HC5: Neurofysiologie

Algemene informatie

• Welke onderwerpen worden behandeld in het hoorcollege?
  • In dit college wordt de neurofysiologie van een actiepotentiaal besproken
• Welke onderwerpen worden besproken die niet worden behandeld in de literatuur?
  • Alle onderwerpen in dit college worden ook behandeld in de literatuur
• Welke recente ontwikkelingen in het vakgebied worden besproken?
  • Er zijn geen recente ontwikkelingen besproken
• Welke opmerkingen worden er tijdens het college gedaan door de docent met betrekking tot het tentamen?
  • Er zijn geen opmerkingen over het tentamen gemaakt
• Welke vragen worden behandeld die gesteld kunnen worden op het tentamen?
  • Er zijn geen mogelijke vragen behandeld

Classificatie van neuronen

Er zijn veel variaties in de soort, lengte of grootte van neuronen. Een neuron kan op verschillende manieren geclassificeerd worden:

• Polariteit
• Dendrietvorm
• Functie
• Soort neurotransmitter

Actiepotentiaal

Axonheuvel:

Een neuron heeft een exciteerbaar membraan. Als de potentiaal van dit membraan boven een bepaalde drempel komt, ontstaat er een unieke, stereotype repons → de actiepotentiaal. Deze actiepotentiaal is voor elk neuron hetzelfde en reist naar beneden zonder uit te doven. Een actiepotentiaal ontstaat bij een axonheuvel → hier bevindt zich de grootste hoeveelheid natriumkanalen.

Meten:

Het potentiaalverschil is te meten met 2 elektrodes:

• Eén elektrode in de cel
• Eén elektrode tegen de cel aan

Dit potentiaalverschil heet de membraanpotentiaal.

Myelineschede

De maximale snelheid van een actiepotentiaal is 2 m/s. Dankzij de myelineschedes om de axonen heen, wordt dit verhoogd naar 100 m/s → springende geleiding/saltatoire conductie.

De myelineschede is een gespecialiseerd celmembraan met veel vetten → zorgt voor elektrische isolatie. Onder de myelineschede is een axon "passief" → er zijn geen pompen of kanalen. De myelineschede wordt gemaakt door verschillende cellen:

• Oligodendrocyten in het CZS
• Schwanncelen in het PZS

Ongemyeliniseerde axonen in de periferie kunnen ook in Schwanncellen wonen → Schwanncellen bevatten bundels van deze axonen. Zo'n bundel heet een Remax bundel.

Dendrieten en soma worden bedekt door satellietcellen en astrocyten.

Knoop van Ranvier:

Tussen de myelineschedes zit een onderbreking: de knoop van Ranvier. Dit vormt het actieve deel van het axon. Er zit ongeveer 0,2-2 mm afstand tussen 2 knopen.

Ter hoogte van de knopen van Ranvier is het membraan van het axon bedekt door delen van Schwanncellen. Extensies van Schwanncellen zorgen ervoor dat gebieden bij de knoop waterdicht worden afgesloten.

Synaps

Uiteindelijk kom het actiepotentiaal bij de synaps, die bestaat uit:

• Presynaptische membraan: het einde van de ene cel
• Synapsspleet
• Postsynaptische membraan: het begin van de andere cel

Als het actiepotentiaal aankomt gebeurt er het volgende:

1. Kleine vesicles met neurotransmitter fuseren met het presynpatische membraan
2. De neurotransmitters diffunderen over de synapsspleet
3. De neurotransmitters binden met de ligands in het postsynaptische membraan
4. Er ontstaat een verandering in het membraanpotentiaal van het volgende neuron → er ontstaat een postsynaptische membraanpotentiaal (PSP)
   • Een PSP is slechts 1-2 mV groot → niet groot genoeg om in het volgende neuron een actiepotentiaal te induceren → er zijn veel van nodig

Postsynaptische potentiaal:

De grootte van de PSP wordt bepaald door:

• De hoeveelheid neurotransmitter die vrijkomt
• De hoeveelheid beschikbare ligands

Soms kan er dus excitatie, soms inhibitie optreden:

• Inhiberend (IPSP): lager membraanpotentiaal → verder weg van de drempel
• Exciterend (EPSP): hoger membraanpotentiaal → in de richting van de drempel

Pas bij meerdere PSP's is het mogelijk om de drempel te overschrijden, waardoor er actiepotentialen ontstaan.

Op een gegeven moment dooft een PSP uit. Wanneer dit gebeurt, is afhankelijk van de plaats van de synaps t.o.v. de axonheuvel (hier worden de PSP's bij elkaar opgeteld). Als de afstand groot is, heeft de synaps minder invloed op het neuron en duurt het langer voordat het signaal bij de dendriet is.

Kanalen en pompen

Een cel heeft een kenmerkende opbouw:

• Membraan van een dubbele laag fosfolipiden → apolair
• Polaire binnenkant

Na/K-pomp:

Omdat de binnenkant van een cel polair is, en de buitenkant apolair, zou er normaal gesproken geen uitwisseling kunnen plaatsvinden. Door poriën is dit wel mogelijk → het membraan is semi-permeabel:

1. In de cel zitten eiwitten die water aantrekken via osmose
2. De Na/K-pomp pompt 3 Na⁺naar buiten en 2 K⁺naar binnen
3. Water verplaatst mee → er wordt evenveel water naar binnen als naar buiten gepompt
   • Netto is het transport van water over het membraan 0
4. Doordat de Na/K-pomp voor een netto transport van lading is, gaat er meer "+" naar buiten dan naar binnen → er ontstaat een membraanpotentiaal
   • Er gaat veel natrium naar buiten
   • Er gaat veel chloor naar buiten
   • Er gaat veel kalium naar binnen

Ionkanalen/-pompen:

In het celmembraan zitten ionkanalen en ionpompen:

• Ionenkanalen
  • Passief: kost geen energie
    • Ionen verplaatsen alleen van hoge naar lage concentratie/elektrische gradiënt
  • Selectief: er kan maar één bepaald ion doorheen
• Ionpompen
  • Actief: kost energie
    • Ionen gaan van het lage naar het hoge gebied
  • Selectief: er kan maar één bepaald ion doorheen

Ionkanalen en -pompen kunnen gated zijn → ze kunnen open of dicht zijn. Dit is afhankelijk van:

• Chemische omstandigheden
• pH
• Rek

De transmembraaneiwitten van de kanalen zorgen ervoor dat het kanaal open- of dichtgaat. Deze eiwitten kunnen namelijk van configuratie veranderen.

Er zijn dus allemaal verschillende ionkanalen voor één ion. Als een ionkanaal wordt aangetast, wordt het hele functioneren van het zenuwstelsel aangetast. Zo kan gif van verschillende dieren (neurotoxines) op ionkanalen werken.

Kalium-lekkanalen:

Naast ionkanalen en -pompen zijn er in het membraan ook lekkanalen voor kalium. Er stroomt dus, ongeacht de omstandigheden, kalium van buiten naar binnen.

Energie

Neuronen gebruiken erg veel energie, bijna 25% van het totale energiegebruik. Deze energie wordt vooral gebruikt voor de Na/K- en ionenpompen. Hiermee kan geknoeid worden door de Na/K-pomp te blokkeren, waardoor er geen stroom meer naar buiten stroomt → het membraanpotentiaal daalt onmiddellijk met 1,5 mV.

De myelineschedes zorgen ervoor dat de lengte van het actieve membraan met een factor 1000 wordt verminderd → onder de myelineschede zitten alleen pompen en kanalen in de buurt van de knoop van Ranvier. Myeline bespaart dus energie en zorgt voor een hogere snelheid. Myelineschedes zijn dus essentieel om de "neuronale machine" mogelijk te maken.

Entropie

In evenwicht is er een rustmembraanpotentiaal en zijn de ionen op een bepaalde manier in de cel verdeeld: kaliumionen bevinden zich meer in het centrum, natrium meer aan de buitenkant.

Ionen worden tegengehouden door de weerstand van poriën → elk kanaal heeft een weerstand. Entropie zorgt ervoor dat er een drive is voor de ionen om een bepaalde kant op te gaan (bijv. ladings- en concentratiegradiënt). Er is maar een kleine verandering in protonen nodig om de membraanpotentiaal te veranderen: 10⁴ → kleine veranderingen in de omgeving kunnen een groot effect op de cel hebben.

Kaliumconcentratie:

Kalium gaat het gemakkelijkst door het membraan → de kaliumconcentratie is bepalend voor het membraanpotentiaal. Met name de extracellulaire kaliumconcentratie bepaalt op welk niveau de rustmembraanpotentiaal is. De kaliumconcentratie moet dus op precies hetzelfde niveau gehouden worden:

• Als de extracellulaire kaliumconcentratie te hoog is ontstaat depolarisatie
• Als de extracellulaire kaliumconcentratie te laag is ontstaat hyperpolarisatie → de neuronen reageren niet meer

Dit kan ook gebeuren met natrium, maar hiervoor moeten de verschillen groter zijn.

Als er te veel kalium komt, nemen de astrocyten de kalium op en wordt het getransporteerd naar een plek met minder kalium → astrocyten vormen een buffer.

Nernst formule

Het evenwichtspotentiaal is uit te rekenen met de Nerst formule. Hierbij gaat het om wat de waarde van de evenwichtspotentialen is:

• Kalium en chloor hebben een negatieve evenwichtspotentiaal → als de membraanpotentiaal -80 mV (rustpotentiaal) is zullen ze niet verplaatsen → kalium en chloor hebben minder de neiging om naar buiten of naar binnen te gaan → een extra open kanaal maakt weinig verschil
• Natrium en calcium hebben een positieve evenwichtspotentiaal → hebben bij de rustpotentiaal de neiging om te verplaatsen → een extra open kanaal maakt veel verschil

Ionstromen

Actiepotentialen moeten zichzelf aan de gang houden zodat er geen uitdoving optreedt:

1. Bij de rustmembraanpotentiaal is de totale stroom 0
   • Hierbij is de conductantie voor kalium groot en voor natrium klein
2. Er wordt een beetje stroom toegediend
3. Als drempelpotentiaal wordt bereikt gaan de voltage-gated natriumkanalen open
4. Natrium gaat naar binnen toe → de binnenkant wordt positiever → de membraanpotentiaal stijgt snel
5. Naarmate de membraanpotentiaal dichterbij de top komt, stijgt deze langzamer
6. De repolarisatie begint: bij de top worden de natriumkanalen inactief → er kan geen natrium meer doorheen
   • Dit is niet hetzelfde als sluiten
7. De voltage-gated kaliumkanalen gaan open → alle kalium stort zich naar buiten
8. De membraanpotentiaal daalt
   • Omdat het evenwicht van kalium lager ligt dan de rustmembraanpotentiaal, heeft dit de neiging om "door te schieten"
9. Als de rustmembraanpotentiaal bereikt wordt, sluiten de natrium- en kaliumkanalen
10. De Na/K-pomp zorgt ervoor dat het evenwicht weer wordt herstelt
11. Tijdens het pompen reactiveren de natriumkanalen
    • Pas als ze gereactiveerd zijn, kan er een volgende actiepotentiaal optreden

De actiepotentiaal wordt dus veroorzaakt doordat natrium naar binnen gaat en heel snel diffundeert naar de volgende cel. Hierdoor is de grootte van de diameter van het axon van groot belang → hoe groter de diameter, hoe groter de diffusie.

Refractaire periodes:

Er zijn 2 refractaire periodes:

• Absolute refractaire periode
  • De natriumkanalen zijn open en/of inactief
• Relatieve refractaire periode
  • De natriumkanalen zijn aan het activeren
  • De kaliumkanalen zijn aan het sluiten
  • Er is hyperpolarisatie
  • Hier kan wel een nieuw actiepotentiaal opgewerkt worden

De refractaire periode zorgt er ook voor dat het actiepotentiaal maar één kant op kan.