Deze aantekeningen zijn gebaseerd op het vak Biologische Psychologie van het jaar 2015-2016.

Hoorcollege 1

Introductie en Cognitieve Neurowetenschappen: Methoden

Introductie

De hoofdvraag binnen de biologische psychologie is: hoe maken onze hersenen gedrag mogelijk?

Hoe werken neuronen en actiepotentialen en hoe werken hormonen en drugs op deze neuronen? Hoe werkt het brein en wat is de anatomie van het brein? Welke knopen in de informatieverwerking kunnen we onderscheiden? In dit blok komen ook basale perceptuele processen voorbij, zoals hoe werkt zien en horen? Hierna wordt er op ingegaan hoe emotie, taal en bewustzijn werken. Dit zijn de hogere cognitieve functies.

Studeertips

Probeer vooraf al te lezen. Je hoeft je nog niet te verdiepen, maar anders kan de stof erg snel gaan en ingewikkeld zijn.
Er zijn 7 extra videocolleges. Deze zijn niet verplicht en komen ook niet terug op het tentamen, maar voor de hoofdstukken 1, 2 en 3 is het handig om verdiepende kennis te hebben. De onderwerpen van deze colleges zijn biologie, fysica en chemie.
Op Blackboard staat een exclusielijst van Kalat voor beide edities. Dit is stof die je niet hoeft te leren voor het tentamen. Het boek en de colleges zijn tentamenstof. Voor deeltoets 1 moeten de hoofdstukken 1 t/m 6 geleerd worden.

Onderzoeksmethoden

Convergentie: als een theoretisch concept met verschillende technieken wordt bewezen, is het waarschijnlijk waar.

Complementariteit: nauwkeurigheid van de verschillende methoden verschilt (tijd/ruimte, veel/enkele neuronen, directe/indirecte metingen). Bijvoorbeeld een EEG is heel precies in de tijd, maar minder precies in de ruimte, dit is bij een fMRI weer andersom. Elke methode heeft dus voor en nadelen. Een correlationeel verband gaat in op hersenmetingen en een causaal verband gaat in op metingen met hersenstimulatie. Voorbeelden van correlatie methoden zijn single-cell recordings, PET, EEG en fMRI.

Bij single-cel recordings worden electroden heel dicht bij een neuron in het brein gestoken. Dit gebeurt meestal bij dieren (katten, ratten en apen). Hierdoor kan je een of meerdere neuronen tegelijk meten en het kan gebruikt worden om een (of meerdere) actiepotentialen te meten.

In causale methoden zie je vaak dat humane laesies worden onderzocht. Hersenschade leidt vaak tot cognitieve problemen. Er is bijvoorbeeld schade in de DLPFC (dorso-laterale prefrontale cortex), het werkgeheugen. Schade in de SPL, aandacht en schade in Broca’s area, het taalgebied.

Het probleem bij laesies is wel dat de schade bij verschillende mensen nooit exact op dezelfde plek zit en het beperkt zich vaak niet beperkt tot 1 gebied. Daarnaast zijn er ook individuele verschillen in de anatomie van de hersenen. Bij proefdieren kan je heel nauwkeurig experimentele laesies toebrengen. Hierdoor weet je heel specifiek waar een bepaalde functie zit. Je moet er wel over nadenken of dit wel ethisch verantwoord is.

Er zijn ook farmacologische interventies, zoals het toedienen van koffie, cocaïne, antidepressiva, etc. Dit kan door chronische gebruikers te onderzoeken, maar je kan ook middelen toedienen. Middelen kunnen onderscheiden worden in agonisten en antagonisten. Agonisten verhogen neurotransmissen en antagonisten verlagen neurotransmissie. Een nadeel van middelen toedienen is dat je het hele brein beïnvloedt.

Een andere methode is intracraniële stimulatie. Hierbij is er directe elektrische stimulatie van hersengebieden in de cortex of subcorticale gebieden. Zwakke stimulatie zorgt vaak voor betere verwerking en sterke stimulatie veroorzaakt een tijdelijke of permanente laesie. Dit is vrijwel uitsluitend dierexperimenteel onderzoek, maar dit wordt ook wel gedaan bij mensen met epilepsie of OCD.

Bij optogenetics injecteer je een virus in het brein (bijvoorbeeld rabiës). Dit virus zorgt ervoor dat het DNA van het ion kanalen worden gewijzigd. Daarna reageren deze kanalen op (laser) licht: dit kan inhiberend of exciterend zijn.

Causale methoden

Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is magnetische stimulatie door de schedel heen. Dit kan vrij nauwkeurig. Online TMS tijdens een taak zorgt voor vermoeilijken van een taak. Bij offline TMS kan een taak makkelijker of moeilijker gemaakt worden. TMS en MRI combineren werkt goed, omdat je nauwkeurig moet weten waar bepaalde functies zitten. Een TMS is een duur en zwaar apparaat. Het veroorzaakt neurale activiteit (spikes) tijdens TMS en dit kan zelden epileptische insulten opwekken.

Transcraniële elektrische stimulatie (TES) is elektrische stimulatie door de schedel heen. Deze methode is niet nauwkeurig. Onder de anode (gaat het hoofd in) wordt het makkelijker voor het hersengebied om te vuren en bij de kathode (gaat het hoofd uit) wordt het moeilijker voor het hersengebied om te vuren. Het veroorzaakt geen neurale activiteit, maar maakt het makkelijker of moeilijker voor een hersengebied om actief te worden. Het is een uitzonderlijk veilige methode

Voor- en Nadelen

TMS is erg precies en heel snel en je kan actiepotentialen opwekken. Het apparaat is echt wel heel duur en zwaar en er is een kleine kans op epileptische aanvallen.

Voordelen van TES is dat het goedkoop is, licht en veilig. Nadelen zijn wel dat het onnauwkeurig is, je geen controle hebt over de stroomrichting en de toediening van stroom langzaam is.

Correlationele methoden

ElectroEncephaloGrafie (EEG)

Als een EEG grote uitslagen heeft, zijn het lage frequenties en is het brein minder actief.

Het neurale principe achter de EEG: individuele neuronen produceren ‘graded potentials’. Dit zijn kleine depolarisaties of hyperpolarisaties in het membraan voltage. Als een groot aantal neuronen tegelijk dit soort graded potentials produceert, ontstaan ‘local field potentials’. Deze LFPs zijn sterk genoeg om ver weg, op de schedel nog te meten. LFPs zijn dus gecombineerde input op de dendrieten en niet de actiepotentialen of de output. Neuronen moeten eenzelfde consistentie oriëntatie hebben, anders middelen de graded potentials elkaar uit waardoor er geen LFP te meten is. Daarom meet de EEG hoofdzakelijk pyramidale neuronen in de cerebrale cortex, waar een duidelijke organisatie in zit. Al deze pyramidale neuronen wijzen dus dezelfde richting op.

De oscillaties (herhalende sinusgolven) in het EEG komen doordat excitatoire neuronen (pyramidaal cellen) actief worden, waardoor inhibitoire neuronen (interneuronen) worden geactiveerd. Deze inhibitoire neuronen remmen de excitatoire neuronen af en daarna zichzelf. Daarna kunnen de excitatoire neuronen weer actief worden. Dit veroorzaakt sinusgolven. (Dit is belangrijk om te weten voor het tentamen). Daarnaast worden de sinusgolven worden ook veroorzaakt door Pacemaker cellen en omdat communicatie tussen hersengebieden plaatsvindt in verschillende frequentiebanden en door fluctuaties gerelateerd zijn aan hartslag en ademhaling. De sinusgolven verschillen in amplitude, frequentie en fase. De verschillende frequenties opgeteld veroorzaakt samen met een bak ruis de vorm van de EEG. Gamma patronen hebben een hele hoge frequenties die gelijk staan aan actief en lokaal. Delta patronen hebben hele lage frequenties en staan gelijk aan slaapmodus en globaal. Een EEG is belangrijk als je het hele brein tegelijk wilt meten en goed in de tijd wil zien welke hersengebieden communiceren.

Event-Related Potentials (ERPs)

Er zijn twee manieren van data-analyses van EEG data, namelijk Event-Related Potentials en time-frequency analyse.

De Event-Related Potentials (ERPs) zijn gemiddelde time-locked EEG signalen. Een ERP golf bestaat uit meerdere pieken. Deze pieken worden pas duidelijk als je heel veel trials hebt gemiddeld. De P’s zijn positieve potentialen en de N’s zijn negatieve potentialen. De pieken (en dalen) in het ERP zijn te koppelen aan verschillende stappen in de informatieverwerking en geven de snelheid van de informatieverwerking weer. Daarnaast geeft het weer in welke volgorde hersengebieden actief worden en bij welke informatieverwerkingsstappen deze hersengebieden actief worden. Bij intelligente mensen is de informatieverwerkingssnelheid sneller. Een groot nadeel aan ERPs is dat wanneer de oscillatie van elkaar verschillen in fase, ze elkaar dan uitmiddelen. Dit is tot zo’n 20Hz niet zo’n probleem, omdat de golven toch wel overlappen, maar boven de 20Hz meten zijn ERPs niet gevoelig. Dit kan worden opgelost door data met time-frequency te analyseren, waardoor verschillen in fase niet uitmaken. Het principe wat hierbij geldt is: “what is wired together, fires together”.

Het is een relatief goedkope methode waarmee je heel nauwkeurig in de tijd (temporale resolutie) totale input van een heleboel pyramidaal cellen die ook nog dezelfde richting hebben kunt meten.

ERP pieken zeggen vooral iets over stappen in informatieverwerking, niet zoveel over wat het brein exact doet. Time-frequency analyse zegt iets over welke hersendelen met elkaar communiceren (dezelfde frequentie).

fMRI

Het is een zeer grote sterke magneet en dit apparaat staat altijd aan. bij fMRI’s meet je fluctuaties in de hoeveelheid zuurstof in het bloed. Zuurstofarm bloed is magnetisch wat leidt tot minder signaal. Zuurstofrijk bloed is niet-magnetisch wat leidt tot meer signaal. Meer neurale activiteit zorgt voor meer zuurstofrijk bloed en dus meer signaal.

Het gaan om dezelfde LFPs, maar dan veel nauwkeuriger in ruimte dan een EEG, maar veel minder nauwkeurig in tijd. Geen signaal verandering betekent niet dat er geen informatie aanwezig is in het fMRI-signaal. Je kijkt naar signaalverandering per voxel (3D beeldpunt), maar niet naar patronen van signaalverandering. De laatste jaren kijken we naar patronen van signaalverandering. Dit wordt pattern classification en multivoxel pattern classification genoemd.

Hoorcollege 2

Neurale Communicatie

Neuronen

De hersenen maken samen met het ruggenmerg het centrale zenuwstelsel. Het centrale zenuwstelsel is helemaal omgeven door bot, ter bescherming hiervan. In het CZ liggen het neuron en en gliacellen. Neuronen zijn net als alle andere cellen in ons lichaam niet gefuseerd maar liggen los van elkaar door de scheiding van synapsspleetjes. In ons lichaam hebben we zo’n 86.000.000.000 neuronen. Er worden steeds meer moderne technieken ontwikkeld om individuele neuronen te visualiseren. Dit kan bijvoorbeeld door brainbow, waarbij alle neuronen een apart kleurtje krijgen. Bij clarity kan je het brein in 3D zien.

Gedrag is het resultaat van de gecoördineerde activiteit van verschillende neuronen. Maar elk neuron is een complexe beslis-machine. Een neuron ontvangt informatie van verschillende bronnen, integreert deze informatie en moet beslissen wel of geen respons naar vele andere neuronen (of spieren en organen) te verzenden.

Neuronen komen voor in verschillende soorten en maten. Veel neuronen hebben vier componenten: dendrieten (input), soma (cellichaam), axon en terminals (output).

Dendrieten vangen signalen op van andere neuronen, of zintuigen. Dendrieten geleiden de signalen richting het cellichaam. Op de dendrieten liggen receptoren die deze signalen ontvangen. Met signalen worden bijvoorbeeld neurotransmitters bedoeld. Op het cellichaam zelf liggen ook receptoren. Het cellichaam kan ook signalen opvangen van andere neuronen. Daarnaast zorgt het cellichaam voor integratie van alle signalen. Op basis van al deze informatie kan echt cellichaam wel of geen respons/actiepotentiaal geven. Tevens bevat het cellichaam de celorganellen (nucleus, mitochondria, ER, etc.) die verantwoordelijk zijn voor verschillende celprocessen, waaronder energievoorziening en het aanmaken van eiwitten.

Eiwitten zijn verantwoordelijk voor heel veel functies in het lichaam, onder andere transport van stoffen, communicatie (hormonen, neurotransmitters, receptoren etc.) en structuur van de cel. Elk neuron gebruikt wel 10.000 eiwitten. Eiwitten zijn de basis voor het leven op aarde. Eiwitten worden in het cellichaam aangemaakt en zijn opgebouwd uit aminozuren. DNA in de nucleus bevat codes voor aminozuren, deze codes worden uitgelezen en als een mal gebruikt voor het maken van verschillende kopieën van hetzelfde eiwit door ribosomen. De nucleus bevat het DNA en er bevindt eiwitcodering plaats. De ribosomen zorgen voor de eiwitsynthese en het ER (endoplasmatisch reticulum) zorgt voor isolatie, modificatie en transport van de eiwitten. De mitochondria voorzien de cel van energie, doordat zij glucose omzetten in ATP.

Het axon is het grootste gedeelte van het neuron en zendt informatie uit. Het geleidt de respons (actiepotentiaal) naar het uiteinde van het neuron . Daarnaast kunnen binnen het axon stoffen worden getransporteerd van het cellichaam naar de uiteinden van het neuron. Sommige axonen worden omgeven door myeline. Dit is een vetachtige substantie die er voor zorgt dat de signaalgeleiding sneller gaat. Een neuron heeft nooit meer dan één axon, maar een neuron kan wel meerdere dendrieten hebben.

De witte stof in de hersenen is gemyeliniseerde axonen en de grijze stof zijn de dendrieten en de soma van het neuron en. Patiënten met MS hebben aantasting aan de myeline van axonen, waardoor de signaaloverdracht wordt verstoord.

De synaptische terminalia zijn de axonuiteinden. Het actiepotentiaal leidt tot afgifte van stoffen, bijv. neurotransmitters, in de synaptische spleet (synaps). De synaptische terminalia zorgen voor de aanmaak van sommige van deze stoffen. Dus ook in de axonuiteinden kan je celorganellen vinden!

Synaps

Blaasjes met neurotransmitters in van het axon van de ene neuron (presynaptische neuron) worden afgegeven aan de synaptische spleet. Receptoren van de dendriet van de andere neuron (postsynaptisch neuron) ontvangen deze neurotransmitters en geven een signaal door aan het neuron .

Celmembraan

Neuronen worden omgeven door het celmembraan. Dit celmembraan zorgt ervoor dat het interne milieu van het neuron constant kan blijven. Daarnaast houdt het ook schadelijke stoffen en ziekteverwekkers buiten de cel. Het celmembraan is semi-permeabel en bestaat uit een dubbele laag fosfolipiden (vetmoleculen) en eiwitten; kanalen en receptoren. Alleen kleine moleculen en in vet oplosbare stoffen kunnen direct door het membraan heen. Andere stoffen moeten door de eiwitkanalen, zoals zuurstof, water en ionen (natrium en kalium). Sommige stoffen moeten door actief transport door het membraan heen, zoals glucose en bepaalde aminozuren. Actief transport kost de cel energie.

Typen neuronen

Er zijn verschillende typen neuronen. Interneuronen vormen verbindingen tussen neuronen en zorgen voor informatieverwerking binnen de hersenen. Sensorische neuronen verwerken signalen uit de omgeving en motorische neuronen sturen het motorisch apparaat aan.

De functie van het neuron bepaalt de structuur.

Een andere classificatie is multipolair vs. unipolair. Multipolair betekent dat het neuron meer dan 1 dendriet heeft en 1 axon uit het cellichaam. Multipolaire neuronen zijn belangrijk voor informatie-integratie. Interneuronen en motorische neuronen zijn multipolair.

Sensorische neuronen zijn unipolair. Deze hebben geen dendrieten aan de buitenkant van het neuron, maar aan beide kanten van een cellichaam een axon. De dendrieten liggen in de huid en worden sensorische voetjes genoemd. Druk en hitte kan zorgen voor activatie in de dendrieten wat kan leiden tot een actiepotentiaal.

Gliacellen

In onze hersenen zitten ongeveer evenveel gliacellen als neuronen. Er zijn verschillende soorten gliacellen, zoals astrocyten, oligodendrocyten en microglia.

Astrocyten worden ook wel the nurse of the neuron genoemd. Ze geven een helende stof af als het neuron beschadigd raakt en zorgen er ook voor dat bloedvaten zich verwijden (dialatie) door de hersenactiviteit te verhogen, waardoor meer voedingsstoffen het neuron bereiken. Daarnaast spelen ze ook een rol in de neurale communicatie, omdat ze zorgen dat activiteit tussen verschillende neuronen synchroon wordt. Ze kunnen neurotransmitters die worden afgegeven in de synaps tijdelijk opnemen en op een bepaalt moment weer afgeven aan dezelfde of andere synapsen waardoor de neurale activiteit synchroniseert. Tevens zorgen astrocyten voor insulatie, ze vormen een steiger. De astrocyt heeft niet alleen een ondersteunende functie, maar ook een regulerende functie omdat het een belangrijke bijdrage levert aan informatieverwerking.

Microglia spelen een belangrijke rol bij de neuronale afweer. Ze ruimen virussen, fungi, micro-organismen en afval op.

Oligodendrocyten bouwen de myelineschede om de neuronen van het centrale zenuwstelsel. Een oligodendrocyt kan zorgen voor de myelinebouw van diverse neuronen. De bouw van myeline in het perifere zenuwstelsel wordt gedaan door Schwann cellen.

Bloedhersenbarrière

De bloedhersenbarrière vormt een soort muur tussen de bloedvaten in de hersenen en de hersenen zelf. De bloedhersenbarrière is selectief permeabel. Passief transport kan door lipofiele (in vet oplosbare) stoffen, kleine moleculen (zoals zuurstof) en water. Actief transport is voor bijvoorbeeld glucose en aminozuren. Deze barrière is belangrijk omdat de meeste neuronen in de hersenen niet vervangen kunnen worden als ze sterven. Daarom is de barrière erg belangrijk voor het tegenhouden van (de meeste) virussen, bacteriën en schadelijke stoffen. Het immuunsysteem doodt namelijk een geïnfecteerde cel en dit is gevaarlijk als de cellen niet vervangen kunnen worden.

Neuronaal metabolisme

Neuronen hebben glucose als brandstof. Glucose kan door de bloedhersenbarrière heen en kan worden gesynthetiseerd door de lever uit koolhydraten, eiwitten (aminozuren) én vetten (glycerol). De hersenen hebben een hoog zuurstofverbruik. Dit komt door de glucoseverbranding. Vitamine B1 is nodig voor glucosegebruik. Bij een tekort aan vitamine B1 sterven neuronen. Bij het syndroom van Korsakoff wordt de vitamine B1 status aangetast door alcohol en is er neuronale sterfte en ernstige amnesie.

Neuronale communicatie

Een chemisch signaal van neurotransmitters kan omgezet worden in een elektrisch signaal, het actiepotentiaal. Dit actiepotentaal kan vervolgens weer leiden tot een chemisch signaal door de release van neurotransmitters.

Membraanrustpotentiaal

In de intracellulaire en extracellulaire ruimte zitten ionen en eiwitten in oplossing. Ionen zijn negatief of positief geladen deeltjes. Elektrische stroom loopt via ionen. Zowel aan de binnenkant als buitenkant bevinden zich ionen en eiwitten. Tijdens het rustpotentiaal is er meer Na+ aan de buitenkant (extracellulair) en meer K+ aan de binnenkant (intracellulair). De binnenkant van de cel is relatief negatief geladen door de aanwezigheid van eiwitten (A-) ten opzichte van de positieve buitenkant. Het verschil tussen de binnen- en buitenkant is

-70mV. Het rustpotentiaal is de constante negatieve elektrische potentiaal van binnen vs. de buitenkant van de cel. Deze relatieve spanning is dus ongeveer -70mV.

Ionen ondervinden twee krachten, de elektrische (E) en de concentratiegradiënt (C). De som van deze gradiënten bepaalt of het ion naar binnen of naar buiten wilt diffunderen. De elektrische gradiënt is het membraanpotentiaal, het verschil in elektrische lading van de binnenkant vs. de buitenkant. Positief geladen deeltjes willen hierdoor liever de cel in, positief stroom naar negatief en andersom. Natrium (Na+) en kalium (K+) willen graag de cel in. De concentratiegradiënt is het verschil in concentratie van ionen binnen vs. buiten de cel. Tijdens rust is er meer Na+ buiten de cel en meer K+ binnen de cel. Na+ wil hierdoor naar binnen en K+ naar buiten. De concentratiegradiënt is echter iets groter dan de elektrische gradiënt, waardoor K+ netto wil diffunderen naar buiten. Dit is de situatie tijdens RUST.

Tijdens het rustpotentiaal zijn de natriumpoorten gesloten. Natrium kan hierdoor de cel niet in, waardoor het rustpotentiaal behouden blijft. Daarnaast zitten er in het celmembraan natrium-kaliumpoorten die 3 Na+ de cel uit pompen en tegelijkertijd 2 K+ de cel in pompen. Dit kost energie, want het is actief transport.

Note: in het Engels – natrium = sodium en kalium = potassium.

Het rustpotentiaal bereidt het neuron voor op een snelle respons. Daarom wordt er zo veel energie geïnvesteerd in het rustpotentiaal. Wanneer het neuron geprikkeld wordt gaan Na+-kanalen openstaan, waardoor Na+ door de elektrische- en concentratiegradiënt snel de cel instroomt. Hierdoor is er een snelle potentiaal verandering. Wanneer deze sterk genoeg is, is er een actiepotentiaal.

Membraan in actie

Graduele post-synaptische potentialen

Er is een verschil tussen het graduele potentiaal, de veranderingen in elektrische spanning die kunnen optreden langs de dendrieten en het cellichaam en het actiepotentiaal, waar veranderingen in elektrische spanning optreedt langs het axon. 

Graduele potentialen treden op langs de dendrieten en het cellichaam. Bij de EEG worden de post-synaptische elektrische spanningen gemeten, de graduele potentialen. Een graduele potentiaal treedt op wanneer een chemische prikkel, een neurotransmitter of ander stofje, zich hecht aan een receptor de dendriet of soma. Hierdoor verandert de doorlaatbaarheid van het membraan voor natrium en kalium. De Na+-kanalen gaan open, waardoor het membraan minder negatief wordt (excitatie). Dit zorgt voor lokale depolarisatie. Het kan ook zo zijn dat de K+-kanalen opengaan, waardoor het membraanpotentiaal meer negatief wordt (inhibitie). Dit zorgt voor lokale hyperpolarisatie.

(Lokale) depolarisatie of hyperpolarisatie is een door neurotransmitters veroorzaakte verandering in membraanpotentiaal op de dendriet of soma van een neuron. Ze worden graduele potentialen genoemd, omdat de amplitude evenredig is met de sterkte van de prikkel. Wanneer er veel neurotransmitters worden afgegeven, gaan er meer natrium of kaliumkanalen open, waardoor de depolarisatie of hyperpolarisatie (amplitude) groter is.

De amplitude van de graduele potentialen nemen af als functie van afstand tot prikkel. Dit komt onder andere doordat er diffusie is van de lading over een steeds groter oppervlak. De natrium verspreid zich bijvoorbeeld in de cel.

Actiepotentiaal

Op de verschillende plekken langs dendrieten en het cellichaam ontstaan verschillende graduele potentialen. Deze potentialen bij elkaar opgeteld verspreidt zich langs het celmembraan richting de voet van het axon. Dit wordt de axonheuvel genoemd. Op deze axonheuvel zitten bepaalde receptoren die reageren op de verandering in elektrische lading. Wanneer de verandering in elektrische lading zo sterk is en de bepaalde threshold wordt bereikt kan een actiepotentiaal ontstaan.

Hoorcollege 3

Neurale Communicatie

Actiepotentiaal

Een actiepotentiaal is een hele snelle verandering waarin het membraanpotentiaal van een neuron snel positief wordt en vervolgens snel negatief. De actiepotentiaal kan alleen plaatsvinden langs de axon van een neuron.

Ionkanalen

Er zijn twee typen ionkanalen. Ligand-afhankelijke ionkanalen open en sluiten als een stof, het ligand, zich aan het kanaal bindt. Deze bevinden zich voornamelijk op dendrieten en het soma en spelen een belangrijke rol in graduele potentialen. Voltage-afhankelijke ionkanalen openen en sluiten afhankelijk van een elektrische gradiënt, het membraanpotentiaal. Deze bevinden zich voornamelijk op de axonheuvel (axon hillock) en het axon en spelen een belangrijke rol in actiepotentialen.

Actiepotentiaal (vervolg)

Ligand-afhankelijke kanalen op dendrieten en het soma ontvangen stimulatie van andere neuronen, waardoor hyper- en depolarisaties) optreden. Deze graduele potentialen verspreiden zich langs het celmembraan. Voltage-afhankelijke Na+-kanalen in de axonheuvel reageren op het lokale membraanpotentiaal. Dit is de ‘som’ van alle stimulatie/graduele potentialen. Wanneer de threshold (drempelwaarde) wordt bereikt openen de voltage-afhankelijke Na+-kanalen massaal, waardoor een actiepotentiaal ontstaat. De verandering van dit elektrische potentiaal door de ionstroom is het actiepotentiaal.

Het actiepotentiaal wordt beëindigd door twee processen. Ten eerste door het openen van voltage-afhankelijke K+-kanalen. Deze kanalen openen door depolarisatie, maar hebben een vertraging in het effect. Door opening van deze kanalen verhogen ze de normale K+ efflux (uitstroom). Ten tweede sluiten de voltage-afhankelijke Na+-kanalen. Door deze processen is er een netto efflux van positieve lading, wat zorgt voor repolarisatie. Het membraanpotentiaal gaat weer naar beneden en de intracellulaire ruimte wordt weer negatiever. Er is ook nog een tijdelijke ‘undershoot’ waar het membraanpotentiaal nog iets negatiever wordt dan het rustpotentiaal (hyperpolarisatie), maar dit herstelt zich snel weer tot de waarde van het rustpotentiaal. De natrium-kaliumpomp speelt geen rol in de repolarisatie, maar zorgt er na de repolarisatie wel voor dat de concentratiegradiënt weer herstelt.

Narcose zorgt ervoor dat de voltage-afhankelijke ionkanalen niet kunnen openen. Hierdoor kunnen geen actiepotentialen getriggerd worden.              

Refractaire periode

Vlak na de piek van het actiepotentiaal is er een refractaire periode waarin neuronen niet nog een keer kunnen vuren. Dit is omdat de Na+-kanalen nog een tijdje dicht zitten en deze niet heel snel weer kunnen openen, en de K+-kanalen nog open staan. In een absolute refractaire periode kan het neuron niet vuren en in een relatieve refractaire periode is er sterkere (dan gebruikelijke) stimulatie nodig om te vuren. De absolute refractaire periode wordt opgevolgd door de relatieve.

Propagatie actiepotentiaal

Het actiepotentiaal plant zich voort over het axon. Omdat natrium de cel in stroomt en nog verder gelegen delen van het neuron in rustpotentiaal zijn (en dus negatief), wordt de natrium aangetrokken tot de negatieve delen van het neuron, waardoor het actiepotentiaal zich verspreidt. De voortplanting van het actiepotentiaal is dus enerzijds passief door stroming van natriumionen in de cel en anderzijds actief door hierop volgende activatie van voltage-afhankelijke natriumkanalen.

Alle actiepotentialen van één neuron zijn gelijk in amplitude, vorm, duur en voortplantingssnelheid. Het is een alles-of-niets principe. Bij grotere stimulatie zijn er meer actiepotentialen (niet grotere actiepotentialen). Deze alles-of-niets principe geldt niet voor graduele potentialen. Graduele potentiaal is passieve geleiding met een afnemende amplitude over afstand en actiepotentiaal is actieve voortplanting met eenzelfde stabiele amplitude.

Het actiepotentiaal verplaatst zich wel maar in één richting (voorwaarts), omdat door de refractaire periode de voltage-afhankelijke Na+-kanalen nog gesloten zijn, waardoor het actiepotentiaal zich niet achterwaarts kan verplaatsen.

Myeline

Veel axonen zijn omgeven door myeline. Dit versnelt de signaaloverdracht. De myeline omvat niet het hele axon. De stukjes ongemyelineerde axon heet de knoop van Ranvier. Het vetachtige myeline isoleert het axon elektrisch. Hierdoor kan elektrische lading hier het axon niet in of uit. Dit kan wel bij de knopen van Ranvier, waar zich de voltage-afhankelijke ionkanalen bevinden. Bij de knopen van Ranvier kan ook opnieuw een actiepotentiaal gegenereerd worden. Dit kan niet onder de stukjes myeline. Je kan het actiepotentiaal vergelijken met dominostenen die omvallen. Myelinesering zorgt voor sprongsgewijze voortplanting wat zorgt voor energiereductie, omdat alleen bij de knopen van Ranvier de natrium-kaliumpomp de concentratiegradiënt hoeft te herstellen met energieverbruikend actief transport.

Synapsen

Reflexen

Sherrington gaf het fysiologische bewijs voor synapsen door reflexboogonderzoek. Sherrington deed drie belangrijke observaties over reflexen. Ten eerste dat reflexen langzamer zijn dan geleiding langs één axon. Dit komt door de synaps. Ten tweede zorgen een aantal zwakke stimuli (op net verschillende tijden of locaties) voor een reflex, maar een zwakke stimuli alleen aangeboden zorgt niet voor een reflex. Bij een zwakke prikkel wordt de threshold niet bereikt. Dit is het principe van summatie. Ten derde moet er sprake zijn van inhibitie en excitatie, omdat wanneer de ene set spieren zich aanspant, een andere set spieren zich ontspant.

EPSP en IPSP

Na depolarisatie, wanneer Na+ massaal de cel in stroomt is er sprake van excitatie. Dit wordt ook wel een excitatoire postsynaptische potentiaal (EPSP) genoemd. Wanneer er sprake is van een hyperpolarisatie, wanneer K= de cel uit gaat of Cl- de cel ingaat, is er sprake van inhibitie. Dit wordt ook wel een inhibitoire postsynaptische potentiaal (IPSP) genoemd.

De som van de EPSPs en IPSPs (summatie) bepaalt de mate waarin het rustpotentiaal positiever of negatiever wordt. Er kan hierin onderscheid gemaakt worden tussen temporale summatie (meerdere impulsen van één neuron over tijd) en spatiele summatie (impulsen van verschillende neuronen op dezelfde tijd).

Chemische communicatie

Het deel over neurotransmitters is wel tentamenstof, het deel over hormonen (nog) niet!

Er zijn meer dan 100 verschillende neurotransmitters. Neurotransmitters zijn chemicaliën die neuronen beïnvloeden. Eén neuron geeft maar een één set van een specifieke combinatie van neurotransmitters af. Neuronen zijn wel receptief voor meerdere neurotransmitters dan dat ze zelf afgeven. Een neurotransmitter past vaak op verschillende receptoren. De receptor bepaalt hierbij het effect van de neurotransmitter.

Overview

Neurotransmitters worden aangemaakt (synthese). Vervolgens worden de neurotransmitters opgeslagen in of getransporteerd naar de axonterminalia van het neuron. Hierna leidt het actiepotentiaal tot afgifte van de neurotransmitters in de synaptische spleet. De neurotransmitters steken de synaps over en hechten aan receptoren van het postsynaptische neuron. Ten slotte scheiden de neurotransmitters van de receptor en worden gedeactiveerd.

Neurotransmitter synthese

Er zijn twee plaatsen waar neurotransmitters worden aangemaakt. De kleinere neurotransmitters worden in de axonterminalia zelf aangemaakt en de neuropeptiden worden in het cellichaam/soma aangemaakt.

De kleine neurotransmitters worden in de axonterminalia aangemaakt en deze productie en transport is relatief snel. Ze zijn hierdoor snelle vervangbaar en hebben ook een snelle werking. Ze worden afgegeven aan de synaps. De synthese wordt afhankelijk van je dieet. Dit komt omdat sommige aminozuren alleen in het lichaam komen via voeding.

Er zijn verschillende groepen kleinere neurotransmitters:

• Aminozuren: glutamaat (EPSPs) 

GABA (IPSPs)

• Acetylcholine (ACh) (motoriek)
• Monoamines: serotonine (5-HT) (stemming)

en catecholamines 

• Dopamine (motoriek en verslaving)
• Norepinephrine (arousal/sleep)
• Epinephrine

• Stikstofmonoxide (NO)

De neuropeptiden, grote neurotransmitters, worden aangemaakt in het soma. De productie en het transport is relatief laag. De neuropeptiden worden voornamelijk afgegeven in  dendrieten, maar ook in het cellichaam en axon. De neuropeptiden worden ook afgegeven aan de dendrieten zodat het ontvangende neuron kan terug communiceren naar het stimulerende neuron.  Neuropeptiden kunnen wijd diffunderen en daardoor communiceren met meerdere neuronen. Ze hebben een trage werking van zelfs meerdere minuten en zijn hierdoor ook niet snel vervangbaar. Neuropeptiden hebben veel verschillende functies, sommige ook van langere duur. Bijvoorbeeld oxytocine zorgt voor moeder-kind binding.

Transport en opslag neurotransmitters

Door het axon lopen microtubili, een soort lange draden. Langs deze microtubili worden blaasjes met neuropeptiden die aangemaakt zijn in het cellichaam vervoert naar de presynaptische axonterminal. Dit vervoer gaat redelijk langzaam. De kleine neurotransmitters zijn al aangemaakt in de axonterminalia en deze worden hier opgeslagen in synaptische blaasjes.

Afgifte neurotransmitters

Het actiepotentiaal bereikt de axon terminalia, waardoor de voltage-afhankelijke Ca2+ kanalen openen. Calciumionen stromen hierdoor de cel in. Vervolgens binden de synaptische blaasjes aan het presynaptische membraan en fuseren met het membraan, waarna neurotransmitters worden afgegeven in de synapsspleet door een proces genaamd exocytose. De neurotransmitters binden tenslotte aan de receptoren van het postsynaptische membraan.

Hoorcollege 4

Neurale Communicatie en drugs

Neurotransmittereffecten

Neurotransmitters kunnen het postsynaptische neuron op twee manieren beïnvloeden. Inotrope effecten zijn snel, kortdurend effect wat zorgt voor direct openen van ionkanalen, waardoor het membraanpotentiaal van het postsynaptische neuron verandert. Inotrope effecten spelen een rol in primaire signaaltransmissie, bijvoorbeeld van waarneming, waardoor we snel kunnen reageren op onze veranderende omgeving.

Metabotrope effecten zijn trager, langer durend en hebben een indirect effect. Metabotrope effecten spelen een rol in tragere processen in de hersenen, zoals honger, angst, arousal en aandacht.

Op het moment dat een neurotransmitter zich hecht aan de receptor leidt dit binnen de cel tot een cascade van effecten, waaronder het beïnvloeden van de mate van het openen van ionkanalen (modulatie effect van andere neurotransmitters). Deze indirecte effecten betreffen meerdere ionkanalen van de het postsynaptische neuron en kunnen zelfs processen in de celkern beïnvloeden. Het effect is dus diffuus. Voorbeelden van neurotransmitters met metabotrope effecten zijn monoamines (dopamine en serotonine) en glutamaat en GABA. Neuropeptiden hebben ook metabotrope effecten. Deze worden dus voornamelijk afgegeven bij de dendrieten en het cellichaam. Ze zorgen voor lokale diffusie naar meerdere neuronen en hebben een traag en langdurig effect. Ze kunnen de activiteit van de omliggende neuronen beïnvloeden.

Celproces metabotrope effecten

Op het moment dat een neurotransmitter zich hecht aan een metabotrope receptor ondergaat deze receptor een conformatieverandering (verandert van vorm). Dit zorgt ervoor dat het G-eiwit dat vast zit aan de receptor loslaat en een ‘second messengers’ activeert. Deze second messengers zorgen voor het openen of sluiten van ionkanalen of voor activatie van een deel van een chromosoom in de celkern, waardoor DNA transcriptie kan plaatsvinden. Hierdoor wordt de eiwitaanmaak beïnvloedt.

De-activatie transmitter effect

In de synaptische spleet bevinden zich enzymen die de neurotransmitters kunnen afbreken. Daarnaast zitten er soms in het presynaptische neuron transporters die zorgen voor de reuptake van (delen van) neurotransmitters. Er zijn ook bepaald gliacellen, de astrocyten, die neurotransmitters uit de synaps kunnen opnemen. Bijvoorbeeld: acetylcholine (ACh) wordt opgebroken door het enzym Acetylcholinesterase (AChE) in acetaat en choline. In de presynaptische terminus vindt reuptake plaats van choline.

Serotonine en catecholaminen worden opgenomen door transporters in hun geheel of (in sommige delen van de hersenen) afgebroken door enzymen. Bijvoorbeeld in frontale delen van de hersenen wordt dopamine afgebroken door een enzym genaamd COMT.

Antidepressiva (bijv. SSRI’s) zorgen voor de blokkering van reuptake van transporters, waardoor serotonine langer aanwezig blijft in de synaps, waardoor het langer zijn werk kan doen.

Negatieve feedback

Er is niet alleen signalering van pre- naar postsynaptische cel, maar ook andersom (van post- naar presynaptische cel). Op de presynaptische cel liggen autoreceptoren. Deze zijn gevoelig voor neurotransmitters die het neuron zelf maakt. Er kan ook feedback komen van het postsynaptische neuron. NO wordt bijvoorbeeld geproduceerd door postsynaptische neuronen bij stimulatie. Dit hecht zich aan receptoren op het presynaptische neuron, wat zorgt voor inhibitie van verdere afgifte van neurotransmitters.

Zintuigelijke responsen

Smaak- en geurreceptoren zijn eiwitten waaraan specifieke stoffen kunnen binden. Geurreceptoren hebben een bepaalde structuur waar geurmoleculen op aansluiten. Smaakreceptoren reageren op chemicaliën in voedsel.

Mechanische- en fotoreceptoren reageren op fysische stimulatie. Bijvoorbeeld sommige mechanische receptoren reageren op het uitrekken van het celmembraan. Dit uitrekken kan teweeg worden gebracht door beweging. Fotoreceptoren zijn eiwitten in het oog zetten die fysische energie in licht omzetten in elektrische signalen.

Drugs en Synaptische Transmissie

Drugs werken zo goed omdat ze vaak uit planten zijn verkregen. Ze werken door onze eigen neurochemie na te bootsen.

Bepaalde drugs zorgen ervoor dat synapsblaasjes worden lek geprikt, waardoor de neurotransmitters niet meer kunnen worden vrijgegeven.

Sommige drugs zorgen voor het bevorderen van afgifte. Amfetamine (speed) zorgt er voor dat er meer dopamine of noradrenaline/norepinephrine (NE) wordt afgegeven in de synaps. MDMA/XTC zorgt er voor dat er meer serotonine (5-HT) en dopamine (DA)worden afgegeven. Nicotine leidt ook tot een verhoogde afgifte van dopamine (DA).

Er zijn ook drugs die er voor zorgen dat er minder neurotransmitters worden afgegeven. Bijvoorbeeld cannabis/marihuana zorgt er voor dat er minder glutamaat en GABA wordt afgegeven. Ook zijn er drugs die er voor zorgen dat synthetiserende enzymen worden geremd, waardoor er minder neurotransmitters worden aangemaakt. Daarnaast zijn er drugs die er voor zorgen dat neurotransmitters niet meer worden opgenomen vanuit de synaptische spleet/de heropname van neurotransmitters blokkeren.  Cocaïne blokkeert de transporters, waardoor dopamine in de synaptische spleet aanwezig blijft.

Er zijn ook drugs die er voor zorgen dat de enzymen in de synaptische spleet worden geïnhibeerd, waardoor neurotransmitters in de synaps niet worden afgebroken. Tenslotte zijn er drugs die neurotransmitters nabootsen. Hierdoor worden postsynaptische receptoren geblokkeerd of geactiveerd. Bijvoorbeeld LSD lijkt heel erg op serotonine.

Tevens zijn er nog drugs die invloed hebben op de ‘second messengers’ van de metabotrope effecten van neurotransmitters.

Farmacologische begrippen

Een agonist is een drug die de effecten van de neurotransmitter naboots of versterkt. Een antagonist is een drug die de effecten blokkeert. Een ligand is een stof die aan een receptor bindt. Affiniteit is de tendens om aan een receptor te binden en effectiviteit is de tendens om de receptor te activeren.

Dopamine, drugs en verslaving

Alle verslavende drugs leiden tot verhoogde afgifte van dopamine (DA) of norepinephrine (NE) in de nucleus accumbens, een gebiedje in de hersenen dat een rol speelt in beloning, plezier en wanting. Dit mechanisme heeft een cruciale rol in verslaving, maar speelt ook een belangrijke rol bij drinken, eten en seks (reinforcement en reward).

Op het moment dat neuronen actief worden in de Ventral Tegmentum Area (VTA) leidt dat tot dopamine-afgifte in de nucleus accumbens. De nucleus accumbens projecteert weer naar de PFC.

De hersenen ontwikkelen zich door tot ongeveer 25 jaar, maar blijven gedurende het hele leven plastisch. Bij overstimulatie van het “reward circuit” door drugs zorgt voor adaptatie, er treden veranderingen op in het brein. Er is afname van het aantal dopaminerge receptoren, waardoor tolerantie ontstaat. Tolerantie betekent dat er meer drugs nodig is voor hetzelfde gevoel. Hierdoor ontstaat ‘wanting’ in plaats van ‘liking’. Daarnaast wordt de nucleus accumbens selectief sensitief. Iemand met een verslaving heeft een verminderd vermogen om te genieten van dingen die eerder plezier brachten (bijv. eten, seks).

Op het moment dat de drug niet meer wordt genomen terwijl de hersenen dat wel verwachten kan dit tot afkickverschijnselen leiden. De hersenen reageren sterk op de afwezigheid van de drug.

Verklaringen verslaving

Er zijn verschillende verklaringen voor waarom de ene persoon wel verslaafd raakt en de ander niet. Sommige mensen hebben een genetische predispositie Er is bijvoorbeeld een relatie tussen alcoholmisbruik en een gen dat enzym COMT (breekt dopamine af in de PFC) reguleert. Wanneer COMT heel actief is en snel dopamine afbreekt, is er meer stimulatie nodig om hetzelfde effect te bereiken. Dit heeft weer consequenties voor de neuronale adaptatie. Ook bepaalde sociaaleconomische factoren (bijv. scheiding, ontslag, armoede, stress) kunnen drugsgebruik in de hand werken. Timing speelt ook een rol bij verslaving. Een adolescentenbrein is veel plastischer. De leeftijd van de eerste alcoholconsumptie heeft een effect op de latere alcoholconsumptie en verklaring. Note: ook game verslaving kan een aspect hebben op het (tiener)brein.

Typen drugs: neurale- en gedragseffecten

Er zijn verschillende categorieën van psychoactieve middelen. Deze categorieën zijn gebaseerd op de hoofdacties. Stimulantia geven energie, een kick, bevorderen de concentratie (scherp) en stemming. Drugs die hier onder vallen zijn amfetaminen (speed), cocaïne en MDMA. Nicotine zorgt voor een opwekkende stemming en een ontspannen gevoel.

Opaten zijn relaxerend, zorgen dat je de wereld vergeet en voor pijnvermindering. Drugs die hieronder vallen zijn opium, morfine en heroïne. Cannabinoiden zijn relaxerend, zorgen voor sterkere sensaties en een vertraagd tijdsbesef. De drug die hieronder valt is marihuana. Alcohol is relaxerend, drempelverlagend en beïnvloedt de motoriek (bij grote dosis).

Hallucinogenen zorgen voor realiteitsdistortie en diepe gedachten. Drugs die hieronder vallen zijn LSD, Phencyclidine (PCP, angeldust) en Psilocibine (paddo’s). Kijk naar de digitale opdrachten om te leren hoe de verschillende drugs de neurotransmissie beïnvloeden.

Cannabinoiden

In het marihuanablad zitten cannabinoiden, onder andere THC. De effecten hiervan zijn verandering in sensorische sensaties, verminderde pijn en misselijkheid, trek in eten, geheugenproblemen (bij langdurig gebruik) en vertraging van de tijd.

De cannabinoiden binden aan cannabinoide receptoren op het presynaptische neuron. In onze hersenen zitten twee soorten natuurlijk cannabinoiden, namelijk anandamine, sn-2 arachidonyglycerol (2AG). Deze zorgen voor negatieve feedback aan het presynaptische neuron. Ze heten hierom retrograde neurotransmitters. De cannabinoide receptoren liggen vaak op glutamaterge en GABAerge neuronen, hierdoor wordt de afgifte van deze neurotransmitters geremd. Door cannabinoiden wordt GABA geremd in de VTA, waardoor er meer afgifte is van dopamine (DA) in de nucleus accumbens.

Stimulantia

De effecten zijn stimulerend, verhogen van alertheid, verbeteren van stemming (euphoria), minder moe en verhoogde concentratie. Een hoge dosis zorgt echter tot verminderde aandacht en leren. Amfetamine (speed) zorgt ervoor dat er een verhoogde dopamine (DA) afgifte is in de presynaptische terminal en zorgt voor inhibitie van de DA reuptake transporter. Het heeft een vergelijkbaar effect op de norepinephrine en serotonine transporters. Het zorgt dus voor meer dopamine in de synaps, maar kan er daarna voor zorgen dat je een dip krijgt, omdat je dopaminevoorraad dan op is. 

Cocaïne zorgt er ook voor dat de concentratie DA in de presynaptische terminal verhoogd, door inhibitie van de DA reuptake transporter.

Methylfenidaat (Ritalin) is een DA heropname blokker. Omdat het in pilvorm wordt ingenomen wordt het trager en beter verspreid in de hersenen opgenomen, waardoor het niet verslavend is.

MDMA (XTC) heeft bij een lage dosis de effecten van stimulantia. Het verhoogt de DA afgifte waardoor je meer energie krijgt. Bij een hoge dosis heeft het meer hallucinogenische effecten, doordat de serotonine afgifte ook wordt gestimuleerd. Serotonine heeft zeer diverse acties in het centrale zenuwstelsel, afhankelijk van onder andere de gestimuleerde receptor krijg je gevoelsversterking (5HT-2) of misselijkheid (5HT-3).

Alcohol leidt in lage dosis tot een relaxerend gevoel en  sociale disinhibitie, maar bij een hoge dosis leidt het tot verminderd besluitvermogen tot verstoorde motoriek en spraak. Alcohol verlengt de effecten van GABA (meer inhibitie) en blokkeert de activiteit van glutaminerge receptoren (minder excitatie). Tevens verhoogt het de stimulatie van DA receptoren in de nucleus accumbens.

Hoorcollege 5

Anatomie van het Zenuwstelsel

Uitdrukkingen ligging structuren

Er zijn verschillende uitdrukkingen bij het beschrijving van de ligging van structuren in het zenuwstelsel. Dorsaal is de rugkant, ventraal de buikkant, rostral de hoofdzijde en caudaal de staartzijde. Wanneer gesproken wordt over het brein zelf wordt de bovenkant dorsaal genoemd en de onderkant ventraal. Rostraal is de voorzijde van het brein en caudaal de achterzijde. Verder heb je nog diverse doorsneden. Horizontaal, coronaal (van links naar rechts) en sagittaal (van voor naar achter). Bij het brein van de mens wordt voor de voorkant  vaak anterieur gebruikt en voor de achterkant posterieur. Deze termen moet je goed in je hoofd stampen.

Opdeling zenuwstelsel CNS en PNS

Opdeling van het zenuwstelsel in centraal zenuwstelsel (CNS) en perifeer zenuwstelsel (PNS). CNS is het brein en de ruggengraat en wat er aan vast zit. Het ruggenmerg hoort hier ook bij. Het PNS zijn alle uitlopers die uit de ruggengraat lopen. Er is een verschil in somatisch en autonoom. Somatisch zorgt voor bewuste beweging en voelen (somatosensorisch). Het autonome zenuwstelsel is belangrijk voor het aansturen van alle onvrijwillige spieren en organen, zoals spieren in de darmen. Somatisch is bewust en autonoom is onbewust. Het perifere zenuwstelsel bestaat uit 31 paar spinale (= gemengde) zenuwen. Het zijn gecombineerde zenuwen voor voelen en bewegen. Je hoeft niet te weten welke zenuwen uit welke plek van de ruggengraat komen. De witte stof in het ruggenmerg heeft cervicaal de grootste omvang. Dit komt omdat er bovenaan de meeste axonen (witte banen) door het ruggenmerg heen moeten.

Perifere Zenuwstelsel (PFS)

Somatische zenuwstelsel

Aan de buitenkant in het ruggenmerg zit de witte stof en aan de binnenkant zit de grijze stof.

Aan de dorsale kant van de ruggengraat lopen de zenuwen voor tast en pijnperceptie. Aan de ventrale kant lopen de moterzenuwen voor beweging. Sensorische neuronen liggen buiten het ruggenmerg in clusters cellen. Hierdoor is het gevoelig voor schade. Motorneuronen zitten in het ruggenmerg zelf. Door motorneuronen kan je je spieren aansturen.

Het perifere zenuwstelsel is heel duidelijk opgebouwd in regio’s van tast, deze worden dermatomen genoemd. De dermatomen/receptieve veld op de dijbenen is bijvoorbeeld veel groter dan op de vingers. Daarom kan je met je vingers beter onderscheid maken op pijnprikkels.

Autonome zenuwstelsel

Het autonome zenuwstelsel bestaat uit het sympathische zenuwstelsel en het parasympatische zenuwstelsel. Het sympathische zenuwstelsel activeert het fight or flight systeem. Dit zijn neuronen die zijn geclusterd en zijn verbonden via de ganglia die dichtbij het ruggenmerg liggen. Het werkt als één geheel. De hartslagfrequentie gaat omhoog, de ademhalingsfrequentie gaat omhoog en de darmwerking vermindert. Hierdoor ben je paraat en kan je snel en adequaat handelen. Het parasympatische zenuwstelsel brengt het lichaam tot rust. Het is een remmend geheel en de organen worden onafhankelijk aangestuurd. Het zorgt voor verhogen van de spijsvertering en verlagen van de hartslag- en ademhalingsfrequentie.

Centrale zenuwstelsel: de hersenen

Je moet de anatomie én de functies kennen

Evolutie van het brein

De onderste delen van het brein wordt de Hindbrain of het reptielenbrein genoemd. Dit zorgt voor al het automatische gedrag wat we vertonen. Dit zijn de primitiefste delen van het brein. Het oude zoogdierenbrein zorgt voor emotie en hechting. De hypothalamus speelt hierin een belangrijke rol. Bij nieuwe zoogdieren ontwikkelt begrijpen en voorspellen. Hiervoor is een cortex voor nodig wat plastisch is waardoor je kunt leren. Primaten en dolfijnen kunnen plannen en controle op het gedrag uitoefenen. Mensen hebben een grote (prefrontale) cortex. De PFC is niet bij iedereen goed ontwikkelt. De PFC ontwikkelt zich tot het 23^ste en is op het 25^ste levensjaar op z’n top, maar neemt vanaf het 40^ste levensjaar weer af.

Hersenstam/reptielenbrein

De hersenstam bestaat uit de medulla, pons en midbrain. Hierboven zit de thalamus, het belangrijkste schakelcentrum in het brein. We hebben twaalf paar craniale of hersenzenuwen. Deze hebben verschillende functies in de sensoriek en motoriek. Deze zenuwen hoef je niet allemaal te kennen. De vagus nervus stuurt het parasympatische zenuwstelsel aan. De vagus nervus wordt ook wel het craniosacraal genoemd. De vagus nervus houdt de basisfuncties van het lichaam in stand.

De medulla zit net boven de ruggengraat. De medulla is cruciaal voor de hartslag, ademhaling en bloeddruk. Schade in de medulla zorgt voor het verloren gaan van hartslag, ademhaling en bloeddruk. Hierdoor sterf je.

Door de hersenstam tot aan de thalamus loopt de reticulaire formatie. Deze geeft aan het brein door hoe actief het brein moet zijn. Dit is heel belangrijk voor arousal en aandacht. Wanneer de reticulaire formatie weg is of beschadigd is, raak je in een coma waar je niet meer uit ontwaakt. Wanneer de reticulaire formatie heel actief is, is de schil van de thalamus doorlaatbaar en wanneer je reticulaire formatie geen signaal geeft, is de schil van de thalamus ondoorlaatbaar en geeft dan geen signaal af.

De pons bevat belangrijke kernen die verschillende delen van het brein verbinden. Daarnaast bevat het kernen die belangrijk zijn voor slaap, ademhaling, slikken, blaascontrole, gehoor, evenwicht, smaak, oogbewegingen, gezichtsexpressies, gevoel in gezicht en houding. Daarnaast zorgt de pons ook voor verlamming tijdens de slaap.

De superior colliculi en inferior colliculi zorgen voor schakelstations voor gehoor (inferior) en visuele informatie (superior). De superior colliculi zorgen ook voor de beweging van je ogen. Het zijn vrij reflexieve oogbewegingen, bijvoorbeeld wanneer je een hard geluid hoort kijk je automatisch snel om.

Cerebellum is een erg complexe structuur en bevat 90% van alle neuronen in het brein. In totaal zijn er 80 miljard neuronen in het brein. Het is een zeer belangrijke maar onbestudeerde structuur in het brein. Onderaan zit het vestibulo-cerebellum wat belangrijk is voor balanscontrole, coördineren van oogbewegingen met lichaamsbeweging. Het binnenste deel is het spino-cerebellum.  De spino-cerebellum is verantwoordelijk voor polysensorische integratie en voor meer precieze en flexibele controle van ledematen in beweging. Het gaat om precieze en kleine bewegingen.

Aan de buitenkant zit het neo-cerebellum. Dit is betrokken bij het plannen van beweging, hogere mentale functies en tijdsperceptie.

De thalamus is hét schakelbord van het brein. Het ontvangt sensorische informatie van alle sensorische modaliteiten, behalve reuk. De thalamus is betrokken bij alle corticale communicatie. Beide hemisferen hebben een eigen thalamus. Je hoeft de verschillende onderdelen van de thalamus niet te kennen. Je moet wel weten dat verschillende delen geïntegreerd zijn in verschillende delen van de thalamus.

De hypothalamus ligt onder de thalamus. De hypothalamus bestaat uit verschillende kernen met diverse functies. Het controleert en reguleert de lichaamstemperatuur, seksuele lust, honger, dorst en hormoonsysteem via de hypofyse. Het is hierdoor een van de belangrijkste gebieden in de hersenen. Bij laterale stimulatie van de hypothalamus stimuleer je het hongergevoel. Bij ventromediale hypothalamus stimulatie wordt het hongergevoel onderdrukt. De hypothalamus reguleert de pituitary master gland en controleert de hormonen die in het bloed worden losgelaten. De hypothalamus reguleert ook activatie in het autonome zenuwstelsel. De hypothalamus bevat ook een aantal pleasure centres. Ratten doen alles om hun pleasure center te stimuleren. Dit systeem werkt op dopamine.

Het ventrikelsysteem bevat cerebrospinale vloeistof (liquor). Dit is een mechanische buffer, wanneer je een stoot krijgt beschermt het je hoofd. Het zorgt voor vermindering van effectief gewicht, afvoer van afvalproducten en het vormt een reservoir voor hormonen en voedingsstoffen. De ventrikels zitten om de thalamus heen gevouwen.

De basale ganglia hebben een essentiële functie in de motoriek. Ze bevinden zich aan de zijkant van de thalamus. Ze zijn belangrijk voor vrijwillige beweging, maar vooral voor allerlei vormen van cognitie. Er is een intensieve interactie met de cortex, met name de PFC. Disfunctie van de basale ganglia kan leiden tot Parkinson, Huntington, schizofrenie, ADHD en OCD.

Het limbische systeem speelt een belangrijke rol bij motivatie en emotie. Het krult om de thalamus heen.

De hippocampus is essentieel voor het aanleggen van nieuw langetermijngeheugen. Het gaat vooral over de aanleg van nieuw geheugen en niet over retrieval uit het LTM.

De amygdala is belangrijk voor (positieve en negatieve) emoties, maar vooral voor stimulus-respons relaties. Bijvoorbeeld wanneer je schrikt/bang wordt van een slang. De amygdala is een structuur die veel groter is bij mensen dan bij andere dieren. Dit komt omdat wij heel veel associaties kennen.

Commissuren

In de subcorticale structuren zijn er duidelijke structuren tussen de twee hersenhelften. Commissuren zorgen voor communicatie tussen hemisferen. Er kan maar weinig informatie gestuurd worden van de ene hemisfeer naar de andere door deze subcorticale verbindingen.

Het corpus callosum vormt een snelweg voor communicatie tussen de hersenhelften. Bij heftige epilepsie werd vroeger wel eens het corpus callosum doorgesneden.

Neuro-imaging

Subcorticale structuren liggen redelijk ver van de schedel af. Hierdoor is het lastig hersensignalen te meten van subcorticale structuren. fMRI kan wel goed gebruikt worden.

Cerebrale cortex

De cerebrale cortex bestaat uit 4 kwabben. Achterin zit de occipitaalkwab, deze is vooral betrokken bij zien. Bovenaan zit de pariëtale kwab. Deze speelt vooral een rol bij ruimtelijke aspecten vanuit jezelf, ruimtelijke informatie en tast en pijnperceptie. De temporaalkwab is belangrijk voor categorieën en horen. De frontaalkwab bevat veel controlemechanismes en de motorcortex. De associatiegebieden zorgen vooral voor hogere mentale functies, zoals leren, onthouden, denken en spreken.

Primaire cortices

Visuele informatie wordt verwerkt in de occipitaalkwab. Tast gaat naar de pariëtaalkwab, horen en smaak naar de temporaalkwab en ruiken naar de onderkant van de frontale kwab.

De cerebrale cortex is erg groot en bestaat daarom uit sulci en gyri. Hoe groter de corex is, hoe meer functies mogelijk zijn.

Pariëtaalkwab

De pariëtaalkwab bevat de somatosensorische cortex en ontvangt tast informatie uit het hele lichaam. Het bevat allemaal ruimtelijke templates van de buitenwereld, zowel uit een ik-perspectief als uit een omgevingsperspectief. Het grootste deel van de parëtaalkwab bestaat uit associatiegebieden.  

Occipitaalkwab

De occipitaalkwab ontvangt met name visuele informatie uit het contralaterale visuele veld.

Temporaalkwab

De temporaalkwab ontvangt met name geluidsinformatie uit het contralaterale oor.

Het bevat Wernicke’s Area dat geschreven en gesproken taal analyseert wat resulteert in taalbegrip. De temporaalkwab verwerkt ook complexe visuele informatie, bijvoorbeeld gezichtsherkenning!

Frontaal kwab

De frontaalkwab zorgt voor spreken, spieraansturing, plannen en beoordelingen maken, abstracte gedachten en controle over de emotie. Het bevat de motor cortex die signalen stuurt naar het lichaam om spieren aan te studeren. Plannen van dingen die dichtbij zijn in tijd, bevinden zich dichter bij de motorcortex. De frontaalkwab bevat ook Broca’s Area wat verantwoordelijk is voor spraak.

BELANGRIJK: De cortex werkt altijd samen bij gedrag. De cortex heeft een netwerkfunctie. Zonder dat je iets waarneemt, kan je er ook niet op reageren. Bijvoorbeeld hardop lezen gaat van de visuele cortex naar de angular gyrus, naar Wernicke’s area, naar Broca’s area en dan naar de motorcortex voor uitspraak.

Organisatie neocortex  

De cortex is georganiseerd in cellagen en kolommen. In de neocortex zitten 6 lagen cellen. Deze lagen bevatten pyramidaalcellen die dwars door de lagen heen gaan. De pyramidaalcellen liggen in dezelfde richting. Input vanuit de thalamus komt áltijd binnen in cellaag 4!

Pyramidaalcellen zijn de grote motoren van de cortex. Ze hebben de vorm van een piramide en zijn exitatior. Ze maken gebruik van glutamaat als neurotransmitter. Het is een projectieneuron. Axonen die de grijze stof verlaten (efferenten) zijn veel groter en sterker gemyeliniseerd dan de lokale uitlopers. Een EEG maakt vooral gebruik van pyramidaalcellen omdat ze allemaal dezelfde kant op wijzen.

Een stellate cel is een stervormige cel die veel kleiner is dan een pyramidaalcel. Deze kun je onderscheiden in aspiny en spiny. Ze zijn exitatoir en gebruiken dan glutatmaat of inhibitoir en gebruiken dan GABA. Het zijn veel lokalere verbindingen.

Organisatie in kolommen

De functies van de verschillende kolommen verschilt heel erg. Elke kolom is gespecialiseerd. 

Hoorcollege 6

Hersenontwikkeling en Plasticiteit

Introductie Hersenontwikkeling

Bij jonge kinderen (5 jaar) is de somatosensorische- en de motorische cortex al goed ontwikkeld, evenals de visuele cortex. de hersenen ontwikkelen zich steeds verder, tot ongeveer in de twintigerjaren. Als laatst ontwikkelt de prefrontale cortex zich. De hersenontwikkeling volgt hierbij de evolutie.

Een brein ontwikkelt zich sterk onder invloed van de omgeving. Tijdens de ontwikkeling zijn er bepaalde kritieke perioden, waarin de hersenontwikkeling sterk onder invloed is van de omgeving. 

Embryonale ontwikkeling

Ongeveer twee weken na de bevruchting ontstaat de neurale plaat die zich omvormt tot de neurale buis. De bovenkant vormen later de hersenen en de onderkant vormt het ruggenmerg. In de buis is vloeistof aanwezig die later in de ventrikels van de hersenen en om het ruggenmerg heen zit. De neurale buis ontwikkelt zich en bestaat uit de forebrain (latere cortex), midbrain (latere middenhersenen) en hindbrain (latere hersenstam en ruggenmerg).

Neurale ontwikkeling (celniveau)

Er zijn 5 deels overlappende stadia van neuronale ontwikkeling, die allemaal beginnen voor de geboorte. De vijf stappen zijn: proliferatie, migratie, differentiatie, myelinisatie en synaptogenese.

Proliferatie

Proliferatie is de productie van nieuwe cellen. Dit gebeurt vroeg in de ontwikkeling van de hersenen uit stamcellen. Stamcellen zijn ongediffentieerde cellen die liggen in de wand van de ventrikels. De stamcellen delen zich tot nieuwe stamcellen en blijven dan in de wand van de ventrikels of ze delen tot primitieve neuronen en gliacellen die migreren naar andere delen van het brein. Het proces van proliferatie begint rond de vijf weken na de conceptie.

– Ook in het volwassen brein vindt nog aanmaak van nieuwe neuronen plaats (neurogenese). Echter is dit alleen in de hippocampus (leren, geheugen en emotie), bulbus olfactorius (reuk) en in het striatum (onderdeel van de basale ganglia). In dieren is aangetoond dat na hersenschaden kleine neuronen met inhibitoire functie nog kunnen worden aangemaakt in de cortex. –

Migratie (9 weken)

Migratie is het reizen van primitieve neuronen naar hun bestemming. Bij sommige neuronen gaat de migratie heel traag en bereiken ze hun bestemming pas bij volwassenheid. Er zijn twee manieren van migratie. Bij radiale migratie migreren cellen met behulp van radiale glia cellen. Deze cellen verbinden de ventrikels met de cortex. Bij chemische migratie geleiden chemische stofjes (immunoglobines en chemokines) de migratie van neuronen.

Differentiatie (18 weken)

Bij differentiatie ontwikkelen primitieve neuronen zich tot neuronen. Eerst ontwikkelt het axon. Het axon blijft achter bij een target(gebied) en groeit verder achter het migrerende neuron aan of het axon groeit naar het target met behulp van chemische stofjes. Een groeiend axon heeft aan het eind een groeikegeltje dat sommige chemicaliën aantrekt en andere afstoot. Wanneer de axonen bij het target zijn aangekomen sorteren ze zich over het targetoppervlakte aan de hand van de gradiënt van chemicaliën. Dit wordt de chemo-affiniteit hypothese genoemd. Vervolgens ontwikkelen de dendrieten. Dit gebeurt bij bereik van de eindbestemming, omdat het neuron dan pas kan gaan communiceren met andere neuronen.

Myelinisatie

Gliacellen vormen myelineschede rondom de axonen. Myelinisatie gaat nog tientallen jaren door. 

Synaptogenese

Synatogenese is de vorming van synapsen en gaat het hele leven door. Het brein maakt in het begin eigenlijk veel te veel synapsen aan. Neuronen leggen vele verbindingen aan met andere neuronen, maar ze weten nog niet precies welke verbindingen nuttig en informatief zullen zijn. Aan de hand van interactie met de omgeving worden sommige verbindingen met synapsen versterkt, terwijl andere verdwijnen. Het elimineren van synapsen wordt ook wel synaptic pruning genoemd. Dit is dus afhankelijk van de input (door interactie met externe omgeving) van de presynaptische cel. Microglia spelen een rol bij het opruimen van de synapsen. De meest succesvolle connecties, de connecties die de beste informatie doorgeven, overleven. Dit is volgens het principe van natuurlijk selectie: neuraal Darwinisme.

Synaptic pruning gaat aan de hand van neurotrofines. Neurotrofines zijn eiwitten die het overleven en de activiteit van neuronen promoten. Neurotrofines worden afgegeven door het postsynaptische neuron, wat zorgt voor waarborging van overleving van het presynaptische neuron. Neuronen die geen neurotorfines ontvangen sterven door het proces apoptose (voorgeprogrammeerde celdood). Voorbeelden van neurotrofines zijn nerve growth factor (NGF) en brain derived neurotrophic factor (BDNF). Synchrone activiteit rondom een neuron is zeer belangrijk. Hierdoor vindt selectie plaats van de beste connecties. Hierdoor zie je ook de connectie/continue wisselwerking tussen gedrag en hersenen terug in onze hersenontwikkeling/synaptogenese.

Er zijn ook bepaalde psychiatrische stoornissen geassocieerd met synaptic pruning. Bij schizofrenie is er sprake van overpruning (in de PFC) en bij autisme is er sprake van underpruning.

Hersenplasticiteit

Het ontwikkelende brein is veel plastischer dan een volwassen brein (onder andere door de overproductie van synapsen). Hierdoor is er een groter vermogen tot leren en herstel na schade. Echter geeft dit ook meer kwetsbaarheid, omdat de basis-machinerie wordt aangelegd. Dit geldt ook voor alcohol. Wanneer de moeder tijdens de zwangerschap veel alcohol drinkt, veroorzaakt dit hersenschade bij het kind in de baarmoeder. Alcohol interfereert met alle stadia van hersenontwikkeling en stimuleert apoptose. Het vergroot de activiteit van GABA (inhibitie) en onderdrukt de activiteit van glutamaat (excitatie). Hierdoor is er minder stimulatie en minder neurotrofines waardoor apoptose in neuronen optreedt. Hierdoor krijgt het kind fetal alcohol syndrome.

Ook na de geboorte (postnataal) zijn er kritieke perioden. Dit zijn begrensde perioden van ontwikkeling waarin een bepaalde functie zich kan ontwikkelen. Dit hangt sterk samen met van de omgeving afhankelijke synaptic pruning. Netwerk en functie (het gedrag) ontwikkelen zich interactief. Deprivatie van geschikte stimuli in de kritieke perioden veroorzaakt blijvende abnormaliteiten van netwerk en functie.

Na de kritieke perioden is er nog steeds plasticiteit in de hersenen. Er is nog steeds uitgroei van axonale terminals en nieuwvorming en verdwijning van synapsen. Grove reorganisatie van netwerken komt echter niet meer voor bij volwassen leeftijd. Waarschijnlijk komt dit om dat nieuwe connecties ten koste zullen gaan van bestaande, omdat het brein ‘vol’ is. Een volwassen brein past zich nog wel continu aan door leren en nieuwe ervaringen.

Er zijn diverse studies gedaan naar “brain training”, maar de bevindingen zijn echter nog contradictoir. Het zou wel zijn dat “brain training” wel werkt op leeftijd boven de 60 jaar.

Muzikale training is ook geassocieerd met veranderingen in het brein (grijze stof). Bij focale dystonie (spierkramp bij musici) is het gevolg van reorganisatie op hersenniveau, waarbij de representatie van de vingers in de cortex gaan groeien én overlappen. Cellen die daar liggen sturen conflicterende informatie, wat kramp veroorzaakt.

Hersenschade

De meest voorkomende oorzaak van hersenschade in ouderen is een beroerte. Dit kan komen door een herseninfarct of door blokkade van een bloedvat.

Bij een herseninfarct sterven neuronen. Er is eerst overstimulatie. Edema (vochtophoping) treedt op en de Na+/K+-pomp werkt niet meer goed. Hierdoor is er te veel natrium in de cel, waardoor te veel glutamaat (excitatie) wordt afgegeven. Hierdoor komt er nog meer natrium en andere ionen in de cel terecht. Dit zorgt voor disfunctioneren van de mitochondriën en uiteindelijk tot celdood. Na een paar dagen is er sprake van onderstimulatie wat leidt tot nog meer neuronale teloorgang. De overlevende neuronen ontvangen namelijk geen of minder neurotrofines of activatie meer, waardoor deze overgaan op apoptose.

Mechanismen Neuronaal Herstel

Aangroeien van axonen is onmogelijk in het centrale zenuwstelsel, maar kan wel in zeer kleine mate in de periferie. Wanneer neuronen verminderde input krijgen, kunnen hun receptoren super sensitief worden. Synapsen verhogen de responsiviteit en worden daardoor gevoeliger voor neurotransmitters. Er zijn twee soorten supersensitiviteit. Denervation supersensitiviteit treedt op na destructie van het inkomende (presynaptische) axon. Disuse supersensitiviteit treedt op na inactiviteit van het inkomende axon.

Bij collateral sprouting treedt er afgifte op van neurotrofines door cellen die input missen. Hierdoor groeien er nieuwe axon-vertakkingen van neuronen naar de neuronen die neurotrofines afgeven. Hierdoor ontstaan nieuwe hersenverbindingen. Neurotrofinen spelen dus niet alleen een rol in het overleven van neuronen bij synaptic pruning, maar ook bij stimulatie van vertakkingen van afferente neuronen.

Fantoomledemaat

Een fantoomledemaat is een ledemaat dat is geamputeerd, maar naar gevoel nog steeds aanwezig is. Dit komt door de (re)organisatie van de somatosensorische cortex. Door amputatie krijgt een groot deel van de somatosensorische cortex ineens geen input meer. Hierdoor vindt reorganisatie plaats door collateral sprouting. Learned paralysis kan worden verholpen met een ‘mirror box’.