijk nog negatieve feedback om de verdere toevoer van een neurotransmitter te ontmoedigen. Neurotransmitters Verschillende neuronen hebben verschillende neurotransmitters. Dit zijn de belangrijkste: Aminozuren (glutamaat, GABA, glycine, aspartaat, dopamine, serotonine, etc.) Monoamines Acetylcholine Neuropeptides Purines Gassen Bepaalde neurotransmitters zul je in deze curus vaker tegenkomen dan anderen. Het hangt bijvoorbeeld ook van het type stoornis af (parkinson dopamine, depressie serotonine, etc.). Het is leidend voor hoe vaak je ze hoort, hoe belangrijk ze zijn voor het tentamen.

11 Wat is sowieso belangrijk om te weten? Glutamaat is de belangrijkste excitatoire neurotransmitter in het centrale zenuwstelsel. GABA is de belangrijkste inhibitoire neurotransmitter. Die dempt de neuronen. Glutamaat bestaat uit glucose en glutamine. Wat is belangrijk om je nog extra in te verdiepen? Je moet onderscheid kunnen maken in Snel vs. langzaam Kort effect vs. langdurend effect Lokaal vs. globaal effect Bekijk de 3 soorten synapsen: Ionotrope synapsen Metatrope synapsen Elektrische synapsen Contrasteer neurotransmitters, neuropeptiden en hormonen Hoofdstuk 2: pagina