Hersenen en aansturing stof deel 1

Deze samenvatting is gebaseerd op collegejaar 2012-2013.

Anatomie van de hersenen

Neuroscience

Neuroscience is een combinatie van neuroanatomie, neurologie, neuropathologie, neuropharmacologie, gedragsstudies en cel biologie.

Een aantal belangrijke termen zijn:

• Mediaal/Lateraal – naar het midden/naar de zijkant
• Anterior/Posterior – voorkant (van het brein)/achterkant (van het brein)
• Rostraal/Caudaal – boven het mesenchephalon: voorkant/achterkant brein. In en onder het mesenchephalon: naar de cerebrale cortex/naar het sacrale eind
• Ventraal/Dorsaal – boven het mesenchephalon: bovenkant brein/onderkant brein. Caudaal van mesenchephalon: voorkant/achterkant lichaam.
• Superior/Inferior – boven/onder
• CNS – centraal zenuwstelsel, dus brein en ruggenmerg. Dit is beschermd door drie lagen: meninges. Het CNS heeft ventrikels: holtes gevuld met vocht.
• PNS – perifeer zenuwstelsel, de spinale en craniale zenuwen buiten het CNS
• Ipsilateraal/contralateraal – aan de zelfde kant/aan de andere kant
• Commissura – verbinding tussen hersenhelften
• Decussatie – kruising van commissura
• Neuron – functioneel deel van het zenuwstelsel. Heeft een dendriet waarmee signalen worden opgevangen en een axon waarmee signalen worden uitgezonden.
• Ganglion – groep neuronen in het CNS met vergelijkbaar uiterlijk, informatiebron, target en functie
• Tract – groep axonen met dezelfde target(s)
• Witte massa – delen van het CNS die gemyeliniseerd zijn (axonen)
• Grijze massa – delen van het CNS die ongemyeliniseerd zijn (vooral neuronen).
• Autonoom zenuwstelsel – innerveert vooral glad spierweefsel en klieren
• Somatisch zenuwstelsel – innerveert vooral dwarsgestreept spierweefsel en huidsensoren

Het ruggenmerg is een dunne structuur die vanaf het brein afdaalt. Het is in vijf delen verdeeld met elk een hoeveelheid spinale zenuwen: cervicaal (8), thoracaal (12), lumbaal (5), sacraal (5) en coccygeaal (1). Vanwege de extremiteiten zijn delen van het cervicale en lumbale ruggenmerg verdikt.

Het brein kent een stam, cerebellum en cerebrale hemisferen. De stam bestaat uit een medulla (rostraal van het ruggenmerg), pons (rostraal van de medulla) en een mesenchephalon (rostraal van de pons). Het cerebellum ligt dorsaal van de pons en zit met drie vezelgroepen, de peduncles, aan de breinstam vast; De cerebrale hemisferen bevatten de cerebrale cortex, corpus callosum, dienchephalon, basale ganglia, limbische structuur en interne capsule. Bij de meeste motorische en sensorische functies bestuurt de linkerkant van het brein de rechterkant van het lichaam en andersom. Op het laterale oppervlak van het brein bevindein zich de frontale, parientale, temporale en een deel van de occipitale kwab. Deze worden door fissuren, de sulci, onderscheiden. De verhogingen die door deze sulci ontstaan heten gyri. De cortex heeft zijn neuronen aan de buitenkant en de (zenuw)vezels aan de binnenkant. De vezels verbinden de kwabben met elkaar.

Hersenkwabben
De frontale kwab is de grootste kwab. Het heeft als posteriore grens de centrale sulcus en reikt tot de frontale punt van het brein. In het mediale vlak strekt het uit tot de corpus callosum. Het posteriore deel van de frontale kwab is de precentrale gyrus. Hier worden de motorische signalen afgegeven. De indeling is somatotroop: speciale gebieden uit de gyrus horen bij speciale delen van het lichaam, er is dus een anatomische kaart te tekenen op de gyrus. Dit is wel disproportioneel: het is een homonculus. Dit komt doordat sommige kleinere lichaamsdelen, zoals de handen, complexer zijn dan andere, grotere lichaamsdelen. Het deel dat dicht bij de laterale (Sylviane) sulcus ligt, innerveert hoofd en gezicht. Dorsaal en mediaal liggen de neuronen die de extremiteiten innerveren. Van anterior naar posterior bevinden zich de superiore, middelste en inferiore frontale gyrus. Bij de inferiore frontale gyrus ligt ook het frontale oogveld, waarmee willekeurige oogbewegingen worden gecontroleerd. In de inferiore frontale gyrus ligt het spraakcentrum van Broca, waarmee spraak geproduceerd wordt. Ver rostraal in de inferiore frontale gyrus ligt ook de prefrontale cortex, waar intellect en emotionele gebeurtenissen worden verwerkt. Diep in de Sylviane sulcus ligt de insula, dit is achter de temporalis kwab. Deze heeft meerdere functies, waaronder het ontvangen en verwerken van smaak en pijn.

De parientale kwab regelt de somatosensorische functies. De kwab ligt posterior van de centrale sulcus en strekt uit tot de occipitale kwab. Tussen de centrale sulcus en de postcentrale sulcus ligt de postcentrale gyrus. Hier wordt de informatie van de periferie opgenomen. Zoals gezegd ontvangt de ene helft van het brein informatie van de andere kant van het lichaam. De rest van de parientale kwab wordt door de interparientele sulcus opgedeeld in ene superior en een inferior deel. Superior van de laterale sulcus liggen de supramarginale en angulare gyri, die audiele en visuele signalen verwerken.

Ventraal hiervan ligt het gebied van Wernicke, waar het begrip van taal wordt geregeld.

De occipitale kwab ligt voor het grootste deel mediaal, maar voor een deel ook lateraal op de cortex. Hij is het beste te zien op een midsagittale doorsnede. Inferior en superior van de calvarine sulcus zit de primaire visuele cortex. De ventrale grens is het corpus callosum, een grote vezelbundel die de twee hemisferen verbindt. Medial van het corpus callosum legt het septum pellucidum, deze dunne membraandraad scheidt de laterale ventrikels.

De temporale kwab ligt inferior van de laterale sulcus en is voornamelijk belangrijk voor de auditieve verwerking. Deze kwab bestaat uit een superiore, mediale en inferiore gyrus. Uit de hippocampus, die diep in deze kwab ligt, ontspringt de fornix. Dit is een groot vezelsysteem dat inferior van het corpus callosum en superior van de thalamus loopt. Het geeft informatie van de hippocampus aan het septale gebied en de hypothalamus. Onder de fornix ligt het diencephalon. De parahippocampale gyrus verlengt zich mediaal in de uncus. Diep in deze gyrus en uncus liggen de hippocampische formatie en amygdala.

De thalamus is een grote structuur die de informatie voor verschillende hersendelen integreert. De hypothalamus is kleiner en ligt ventraal en anterior van de thalamus. De hypothalamus regelt de viscerale functies zoals temperatuur en het endocriene systeem. Ventraal is hij verbonden met de hypofyse. 

Structuren van de voorhersenen
In de hemisferen liggen holtes die we ventrikels noemen, deze zijn gevuld met liquor (hersenvocht). Dit wordt in speciale epitheelcellen uit de choroide plexus gevormd, deze plexus ligt in het dak van de ventrikels. Liquor heeft een geleidende en beschermende functie. De laterale ventrikels zijn groot. Hun voorhoorn ligt in de frontale kwab, hun achterhoorn in de occipitale kwab, een corpus van het interventriculaire ventrikel tot de achterhoorn en waar de achterhoorn en corpus verbinden een inferiore hoorn. Deze eindigt bij de amygdala. Het derde ventrikel ligt in het diencephalon, dit ligt ventraal van de thalamus en dorsaal van de hypothalamus. Via het interventriculaire foramen heeft het contact met de laterale ventrikels. Posterior is het verbonden met het cerebrale aquaduct, waardoor liquor naar het vierde ventrikel en zo naar de subarachnoide ruimte kan stromen.

De basale ganglia zijn belangrijk voor motorprocessen. De belangrijkste onderdelen zijn de caudate nucleus, het putamen en de globus pallidus. Ook de subthalmische nucleus en substantia nigra horen bij de basale ganglia. De caudate nucleus ligt dichtbij de voorhoorn van het laterale ventrikel. Het verlengt caudaal langs het corpus en inferiore hoorn. De staart ligt bij de thalamus.

Het putamen is het grootste deel van de basale ganglia en ligt lateraal/anterior in het voorbrein. Het grenst lateraal aan de externe capsules en mediaal aan de globus pallidus. De externe capsules zijn deel van de corticofugale vezelsysteem dat de informatie van de cerebrale cortex naar het voorbrein, hersenstam en ruggenmerg brengt en andersom.

Het diencephalon bestaat uit de thalamus dorsaal en de hypothalamus ventraal. De mediale grens is het derde ventrikel, de laterale grens de interne capsule. Anterior van het diencephalon liggen de anteriore commissura en lamine terminalis. Posterior ligt de posteriore commissura.
Limbische structuren zijn belangrijk bij emotioneel gedrag, geheugen en hormonen. De hippocampus en amygdala uit de temporale kwab horen bij dit systeem. Uit de hippocampus komt de fornix, uit de amygdala de stria terminalis. Deze loopt samen met de caudate nucleus naar de hypothalamus.

Cerebellum en hersenstam
Het cerebellum is belangrijk voor het coördineren van motorische processen. Drie paar cerebelle pendules verbinden het aan de hersenstam. Het cerebellum kent twee hemisferen met daartussen het vermis. De hemisferen hebben een anteriore, grote posteriore en kleine flocculonodulaire kwab. De kwabben krijgen elk van een ander gebied van het CNS en de periferie signalen.
Dorsaal op de hersenstam liggen twee paar uitstulpingen. Het bovenste paar doet de visuele functies, het onderste paar de auditieve. Het dorsale deel van de pons en medulla vormt de bodem van het vierde ventrikel. Dit ventrikel komt in de obex uit in het centrale kanaal. Het deel van de medulla met het ventrikel heet de open medulla, het deel met het centrale kanaal de gesloten medulla. Op het dorsale oppervlak van de medulla zitten uitstulpingen die de sensorische neuronen van de medulla bevatten. Ter hoogte van het mesenchephalon komt een grote zenuwbundel, het crus cerebri, van de cerebrale hemisferen naar de hersenstam en het ruggenmerg.

De dorsale helft van het pons heet het termentum, de ventrale helft de basilaire pons. Een rostraal/caudale uitstulping heet de pyramide. De axonen hierin zijn dezelfde als die van de interne capsule en cerebrale peduncles. De piramide geleidt alle corticale signalen die naar het ruggenmerg gaan en andersom. Via de pyramidale decussatie, het corticospinale kanaal, komt de piramide contralateraal van de lagere medulla te liggen. De pyramide wordt door een dunne sulcus geschieden van een andere uitstulping, de oliva. Dit speelt een belangrijke rol voor de verbinding tusen het ruggenmerg en hersenstam naar cerebellum.

Bescherming van het CNS
Het CNS wordt beschermd door het craniale geweld, de wervelkolom en de hersenvliezen. Er zijn drie hersenvliezen: de dura, arachnoïd en pia mater. Het arachonoïd en de pia heten de leptomeninges (dunne vliezen). De vliezen bestaan uit fibroblasten en collageen.

De dura mater is de buitenste laag, en bestaat uit een periosteale laag en een vlies. De periosteale laag zit aan de binnenkant van de schedel vast. Alleen in pathologische omstandigheden komt hier vocht tussen. Septa uit de dura maken gescheiden compartimenten in de craniale holte. Een van die septa, het falx cerebri, scheidt de twee hemisferen van het cerebrum. Een ander, het tentorium cerebelli, ligt tussen de occipitaal kwab en het cerebellum. Hete falx cerebellum scheidt de cerebellare hemisferen. Het anteriore deel van de dura krijgen van de arteria meningealis anterior bloed, het posteriore deel van de vertebrale en occipitale arteriën. Bij hoofdbeschadiging kan een vat beschadigen en een hematoom ontstaan.
Het arachnoïd ligt tussen de dura en pia mater. Deze structuur zit los om het brein heen en projecteert er niet in. Tussen de pia en het arachnoïd en het pia zit de subarachnoïde ruimte, gevuld met liquor. Draadjes bindweefsel, de arachnoïde trebeculae, verbinden het arachnoïd met de pia en zorgen dat het brein met de vliezen omgeven blijft. Het arachnoïd is op sommige plaatsen vergroot, de grootste van deze cisten zit tussen het cerebellum en de medulla en het de citerna magna. Via arachnoïde villi stroomt de liquor naar de venen in de dura, dit gebeurt door drukverschil maar gaat nooit de andere richting uit. 
De pia mater is het binnenste hersenvlies en projecteert in de fissura's en sulci. Dit vlies bestaat uit dunne bloedvat-plexussen. Als een bloedvat het hersenweefsel doorgaat, gaat er ook een deel pia en arachnoïd mee, waardoor een perivasculaire ruimte ontstaat. Waarschijnlijk is dit zodat liquor het brein in kan.
Caudaal van L1 of rostraal van L2 stopt het ruggenmerg en bevindt zich de conus medullaris. Hieruit komt een dun laagje ependymcellen en astrocyten van de pia. Dit laagje heet de filum terminale internum. Dit loopt door tot S2, waar het in het filum terminale externum overgaat, wat van duraal materiaal is. Om het ruggenmerg zitten ook drie membranen: spinal dura, arachnoïd en pia mater. De dura zit niet aan de wervels verbonden zoals in de hersenen, dit wordt gebruikt voor puncties.

De spinale dura heeft geen periosteale laag. Bij het foramen magnum komen dura mater en spinale dura samen. De spinale dura eindigt bij S2. De spinale arachnoïd is via trabeculae aan de dura verbonden. Het omringt de cauda equina: het deel onder L2 waar alleen zenuwwortels zich bevinden. De spinale pia mater is dikker dan de craniale. Via de dentate ligamenten zit het vast aan het arachnoïd.

Van L2 tot S2 loopt de lumbale ciste. Hier is veel arachnoïd met daarin de filum terminale internum en cauda equina. Omdat hier weinig neurale structuren liggen, worden hier (tussen L3 en L4 bij volwassenen, L4-L5 bij kinderen) de liqurpuncties gedaan.
Hersenventrikels
Er zijn vier holtes in het brein: twee laterale ventrikels, het derde en het vierde ventrikel. De laterale ventrikels lopen mee met de hemisferen en hebben een voorhoorn in de frontale kwab, een corpus in de parientaal kwab, een achterhoorn in de occipitaal kwab en een een inferiore hoorn in de temporaal kwab. De laterale ventrikels staan via het foramen van Monro met het derde ventrikel in verbinding. Het derde ventrikel is het mediane oppervlak van de thalamus en hypothalamus. Het bevindt zich in het midden van het diencephalon. Via een kort kanaal, het cerebrale aquaduct, staat het derde ventrikel in verbinding met het vierde ventrikel. Dit ligt posterior van de pons en ventraal van het cerebellum, waar het met zijn dak in projecteert. Via de foramens van Luschka lateraal en van Magendie mediaal staat het vierde ventrikel in verbinding met de subarachnoïde ruimte. Caudaal van het vierde ventrikel begint het centrale kanaal dat naar het ruggenmerg loopt.

De choroïde plexus maakt liquor en zit in de ventrikels. In de laterale ventrikels zit het mediaal van de interiore hoorn tot de interventriculaire foramens. In het derde en vierde ventrikel zit de plexus in het dak. De plexus heeft endotheel, pial membraan en choroidaal epitheel. Tussen de aparte cellen zitten tight junctions. 30% van de liquor wordt door het hersenparenchym gemaakt.

Liquor
Om liquor te maken moet er bloed door de endotheelcellen van de choroïde plexus stromen. Grote moleculen kunnen hier niet doorheen en voor ionen is actief transport nodig. Liquor beweegt pulsatiel. Vanuit de laterale ventrikels komt het in het derde ventrikel bij meer liquor. Via het aquaduct komt het in het vierde ventrikel, waar nog meer wordt gesecreteerd. Het komt in de cisterna magna en zo via arachnoïde villi in de durale venen. Via de cisterna magna gaat het ook naar het ruggenmerg.

Liquor heeft vier functies: het brein en ruggenmerg drijven op liquor, liquor beschermt het brein, aan liquor worden afvalstoffen afgegeven, liquor zorgt voor een stabiel ionische omgeving. Het grootste verschil tussen liquor en bloed is dat liquor veel minder eiwit bevat. Ook verschillen de ionconcentraties. Liquor is kleurloos maar kan door ziektes verkleuren.

Dat grote moleculen niet in de ruimtes van het CNS kunnen heet de bloed-hersenbarrière. Deze wordt gevormd door endotheelcellen, astrocyten en capilair basaalmembranen. Hierdoor komen vreemde dingen in het bloed niet in de hersenen terecht. Bij medicatie is deze barrière een probleem. Tussen liquor en bloed zit de bloed-CSF-barrière. Door de tight junctions in de epitheelcellen van de choroïde plexus kunnen er ook geen grote moleculen in het liquor (CSF) komen. Een aantal structuren van het CNS, zoals de neurohypofyse, hebben geen barrière.

Ziektes
Een infectie van de hersenvliezen heet meningitis en kan levensbedreigend zijn. Symptomen zijn hoofdpijn, koorts, braken en overgevoeligheid voor licht. De liquor-druk neemt ook toe. Bacteriële oorzaken worden met antibiotica opgelost, voor virale ontstekingen is geen medicatie. Tumoren in de hersenvliezen heten meningiomas en groeien langzaam. Ze worden behandeld met een operatie of radiotherapie. Door hoofdletsel kan een arterie kapot gaan en er bloed tussen de dura en schedel komen: een epitduaal hematoom. Dit kan ook tussen de dura en arachnoïd, dit is een subduraal hematoom. Door het scheuren van een arterie kan er ook een subarachnoïd hematoom (tussen arachnoïd en pia) ontstaan, de symptomen daarvan zijn erger dan de andere hematomen, er kan zelfs bewustzijnsverlies optreden.

Dilatie van de ventrikels, hydrocephalus, komt door verstoringen in de liquorcirculatie. Door de toegenomen druk kunnen hersenstructuren worden verdrukt en motorfuncties uitvallen. Het totale volume van de craniale holte kan door verschillende oorzaken toenemen: het breinvolume is in geheel toegenomen, een deel van de hersenen is toegenomen door ene hemorrage of tumor of de hoeveelheid liquor of bloed is toegenomen.

Vascularisatie van het CNS

Arteriën van het brein
Het CNS is een metabool erg actief, er moet dus veel bloed naar het brein. Bij een kleine verstoring van de bloedtoevoer kan er al serieuze schade optreden. Als breinschade dreigt, verlies je snel het bewustzijn. De bloedtoevoer van het brein gaat via de interne carotis en de vertebrale arterie.

De interne carotis ontspringt aan beide kanten uit de carotis communis ter hoogte van het thyroid. Ventraal van de nervus opticus komt het de dura binnen. De arteria ophthalmicus gaat door het optische foramen  en geeft de renina en craniale dura bloed. De posteriore communicatie arterie ontspringt bij het optische chiasma en geeft bloed aan onder andere de hypofyse. Hier ontspringt ook de anteriore choroïde arterie, die de choroïde plexus bloed geeft. Lateral van het optische chiasme verdeelt de catoris interna zich in een anteriore en mediale cerebrale arterie.
De anteriore cerebrale arterie geeft bloed aan de mediale delen van de cerebrale hemisferen, waaronder delen van de frontalis en de parientalis. Ook de precentrale en postcentrale gyrus krijgen bloed van deze arterie. Hierdoor zijn aandoenin gen van deze arterie ook somatotoop. De anteriore communicatie arterie verbindt de twee anteriore cerebrale arteriën.

De mediale cerebrale arterie vasculariseert het laterale deel van het cerebrum waaronder delen van de temporale, frontale, parientale en occipitale kwab. Uit deze arterie ontspringen de lenticulostriate takken (caudate nucleus), orbitofrontale arteriën, (pre)centrale takken, pariëntale takken, angulaire arterie en de temporale arterie.

De twee vertebrale arteriën komen van de subclavilaire arteriën. Deze gaat door het transverse foramen in C6 en gaat via de wervels omhoog. Via het foramen magnum komt het in het cranium. Uit de vertebrale arteriën ontspringen de anteriore en posteriore spinale arterie en de posteriore inferiore cerebellare arterie. De vertebrale arteriën komen samen in de basilaire arterie, die pons, medulla, cerebellum en mesencephalon voorziet van bloed. Ook het labyrint in het oor krijgt hiervan bloed.

De cirkel van Willis is een cerebrale arteriële cirkel om het optische chiasme en het infundibulum. Dit is een anastomose van de interne carotis en de basilaire arterie. De cerebrale arteriën worden door de arteriore communicatie arterie verbonden, de caroti door de posteriore communicatie arterie, zodat een cirkel ontstaat. De cirkel is vaak niet duidelijk aanwezig, omdat de bloedstroom niet altijd even eerlijk verdeeld is.

De dura krijgt vooral bloed van de middelste meningeale arterie, afkomstig uit de interne carotis.
Venen van het brein
Het veneuze afvoer gaat via durale sinussen. Deze komen uit in de rechter en linker jugularis interna. De belangrijkste sinussen zijn de superiore en inferiore sagittale (boven en onder het falx), sinus confluens (verzamelplaats van de sagittale sinussen) de transversale (verbindt de confluens en de sinus confluens), de caverneuze (aan beide kanten van het os sphenoïd) en de sphenoparientale (onder het os sphenoïd, komt uit in de caverneuze sinus).

De cerebrale venen zijn verdeeld in de superficiale cerebrale venen en de diepe cerebrale venen. De superficiale zijn de mediale cerebrale vene, anastomotische vene van Trolard en anastomotisch vene van Labbé. De diepe zijn de grote cerebrale vene van Galen, de basale vene van Rosenthaal en de interne cerebrale vene. De vene van Galen wordt gevormd door de twee interne cerebrale venen die bij het corpus callosum samenkomen.

Vascularisatie van het ruggenmerg
De arteriën van het ruggen merg zijn de posteriore spinale arterie (mediaal en dorsaal), anteriore spinaal arterie (ventraal) en de spinale medullare en radiculaire arteriën, die het thoradisch, lumbale en sacrale deel van bloed voorzien.

De afvoer van het ruggenmerg gaat ventraal via de anteromediane spinale vene in de middenlijn en twee anterolaterale spinale venen naast de ventrale wortels. Dorsaal zit de posterolaterale spinale vene in de middenlijn en twee posterolaterale spinale benen naast de dorsale wortels. De anteriore venen worden door de anteriore spinale medullare en radiculaire arteriën gedraineerd, de posteriore venen door de posteriore medullare en radiculaire arteriën.

Het neuron

Onderdelen van het neuron
Signalen van de ene naar de andere zenuwcel gaan via speciale contactzones tussen de neuronen: de synapsen. Het communicatiemechanisme heet synaptische transmissie en is meestal chemisch. Het pre-synaptische neuron geeft neurotransmitters af in de synaps, deze exciteren of inhiberen het post-synaptische neuron. Het brein bestaat uit 10¹¹ neuronen. Elke heeft een lichaam (soma) waar allerlei processen, neuriten, aan vast zitten. De ontvangende neuriten heten dendrieten. De neuriten die informatie van het soma naar een targetcel brengen heten axonen.

De externe grens van het neuron is het plasma membraan. Het soma bestaat uit een massa cytoplasma met daaromheen een membraan. De hoeveelheid cytoplasma in de neuriten is veel groter dan die in het soma. In het soma zit de nucleus en verschillende organellen. Ook vinden hier de metabole en trofische ('met betrekking tot de voeding van weefsels') processen plaats. In de neurologie heeft het woord nucleus twee betekenissen: 'celkern' en 'groep neuronen in het CNS met dezelfde karakteristieken'. De nucleus als celkern is vergelijkbaar met andere nucleï in het lichaam: het bestaat uit hetero- en euchromatine met daaromheen een nucleair membraan. In het cytoplasma  zijn verschillende organellen en onderdelen te vinden:

• Nissl substantie, hier bestaat het proximale deel van de dendriet en het gehele cellichaam uit. De axon en het deel waar de axon uit ontspringt (de axon hillock) bevatten geen Nissl substantie. Nissl substantie bestaat uit ribosomen en vormt naast veel losse ribosomen een groot endoplasmatisch reticulum.
• Mitochondria, deze zitten zowel in het cellichaam als in de axonen en dendrieten en zorgen voor de energie van het neuron.
• Golgi apparaten, waar de eiwitten van het endoplasmatisch reticulum worden bewerkt.
• Lusosomen die het neuron schoon houden.
• Het cytoskelet, dit bepaalt de vorm van het neuron. Het bestaat uit microtubuli die de zich met de celontwikkeling en in stand houding bemoeien, neurofilamenten en microfilamenten, die belangrijk zijn bij de groei en de formatie van pre- en postsynaptische specialisaties.

Dendrieten zijn korte uitlopers van het neuron. Vaak heeft een dendriet veel vertakkingen. De belangrijkste taak van een dendriet is het signaal van een axon van een ander neuron doorgeven aan het soma. Sommige dendrieten hebben graten aan het uiteinde, waarmee het synaptische oppervlak wordt vergroot.

Axonen zijn vaak simpel en erg lang. Het plasmamembraan van een axon heet het axolemma, het cytoplasma het axoplasma. Dit bestaat niet uit Nissl substantie of golgi apparaten, maar kent wel veel mitochondria, microtubules en neurofilamenten. Om een signaal door te geven van het ene neuron aan het andere, loopt er actiepotentiaal over de axon naar de synaps.  Het axon kan we of niet gemyelineerd zijn, als het gemyelineerd is gaat het transport van actiepotentiaal veel sneller. Axonen vertakken niet, maar soms ontspringen er wel meerdere uit de soma die later samenkomen. Dit noemen we recurrent collaterals. Het einde van een axon heet het synaptische einde of synaptische bouton.

Axonaal transport
Er zijn meerdere manieren van axonaal transport:

• Snel anterograad transport is het transport van functionele materialen van het neuron (voorlopers van neurotransmitters, enzymen en glycoproteïnes) van de soma naar de uiteindes van de axonen. Dit transport gaat via de vesicles die in het golgi apparaat van de soma worden afgesnoerd. Deze reizen via de microtubuli naar de synaptische eindes. In de uiteindes worden de voorlopers van neurotransmitters afgebroken en als neurotransmitter via exocytose in de synaps gesecreteerd. Voor dit transport is het enzym kinesine nodig.
• Langzaam anterograad transport werkt op dezelfde manier als de snelle variant, maar er zijn bij deze vorm van transport grotere moleculen betrokken.
• Snel retrograad transport is langzamer dan snel anterograad transport. Hierbij worden van de synaptische uiteindes stoffen naar de soma vervoerd. Het membraan waarin de voorlopers van de neurotransmitters in zitten, wordt op deze manier teruggebracht naar de soma om daar afgebroken te worden. Ook zenuw groeifactor en stoffen die via endocytose worden opgenomen worden zo vervoerd.

Via axonaal transport worden de targets van neuronen bestudeerd. Er wordt dan een speciale kleurstof gebruikt waarmee de axon gevolgd kan worden.

Soorten neuronen

Er zijn verschillende soorten neuronen:

• Multipolaire neuronen komen vooral in het CNS voor. Zij hebben minstends drie dendrieten en één lange axon. De motorische neuronen in de voorhoorn van het ruggenmerg zijn zulke multipolaire neuonen.
• Bipolaire neuronen hebben één relatief lange dendriet en één axon. Deze neuronen hebben sensorische functie, een voorbeeld zijn dan ook de retinale cellen.
• Pseudo-unipolaire neuronen hebben één uitloper van de soma die zich in twee takken splitst. Één tak gaat naar de periferie, de ander naar het CNS. Beide takken hebben de structurele en functionele karakteristieken van een axon. De sensibele cellen in de achterhoorn van het ruggenmerg zijn zulke pseudo-unipolaire cellen.
• Unipolaire neuronen hebben hun axon en dendriet aan dezelfde uitloper liggen. Deze neuronen zijn zeldzaam.

Neuronen zijn ook in te delen in principale neuronen en intrinsieke neuronen. Principale neuronen hebben lange axonen en lange vezelpaden, intrinsieke neuronen zijn erg kort. Ze worden ook wel de interneuronen genoemd en hebben vaak een inhiberende functie.

Andere cellen van het zenuwstelsel

Naast neuronen zijn er ook andere cellen van het zenuwstelsel. Deze cellen noemen we gliacellen, ze zorgen voor een goede omgeving van de zenuwen.

• Astrocyten zijn de grootste gliacellen, ze zijn stervormig. Astrocyten supporten de neuronen, voorkomen een uitbraak van neurotransmitter en voorkomen dat elektrische activiteit van het ene neuron het naburige neuron bereikt. Ook worden sommige neurotransmitters door astrocyten inactief gemaakt, zodat ze hergebruikt kunnen worden. Er zijn verschillende soorten astrocyten: protoplasmische (hier wisselt het neuron metabole stoffen mee uit, daarnaast zorgt het voor uitwisseling tussen bloedvat en neuron), fibreuze (reparatie en litteken vorming) en Müllercellen (te vinden in de retina).
• Oligodendrocieten zijn belangrijk bij het vormen van de myelineschedes. In de witte massa zitten interfasciculaire oligodendrieten, in de grijze massa perineurale.
• Microglia zijn de kleinste gliacellen. Ze zijn vergelijkbaar met macrofagen: ze worden groot en phagocytotisch bij beschadigingen. In zulke gevallen worden ook cytokinines afgeven, waarvan sommige schadelijk zijn voor het CNS.

• Ependymale cellen zijn er in drie soorten. Ependymocyten vormen het epitheel van de ventrikels en het ruggenmerg. Ze zijn kubus of cilindrisch en hebben microvilli en cilia, waarmee ze de flow van de liquor bevorderen. Tanycyten zijn gespecialiseerde cellen in de bodem van het derde ventrikel. Ze zorgen voor transport van hormonen tussen liquor en capilairen en van de hypothalamus naar de liquor. Choroïdale epitheelcellen zitten in de plexus choroïdius en zijn betrokken bij de productie en secretie van liquor. Door hun tight junctions kan de liquor niet in het weefsel terecht komen.

Gemyeliniseerde axonen

In zowel het PNS als het CNS komen gemyeliniseerde axonen voor. In het PNS wordt het myeline om de axonen gemaakt door Schwanncellen. In de myelinelaag zitten onderbrekingen: de knopen van Ranvier.  Doordat hier de weerstand veel lager is, springt het actiepotentiaal van knoop naar knoop en hoeft het slechts de gezamenlijke afstand van knopen af te leggen. Deze transportvorm heet saltatoire conductie. De myeline wordt gevormd doordat de Schwanncel rond het axon gaat draaien en zo een spiraal om het axon vormt. De binnenste lagen van deze spiraal fuseren.

In het CNS wordt de myeline gemaakt door de oligodendrieten. Uit één oligodendrieten ontstaan meerdere gliale uitlopers die om een deel van het axon wikkelen. De tussenstukjes heten ook in het CNS de knopen van Ranvier. Oligodendrieten spiraliseren niet om het axon, maar wikkelen er in de lengte omheen. Één oligodendriet kan wel 60 axonen myeliniseren.

Bindweefsel van neuronen

De perifere zenuwen zijn de craniale en spinale zenuwen en preganglionaire en postganglionaire zenuwen van het autonome zenuwstelsel. Elke perifere neuron bestaat uit drie onderdelen:

• Epineurium, een laag straf bindweefsel om de vezelbundels.
• Perineurium, een laag bindweefsel om elke vezelbundel.
• Endoneurium, losmazig bindweefsel waar een zenuwvezel in zit.

Zenuwen in het CNS hebben geen epineurium en perineurium.

Ziektes aan het zenuwstelsel

Een aantal ziektes aan het zenuwstelsel zijn:

• Multiple sclerose.
• Guillain-Barré syndroom, waarbij de axonen de-myeliniseren.
• Beschadiging van de neuronen door ziekte, ischemie of trauma. Zo kan necrose of apoptose optreden.
• Beschadiging van de axonen.

Als de beschadiging in het volwassen CNS niet erg is, ontspringen er nieuwe axonen. Astrocyten zorgen ervoor dat dit er niet teveel worden en dat ze in goede banen groeien. In het PNS groeit een axon aan als het endoneuriale bindweefsel in tact is.

Elektrophysiologie van neuronen

Structuur en permeabiliteit van een membraan

Het membraan van een neuron bestaat net als ieder ander membraan uit een dubbele laag fosfolipiden. Deze worden onderbroken door eiwitten en ionkanalen die het tansport van stoffen mogelijk maken. Fosfolipides zijn (amphiphilic) wat betekent dat ze een hydrofiele kop hebben en een hydrofobe staart. De hydrofobe staarten wijzen in het membraan naar elkaar. Deze dubbele laag zorgt voor een scheiding tussen het cytosol van het neuron en de extracellulairevloeistof. Het neuronale membraan is impermeabel voor; de meeste polaire moleculen en geladen moleculen. Dit komt doordat kationen en anionen makkelijk aan water binden en deze binding moeilijk door het hydrofobe deel van het membraan gaat.

Structuur van eiwitten

Eiwtten bestaan uit verschillende aminozuren. Aminozuren worden aan elkaar gebonden door ribosomen waarbij de aminogroep aan de carboxylgroep wordt gehecht, dit vormt een peptidebinding. De synthese van eiwitten gebeurt in het cellichaam van de neuron.

Een eiwit kent verschillende structuren:

• primaire structuur:  de opeenvolging van verschillende aminozuren
• secundaire structuur: Een vouwing met beta-sheets en alfa-helices
• tertaire structuur: De 3D vouwing van een eiwit
• Quatrenaire structuur: meerdere eiwitten aan elkaar gebonden tot een groter eiwit. 

 Hydrofobe aminozuren komen door deze structuren zoveel mogelijk naar binnen te liggen terwijl hydrofiele aminozuren juist naar buiten wijzen.

Transport

Het constant houden van het intracellulaire milieu wordt gehandhaafd door membraan –transporteiwitten. Er zijn twee belangrijke soorten namelijk kanalen en pompen.

Wanneer een specifiek ligand aan een transporteiwit bindt verandert de vorm van het eiwit. Door deze vormverandering verplaats het ligand naar de andere kant van het membraan.

Kanalen hebben een hydrofiele binnenkant waardoor ionen als Na+ en K+ door het membraan kunnen passeren wanneer de kanalen open staan.

Transport mogelijkheden

Verschillende moleculen kunnen door middel van diffusie door het membraan. Dit zijn vetoplosbare moleculen en kleine ongeladen polaire stoffen. Diffusie verloopt altijd doormiddel van een concentratiegradient. Diffusie kost geen energie.

Passief transport

Sommige kanalen en sommige transporteiwitten kunnen zonder verbruik van metabole energie stoffen door het membraan verplaatsen. Dit verloopt ook door een concentratiegradient.

Actief transport

Dit gaat door middel van specifieke transport eiwitten die gekoppeld zijn aan ATP. Deze transporters kunnen tegen een concentratiegradient dan wel elektrochemischgradient inwerken. Voorbeelden van deze transporters zijn Na/K pompen en Calcium pompen.

De Na+/K+ pomp kan dmv. actief transport de concentraties variëren. Het pompt Na+ (cel uit) en K+ (cel in) door het plasmamembraan tegen de concentratiegradiënt in, in de verhouding 3:2 voor elk ATPmolecuul dat verbruikt wordt.

Calcium pomp: pompt actief Ca2+ ionen uit de cel.

Actiepotentiaal

Ionconcentraties in het extracellulairevloeistof verschillen met de concentratie is het intracellulaire vloeistof. De volgende tabel geeft daar een overzicht van:

De verschillen in concentraties worden gehandhaafd door Na/K pompen en Ca2+ pompen. Deze concentraties zijn belangrijk bij het vormen van een actiepotentiaal danwel rustmembraanpotentiaal

Soorten ionkanalen

Ionen kunnen de cel in en uit via 2 soorten ionkanalen:
Nongated ionkanalen: zijn altijd open en ionspecifiek. Deze kanalen controleren de flow van ionen tijdens het rustmembraanpotentiaal en staan ook bekend als lekkanalen. Een van de meestbekende lekkanalen is de K+ ionkanaal.
Gated ionkanalen: dit zijn allosterische kanalen en kunnen dus van vorm veranderen. Zij kunnen zowel openen als sluiten op respons van een stimuli. In rust zijn ze meestal in gesloten toestand. Van de gated ionkanalen bestaan ook verschillende subtypes, zo heb je de voltage-gated ionkanalen, ligand-gated ionkanalen.

Voltage-gated ionkanalen: openen en sluiten als respons op spanningsveranderingen over het membraan. Voltage-gated ionkanalen kan je in 3 toestanden terugvinden zo kunnen ze in de rusttoestand zitten, in een actieve toestand of in de refractoire toestand. De drie bekendste voltage-gated ionkanalen zijn:

Voltage-gated Na+ kanaal: bestaat uit een lange polypeptide met 4 domeinen. Elk domein bestaat uit 6 hydrofobe alfa helices. Deze 4 domeinen zorgen voor een porie waar natrium doorheen kan vloeien. Een extra hyrofobe lus tussen S5 en S6  in ieder domein zorgt voor een beter permeabiliteit voor natrium.

De voltage-gated Ca2+ kanalen lijken erg veel op de voltage-gated Na+ kanalen. Deze kanalen zijn vooral veel terug te vinden in presynaptische uiteindes van een axon en zorgen voor het vrijlaten van neurotransmittors.

De voltage-gated K+ kanaal: Hier bestaan verschillende vormen van, de meest voorkomende bestaat uit  4 polypeptide ketens die ieder uit 6 alfa helices bestaat.

Ligand-gated kanalen: openen en sluiten als respons op binding van een ligand aan de receptor, deze liganden kunnen bestaan uit hormenen en second messengers.

Equilibrium

Het equilibriumpotentiaal van een ion is het punt waarop een ion niet meer beweegt over een membraan. Dit punt wordt bereikt zodra de elektrische krachten die op een ion werken gelijk zijn aan de krachten die door concentratieverschillen worden opgewekt. M.a.w. concentratiegradient = elektrischegradient maar tegenovergesteld gericht. Het equilibriumpotentiaal van een ion kan berekend worden met behulp van de wet van Nernst.

Rustmembraan potentiaal

In een ongestimuleerde cel is de binnenkant van een cel negatief ten opzichte van buiten de cel. Veel vaste negatieve ionen (in eiwitten en aminozuren) maken de binnenkant van de cel veel negatiever dan de buitenkant. Het rustmembraanpotentiaal komt tot stand door de permeabiliteit van het plasmamembraan. Ion-pompen (tegen concentratiegradient in) en ion-kanalen (met concentratiegradient mee) zorgen er samen voor dat er een rustmembraanpotentiaal ontstaat ondanks het feit dat deze twee mechanismen een tegengestelde werking hebben. Stel het membraan van een neuron is alleen selectief voor K+ ionen dan kunnen deze vrij de cel in en uit diffunderen (via non-gated ionkanalen). Doordat de concentratie K+ in de cel hoger is, zullen de ionen de cel uit diffunderen. Hierdoor wordt het intercellulaire deel van de cel negatiever geladen. Maar hierdoor worden de positieve K+ ionen ook weer aangetrokken. Het rustmembraanpotentiaal is dus een evenwicht tussen K+ ionen die de cel uitgaan en K+ ionen die de cel in diffunderen. Met andere woorden; de hoge concentratie K+ in het neuron wil de ionen naar buiten duwen (concentratiegradient) terwijl de elektrostatische druk de K+ ionen weer naar binnen wil trekken. Wanner de concentratiegradient en het elektrostatieschegradient gelijk zijn ontstaat er een equilibuirm potentiaal. Het equilibrium potentiaal voor K+ ionen ligt bij ongeveer -80mV.

Aangezien een membraan niet alleen uit K+ kanalen bestaat is het rustmembraan potentiaal niet gelijk aan het equilibruim potentiaal van kalium maar ligt deze op ongeveer -65 mV. Dit komt doordat Na+ ionen ook een eigen equilibriumpotentiaal hebben door eenzelfde tegengestelde elektrostatischgradient en concentratiegradient. Het rustmembraanpotentiaal zit echter wel dichterbij het kalium potentiaal dan bij het natriumpotentiaal omdat er in het membraan meer kalium kanalen te vinden zijn dan dat er natrium kanalen zijn. 

Actiepotentiaal

In rust wordt de influx van natrium gebalansseerd door de efflux van kalium. Hierdoor blijft het membraanpotentiaal op een constante. Zodra het neuron een exitatoire input ontvangt gaat het membraan depolariseren. Hierbij gaan een aantal voltage-gated Na+ kanalen open waardoor er Na+ de cel in stroomt. Wanneer er genoeg Na+ kanalen open staan wordt er een drempelwaarde bereikt en zal de cel een actiepotentiaal afschieten. Een actiepotentiaal kent een alles-of-niets fenomeen. De repolarisatie is het ‘herstel’van de cel en dit gebeurt door het openzetten van K+ kanalen. De K+ ionen zullen naar buiten stromen en de cel weer naar het normale membraanpotentiaal leiden.

Een natrium pompt heeft 2 soorten poorten. Een actieve poort en een niet-actieve poort. Afhankelijk van welke poort er open of dicht staat kan een kanaal in 3 toestanden voorkomen. In de rustende stand (actieve poort dicht, inactieve poort open), Actieve toestand (allebei de poorten open), Inactieve stand (inactievepoort dicht, actieve nogsteeds open).

De refractaire periode is de periode waarin een cel niet opnieuw prikkelbaar is omdat het rustmembraanpotentiaal nog niet gehaald is.

Snelheid van actiepotentialen

De snelheid waarmee een actiepotentiaal door een axon gaat hangt van een aantal dingen af. Zo zorgt een myelineschede voor isolatie van het axon. Via knopen van Ranvier kan een actiepotentiaal een veel hogere snelheid halen aangezien het van knoop naar knoop kan ‘springen’. Bovendien bepaalt de dikte van het axon de snelheid. Hoe groter de diameter van het axon is, des te sneller geleidt het de impuls.

Synaps

De manier waarop neuronen met elkaar communiceren heet synaptische transmissie. De synaps is een specifiek gebied waar 2 neuronale cellen met elkaar in contact staan.

Neuronen kunnen op twee manieren met elkaar communiceren, via een elektrische transmissie of met een chemische transmissie.

Elektrische transmissies:

De plaats waar twee neuronen tegenoverelkaar staan bij een elektrischesynaps heet de gap junction. Deze ruimte is ongeveer 3-3,5 nm groot en is dus veel kleiner dan de meeste ruimtes tussen neuronen. In het presynaptische membraan van het ene neuron zit een hemikanaal, deze bindt met een hemikanaal van het postsynaptische membraan van het volgende neuron. Hierdoor ontstaan er kanalen in de gapjunction die zeer snel stoffen kunnen transporteren. Elk hemikanaal wordt ook wel een connexon genoemd (staafvormige eiwitten die de opening overbruggen). Elk connexon bestaat  uit 6 afzonderlijke eiwitten die ieder een connexin worden genoemd. Deze staan als een hexagon gerangschikt en door het draaien van deze conexins kan een kanaal in de gapjuction open of dicht staan. Gap junctions komen in het zenuwstelsel van mensen vrij weinig voor. (figuur 7-1 in SISA geeft hier een mooi overzicht van)

Chemische transmissie

De belangrijkste onderdelen van een chemische synaps zijn de presynaptische terminal (einde van de axon), de synaptische spleet (de ruimte die de axon scheidt van de volgende cel) en het postsynaptisch membraan. Bij chemische transmissie bestaat er geen fysieke verbinding tussen het presynaptische en postsynaptische membraan van twee verschillende neuronen. De synaptische spleet is enkel gevuld met vocht en is ongeveer 20-25nm groot. Deze twee membranen communiceren via neurotransmittors die in de presynaptische membraan gevormd worden in vesicles. In het presynaptische membraan ontstaan piramide-achtige structuren die in contact staan met de synaptische spleet. Deze piramide-achtige structuren worden actieve zones genoemd en zij zorgen voor de exocytose van de neurotransmittor in de synaptischespleet. De vrijgekomen neurotransmittor kan vervolgens binden aan een receptor die aan het postsynaptische membraan zit. Bij binding kunnen verschillende kanalen in het postsynaptische membraan open of dicht gaan waardoor er een impuls doorgegeven wordt in het neuron. 

Neuromusculaire communicatie

Cellichamen van motorneuronen liggen in de voorhoorn van het ruggenmerg. Bij een neuromusculair complex wordt een spiervezel geinnerveerd door de axon van een motorneuron. Als de axon in de buurt van een spiervezel komt verliest het zijn myelinisatie en vertakt het zich in verschillende kleinere vezels. Iedere vezel krijgt een verdikking aan het eind wat een synaptische bouton wordt genoemd. Deze boutons liggen verspreid over de spiervezel en samen worden ze een motorische eindplaat genoemd. Deze boutons bevatten de neurotransmittor acetylcholine. Een geactiveerde motorneuron laat een actiepotentiaal los die het membraan van het bouton depolariseert. Vervolgens gaan calcium kanalen open waardoor er een toegenome instroom van calcium is. Calcium stimuleert de exocytose van acetylcholine in de synaptischespleet. Acetylcholine bindt vevolgens aan een nicotinecholinerge receptor en zorgt voor een actiepotentiaal, de spier trekt vervolgens samen. Gebonden acetylcholine wordt vervolgens geinactiveerd door het enzym acetylcholinesterase.

Synaps in centrale zenuwstelsel

Het vormen van een actiepotentiaal in het CNS is lastiger dan bij cellen van het perifere zenuwstelsel. Dit komt omdat een postsynaptisch neuron in het CNS een groot aantal synapsen met andere neuronen maakt. Wanneer een neuron gestimuleerd wordt ontstaan er gewogen potentialen die maar een kleine verandering aanbrengen in het membraanpotentiaal van het neuron. Deze potentialen heten gewogen omdat zij rechtevenredig zijn met de inteinsiteit van de stimulus. Bij een grote prikkeling is er een hogere potentiaal dan bij een lagere prikkeling. De gewogen potentialen moeten een bepaalde drempelwaarde bereiken voordat ze een werkelijk actiepotentiaal kunnen afgeven aan het axon.

Klinische consequenties:

Myssthenia Gravis betekent ernstige spier zwakte, het is een ziekte waarbij er antilichamen worden gemaakt tegen de nicotinecholinerge receptoren op het postsynaptischemembraan van de spier. Hierdoor verdwijnen er veel van die receptoren waardoor een spier niet meer goed contraheert na een stimulatie van acethylcholine.

Charcot-marie-tand ziekte: Bij deze ziekte kan connexin geen goede gap junction kanalen vormen in de synaptische pleet. Dit zorgt voor een abnormale flow van metabolieten in Swann cellen waardoor er myeline verloren gaat. Demyelinisatie heeft effect op zowel motorische als sensibele zenuwen. Typische symptomen zijn zwakkere voetspieren waardoor een een dropfoot kan ontstaan.