Samenvatting verplichte stof deeltoets 1

Deze samenvatting is gebaseerd op het studiejaar 2013-2014.

1. Bestuderen van het zenuwstelsel

Overzicht

In de neurowetenschap streeft men naar begrip van de organisatie van het zenuwstelsel, de ontwikkeling en hoe functie gerelateerd is aan gedrag. Tot nu toe omvat dit voornamelijk de studie van neuronen en glia (de hoofdcellen van het zenuwstelsel) en hun functie. Verschillende subgroepen van neuronen vormen samen neurale circuits, die samen in een neuraal systeem een specifiek type informatie kunnen verwerken. Neurale systemen zijn sensorisch, motorisch of associatief. Associatieve neurale systemen zijn belangrijk voor hogere hersenfuncties zoals perceptie en emotie en vormen de verbinding tussen motorische en sensorische systemen. Deze systemen vormen de basis voor het begrijpen van de mens.

Genetica, genomics en de hersenen

Genetica bepaalt vanaf embryogenese de ontwikkeling, structuur en functie van het zenuwstelsel. Dit gebeurt door middel van expressie van genen, die zowel coderende sequenties (exons) als regulatoire sequenties (promotors en introns) bevatten. Genomics, waarmee complete DNA sequenties geanalyseerd kunnen worden, levert inzicht in hoe DNA bepalend is voor de ontwikkeling van de hersenen. Huidige schattingen stellen dat van 20.000 genen van het humaan genoom, er 14.000 tot expressie worden gebracht in de hersenen. 8000 daarvan worden ook tot expressie gebracht in andere cellen en weefsels, waaruit blijkt dat de regulatoire DNA sequenties van groot belang zijn. Genen kunnen namelijk variëren in hoeveelheid en locatie van expressie in verschillende cellen en regio’s.

Met behulp van genetica en genomics kan de pathologie van neurologische en psychiatrische aandoeningen nader bestudeerd worden. Zo zijn er genmutaties gevonden die de ontwikkeling van de hersenen verstoren of ernstige ziektes teweeg brengen. Om echter beter begrip te krijgen van de werking van de hersenen en het zenuwstelsel bij gezondheid en ziekte is kennis van celbiologie, anatomie en fysiologie van alle componenten nodig.

De cellulaire componenten van het zenuwstelsel

Zenuwcellen waren tot ver in de 20^e eeuw door hun complexe, op elkaar gepakte vorm slecht te onderscheiden met de toen beschikbare (licht)microscopie en staining technieken. Camillo Golgi dacht dat zenuwcellen een continu netwerk met elkaar vormen. Kort hierna werd deze theorie vervangen door het zogeheten ‘neuron doctrine’ van Santiago Ramon y Cajal. Hij dacht dat zenuwcellen op zichzelf staande entiteiten zijn maar onderling specifieke contactgebieden hebben. Vervolgens specificeerde Sherrington deze contactgebieden als synapsen. Elektronmicroscopie bevestigde later deze theorieën, maar ook bleken er gespecialiseerde cytoplasmatische continuïteiten te zijn tussen sommige neuronen. Deze gap junctions zijn van belang voor overdracht van elektrische en chemische signalen tussen cellen. Uiteindelijk ontstond er consensus over de indeling van cellen in twee categorieën:

·         zenuwcellen ofwel neuronen, ondersteunende gliacellen.

Neuronen zijn gespecialiseerd in het overdragen van elektrische signalen over lange afstanden. Gliacellen hebben naast ondersteuning ook een regulerende functie bij de reparatie van beschadigd zenuwweefsel en gedragen zich hier soms ook als stamcel.

Glia en neuronen bevatten alle gebruikelijke organellen, doch geconcentreerd op specifieke plekken. Zo komen mitochondria veel voor bij de synapsen en het ER meer in het cellichaam. Kenmerkend voor neuronen en glia en van uiterst belang voor het functioneren van neuronale uitlopers en synaptische junctions is de specifieke organisatie van het cytoskelet. Processen die dit cytoskelet moet bewerkstelligen zijn onder andere migratie, axongroei en endo- en exocytose.

Neuronen

In neuronen hangt de morfologie samen met hun specialisering voor intercellulaire communicatie en elektrische signalering. Voor communicatie beschikt het neuron over een axon en dendrieten. Dendrieten ontvangen synaptische input van de axonen van andere neuronen en bevatten veel ribosomen en specifieke cytoskelet eiwitten. De hoeveelheid dendrieten van één cellichaam hangt samen met de hoeveelheid input die het neuron ontvangt (1-100.000), ofwel de convergentie. De hoeveelheid targets die geïnnerveerd worden door een neuron vertegenwoordigt de divergentie. Dit is van belang bij de integratie van informatie van andere neuronen uit een neuraal circuit.

Tussen neuronen vindt communicatie meestal plaats via secretie van moleculen door het presynaptische neuron aan de terminal. De moleculen steken de synapsspleet over en binden aan receptoren op in de postsynaptische cel. De synapsspleet bevat extracellulaire eiwitten die diffusie, binding en afbraak van de gesecreteerde moleculen beïnvloeden. Informatie ontvangen door de dendrieten wordt geïntegreerd en doorgegeven aan het axon: een lange uitloper die elektrische signalen kan doorgeven. ‘Local circuit neurons’ ofwel interneuronen hebben relatief korte axonen, waar het axon van projectie neuronen tot een meter lang kan worden.

Signaaloverdracht

Een zelf-genererende golf van elektrische activiteit genaamd een actiepotentiaal propageert vanaf het axon hillock ofwel de axonheuvel naar de synaps. Via synaptische transmissie wordt deze gecodeerde informatie overgedragen aan de target cel. Presynaptische terminals met postsynaptische specialisaties hebben voornamelijk chemische synapsen. Er bestaan ook elektrische synapsen, gefaciliteerd door gap junctions, maar deze zijn schaars. De secretoire organellen in chemische synapsen zijn synaptische blaasjes, gevuld met neurotransmitters. Release hiervan wordt bewerkstelligd door eiwitten in of geassocieerd met het vesicle, zoals cytoskelet componenten. De neurotransmitters brengen elektrische aanpassingen teweeg in de target cel. Op deze manier communiceren neuronen met elkaar en met effector cellen.

Gliacellen

De glia:neuron ratio bedraagt 3:1.Het cellichaam beschikt over uitlopers, maar deze zijn minder prominent en hebben niet dezelfde functie als bij neuronen. Ook fungeren ze als stamcellen in volwassen hersenen doordat ze tot zowel nieuwe glia als neuronen kunnen differentiëren. Verdere functies zijn:

-         Het onderhouden van het ionische milieu van zenuwcellen

-         Beïnvloeden van opname en metabolisme van neurotransmitters bij de synapsspleet

-         Beïnvloeden van de snelheid van signaalpropagatie

-         Ondersteuning vormen voor enkele neurale ontwikkelingen

-         Helpen of voorkomen bij neurale beschadigingen

In het volwassen zenuwstelsel bestaan drie types gliacellen: astrocyten, oligodendrocyten en microglia. Ook zijn er glia stamcellen.

Astrocyten onderhouden de juiste chemische omgeving voor neuronale signalering in het centraal zenuwstelsel. Mogelijk fungeren ze ook als stamcellen. Oligodendrocyten verzorgen de lipide-rijke myelineschede om sommige axonen in het centraal zenuwstelsel. Dit is belangrijk voor snelle voorgeleiding. In het perifeer zenuwstelsel wordt dit gedaan door Schwancellen. Enkele types Schwann-cellen en oligodendrocyten bezitten neurale stamcelactiviteit als reactie op beschadiging. Microglia lijken op macrofagen: ze verwijderen debris en secreteren signaalmoleculen. Dit zijn voornamelijk cytokines betrokken bij ontstekingsreacties en overleving of celdood.

Glia stamcellen

Deze cellen kunnen prolifereren en differentiëren tot glia en in sommige gevallen neuronen. Er bestaan astrocyten in de subventriculaire zone (SVZ) of bij bloedvaten van de ventriculaire zone, met alle stamcel capaciteiten. Ook zijn er polydendrocyten, oligodendrocyt precursors in de witte stof. Deze differentiëren voornamelijk tot oligodendrocyten en astrocyten en zijn dus minder potent.

Cellulaire diversiteit

Het zenuwstelsel bevat veel meer cellen en veel meer type cellen dan andere orgaansystemen. De cellulaire diversiteit levert mogelijkheden voor de complexiteit van het netwerk. Verschillende methoden zijn gebruikt om diverse celtypen te identificeren, waaronder aankleuring met zilverzouten en later met fluorescente stoffen voor het bekijken van enkele individuele cellen en Nissl-kleuring voor de distributie van cellen. Uit deze methoden blijkt dat de distributie, grootte en dichtheid van zenuwcellen niet uniform verspreid is over de hersenen. Onder andere de manier waarop de cellen contact met elkaar maken en hun moleculaire verschillen leidt tot een verdere onderverdeling van cellen.

Neurale circuits

Neurale circuits verwerken specifieke informatie voor sensatie, beweging, gedrag en perceptie. Verbindingen hiervan liggen in het neuropil ofwel zenuwvilt tussen de cellichamen: een wirwar van dendrieten, axon terminals en glia uitlopers. Circuits bestaan uit afferente neuronen, die in circuits informatie van de periferie naar centraal dragen, en efferente neuronen, die informatie weg van centraal naar de periferie dragen. Deze worden (alleen lokaal) verbonden door interneuronen. Afferente sensibele neuronen hebben hun cellichaam in dorsale wortel ganglia liggen. In het ruggenmerg kunnen deze via interneuronen schakelen met efferente neuronen; bijvoorbeeld motorneuronen die naar skeletspieren gaan. Dit is het geval bij de  myotatische reflex ofwel de kniereflex. Activatie en deactivatie van synergistische en antagonistische spieren is mogelijk door de modulerende invloed van interneuronen.

Met elektrofysiologische opnames kan de elektrische activiteit van een zenuwcel zowel extra- als intracellulair gemeten worden. Extracellulaire metingen zijn handig om de elektrische patronen in verband te bekijken met andere input of gebeurtenissen. Door vergelijking van de aanvang, duur en frequentie van potentialen in verschillende cellen maak je een functionele voorstelling van het circuit. Intracellulaire metingen worden gebruikt op kleinere schaal en zijn handig voor gedetailleerde analyse van communicatie binnen een circuit. Bij intracellulaire metingen bekijk je de receptor potentialen of synaptische potentialen.

De organisatie van het menselijk zenuwstelsel

Neurale circuits vormen samen grotere neurale systemen die ofwel sensibel (input), ofwel motorisch (output) ofwel associatief zijn. Tevens wordt het zenuwstelsel verdeeld in het centraal zenuwstelsel (CZS), en het perifeer zenuwstelsel (PZS).

Het CZS bevat de hersenen (de cerebrale hemisferen, het diencephalon, het cerebellum en de hersenstam) en het ruggenmerg. Zenuwen liggen in nuclei: locale accumulaties van neuronen met grofweg dezelfde functie, of in cortices: dunne vlakken van zenuwcellen. Axonen in bundels ofwel tracten over de middellijn van de hersenen heten commissuren. Grijze stof bestaat uit cellichamen en neuropil (nuclei/cortices), witte stof bestaat uit axon tracten en commissuren. De naam komt door de lipide-rijke inhoud van de myelineschede, die een witte kleur geeft.

Het PZS bevat een sensibele component: neuronen die receptoren aan de periferie linken aan centrale verwerkingscircuits, en een motorische component, bestaande uit het somatisch motorisch systeem en het visceraal of autonoom motorisch systeem. De motoraxonen die de verbinding vormt tussen de hersenen en de skeletspieren zijn somatisch. Cellen en axonen die gladde spieren en klieren innerveren zijn visceraal. Cellichamen van het PZS liggen geaccumuleerd met steuncellen in ganglia. Axonen liggen verzameld in zenuwen, omgeven door gliacellen. Viscerale motorneuronen in de hersenstam en het ruggenmerg heten pre-ganglionische neuronen. Zij vormen synapsen met perifere motorneuronen in de autonome ganglia. Het autonoom motorisch systeem is te verdelen in het sympathisch en het parasympathisch stelsel. In het sympathisch stelsel liggen de ganglia langs de werveldorsal en gaan de axonen naar de periferie. In het parasympathisch stelsel liggen de ganglia in of bij de geïnnerveerde organen. Tot slot is er ook nog het enterisch stelsel, wat bestaat uit kleine ganglia en neuronen die verspreid zijn over de darmwand.

Neurale systemen

·         Neurale systemen zijn te onderscheiden met behulp van karakteristieken die af te leiden zijn van:de eenheid van functie,

·         de verdeling in subsystemen het vertegenwoordigen van een bepaald type informatie.

De eenheid van functie is hierbij het belangrijkst. Componenten van één systeem kunnen hierbij wel verspreid door het lichaam liggen. Zowel sensorische als motorische systemen beslaan periferie, nuclei in het ruggenmerg, hersenstam, thalamus en cerebrale cortex. Informatie vanuit verschillende subsystemen wordt verwerkt in parallelle trajecten, die ontstaan voor segregatie van informatie en omdat vrijwel alle neurale systemen uit bekende subsystemen bestaan. Voor zicht en tast is er tussen de representatie van de informatie en de sensibele periferie een topografisch verband. Voor andere neurale systemen als reuk bestaan er computationele gebieden; hier wordt informatie vergeleken en geïntegreerd, zodat essentiële informatie eruit gehaald en verwerkt kan worden. Voor niet-primaire systemen is alleen de eenheid in functie goed bekend.

Structurele analyse van neurale systemen

Via laesie-studies, waarbij doelbewust een beschadiging in specifieke hersenregio’s worden aangebracht in proefdieren, kan functieverlies bestudeerd worden. Hiermee begrijpen we de anatomie van neurale systemen beter. Huidige technieken kunnen connecties van groepen neuronen met hun doel bestuderen op anterograde (van bron naar terminus) of retrograde (van terminus naar bron) wijze door injectie van visualiseerbare moleculen. Transport van deze moleculen kan zo gevolgd worden, en axonale projecties kunnen zichtbaar gemaakt worden. Dit proces heet pathway tracing. Met histochemische technieken kan onderscheid gemaakt worden in biochemische en genetische karakteristieken als celgrootte en verdeling (met cell staining) en specifieke lokalisatie van eiwitten (met antilichamen) van neuronen in verschillende gebieden. Hiermee wordt de moleculaire identiteit van zenuwcellen onderzocht. Ook kunnen tracer moleculen zichtbaar gemaakt worden onder de controle van regulatoire sequenties, waardoor neuronen geïdentificeerd kunnen worden door welke genen getranscribeerd worden. Zo kan ook met genetica cel identiteit en hun connecties bepaald worden.

Functionele analyse van neurale systemen

Met het bestuderen van elektrische en metabole activiteit van neuronale circuits kan bepaald worden hoe neurale systemen informatie behandelen. Met elektrofysiologische metingen, die eerder al aan bod zijn gekomen, kan het receptief veld van een neuron bepaald worden: het gebied waarbinnen een specifieke stimulus een actiepotentiaal kan opwekken. De relatie tussen stimuli en neurale respons in het sensibel en in het motorisch systeem kan hiermee worden bestudeerd. Daarnaast kunnen functionele abnormaliteiten met functional brain imaging beschreven worden. Dit is in tegenstelling tot elektrofysiologische metingen niet invasief en kan daarom op mensen uitgevoerd worden. De elektrische activiteit van individuele neuronen kan niet bepaald worden, maar de lokale metabole activiteit in de hersenen wel. Hiermee kunnen we verschillende hersenstructuren gelijktijdig bestuderen.

Analyse van complex gedrag

Kennis over hogere hersenfuncties zoals perceptie, emotie en geheugen is nog beperkt. Cognitieve neurowetenschap focust hierop en samen met neuro-ethologie, waarbij gedrag wordt geobserveerd en geanalyseerd, hoopt men een beter begrip te krijgen van complex gedrag.

Toekomstdoelen

Men streeft ernaar te begrijpen hoe moleculaire genetica gerelateerd is aan hersenfuncties op cel-, circuit en systeem niveau, en wat hier misgaat bij verschillende neurologische en psychiatrische aandoeningen. Complexe functies en processen in de hersenen die ons mens maken zijn hierbij ook van belang.

2. Zenuwcellen en elektrische signalen

Overzicht

Zenuwcellen kunnen elektrische signalen genereren door middel van ionstromen over het plasmamembraan. Hierbij maakt een neuron gebruik van de selectieve permeabiliteit voor verschillende ionen en de ongelijke verdeling van de concentraties van ionen binnen en buiten de cel. Bij een actiepotentiaal wordt de negatieve rustmembraanpotentiaal tijdelijk verhoogd. Het actiepotentiaal verspreid zich over het axon en verplaatst zo informatie. Ook kan een externe vorm van energie bij sensorische neuronen een ander elektrisch signaal teweeg brengen.
 

Elektrische signalen

Een glazen pipet met opening van 1 µm en gevuld met een elektrische conductor kan fungeren als micro-elektrode. Aangesloten op een voltmeter kan zo het transmembraan voltage gemeten worden. Het rustmembraanpotentiaal ligt tussen de -40 en -90 mV, afhankelijk van welk neuron onderzocht wordt. Verschillende potentialen kunnen voorkomen: receptor potentialen, synaptische potentialen en actiepotentialen. (Neuroscience, Purves, 2012: 26)

Receptorpotentialen ontstaan wanneer stimuli het rustmembraanpotentiaal van sensorische neuronen tijdelijk veranderen. De amplitude is afhankelijk van de intensiteit van de sensorische stimulus. Synaptische potentialen ontstaan bij activatie van synapsen van neuronen waartussen communicatie plaatsvindt. Zo kan er transmissie van informatie plaatsvinden in complexe neurale circuits in zowel het CZS als het PZS. De amplitude is afhankelijk van de hoeveelheid geactiveerde synapsen, de sterkte van een synaps en de voorgaande synaptische activiteit. Actiepotentialen kunnen op verschillende manieren ontstaan en maken transmissie van informatie over lange afstand en dus ook naar doelorganen mogelijk. Ionstromen ontstaan door receptorpotentialen en synaptische potentialen kunnen in vivo een actiepotentiaal genereren. In vitro kan dit door aansluiten van een tweede micro-elektrode die aangesloten wordt op een batterij. Een hyperpolarisatie ontstaat als de stroom het membraanpotentiaal negatiever maakt; dit heet een passieve elektrische respons. Depolarisatie ontstaat bij een stroom van tegengestelde polariteit, waarbij het membraanpotentiaal positiever wordt dan het rustpotentiaal. Wanneer de prikkeldrempel of threshold potential wordt bereikt, ontstaat er een actiepotentiaal; een korte verandering (1 ms) van het membraanpotentiaal van negatief naar positief. Actiepotentialen volgen het all-or-none principe. De amplitude is niet variabel; als het signaal niet sterk genoeg is ontstaat het niet. De intensiteit van een stimulus (duur, amplitude) wordt weergegeven in de frequentie van actiepotentialen, in tegenstelling tot bij receptorpotentialen en synaptische potentialen.

Lange afstand transmissie van elektrische signalen

Axonen zijn geen goede elektrische geleiders, waardoor een signaal onder de prikkeldrempel na passieve verspreiding over een afstand van een paar mm al bijna uitgedoofd is. De toenemende afname in amplitude wordt veroorzaakt door het lekken van ionen uit het axonale membraan. Met behulp van actiepotentialen, die constante amplitude houden, kunnen elektrische signalen toch over lange afstand verspreid worden. Dit gebeurt door actieve geleiding over het membraan.

Membraanpotentialen

Elektrische signalen kunnen ontstaan door transmembraan verschil in concentratie van specifieke ionen en door selectieve permeabiliteit van de membranen voor sommige ionen. De ion-concentratiegradiënt wordt veroorzaakt door actieve transporters, de selectieve permeabiliteit door selectieve ionkanalen, die de diffusie langs de chemische gradiënt faciliteren. De ongelijke concentratie van ionen heeft een elektrisch potentiaal tot gevolg. In levende cellen is een verhoogde intracellulaire kaliumconcentratie. Er zijn kaliumpompen en kaliumkanalen in het neuronale membraan aanwezig, waardoor een constante efflux van K een negatief rustmembraanpotentiaal tot gevolg heeft. Doordat de extracellulaire omgeving positiever wordt neemt de drijvende kracht voor kalium naar buiten toe af. Netto flux zal stoppen op het elektrochemisch evenwicht, waar de concentratiegradiënt en de elektrische gradiënt precies even groot en tegengesteld gericht zijn.

Om het elektrische potentiaal te genereren is maar een kleine hoeveelheid flow van ionen nodig. Hierdoor blijven de ionconcentraties aan iedere zijde vrijwel constant. Ook wordt de elektrochemische neutraliteit zo niet verstoord: de concentratie (negatieve) chloride ionen aan weerszijden blijft constant opwegen tegen de concentratie van (positieve) kalium ionen. Het verschil in lading wordt op deze manier beperkt tot in de directe omgeving van het membraan.

Krachten betrokken bij membraanpotentialen

Het evenwichtspotentiaal is het elektrische potentiaal gegenereerd over het membraan bij elektrochemisch evenwicht en kan voorspeld worden met behulp van de Nernst-vergelijking, zie formule 1 in de bijlage.

E_x stelt hier het evenwicht van ion X voor, R de gasconstante, T de absolute temperatuur (in Kelvin), z is de valentie van het ion en F is de constante van Faraday. [X] geeft de concentratie van een specifiek ion buiten (out) of binnen (in) de cel weer. De Nernst-vergelijking geeft een lineair verband weer voor kalium met een helling van 58 mV per tienvoudige verandering in kaliumgradiënt. Er is meer intracellulair dan extracellulair kalium, waardoor een negatieve elektrische potentiaal heerst. Er is meer extracellulair dan intracellulair natrium, waardoor een positieve elektrische potentiaal heerst.

Het elektrochemische evenwicht zorgt ervoor dat elektrische potentialen ionstroom over het membraan kunnen bepalen, en iongradiënten het membraanpotentiaal. Door het potentiaal te veranderen kan zowel de grootte als de richting van ionstroom variëren. Denk bijvoorbeeld aan het negatiever maken van het intracellulair compartiment, waardoor er minder kaliumflux zal zijn omdat de negatieve lading het positieve ion binnen het compartiment zal houden.  Door het intracellulair compartiment positiever te maken zullen kaliumionen eerder naar buiten stromen. Als het intracellulair compartiment onder de evenwichtspotentiaal voor kalium komt dan zullen ionen van extracellulair naar intracellulair stromen, waarmee het elektrische potentiaal het concentratieverschil overwint.

Omdat het membraan permeabel is voor zowel natrium als kalium, is het potentiaal afhankelijk van de relatieve permeabiliteit van het membraan voor beide ionen. Het ion waarvoor meer permeabiliteit bestaat (kalium), heeft het overheersende membraanpotentiaal. Het rustmembraanpotentiaal ligt dus dichter in de buurt bij het evenwichtspotentiaal voor kalium. De Nernst-vergelijking bevat geen term voor permeabiliteit, dus in plaats hiervan wordt de Goldman vergelijking gebruikt, zie formule 2 in de bijlage.

P staat telkens voor de permeabiliteit voor het betreffende ion. V weerspiegelt het voltage over het membraan. Let op: de concentraties van chloride ionen zijn hier omgekeerd ten opzichte van de rest, omdat de valentie factor (z) niet in de vergelijking is opgenomen (zie formule 3 in de bijlage). In een membraan dat permeabel is voor natrium en kalium valt de chloride term weg.

Bij neuronale signalering is de kalium permeabiliteit (P_k) initieel het hoogst. Het membraanpotentiaal ligt daarom ook dicht bij de (negatieve) evenwichtspotentiaal voor kalium. Door depolarisatie bij een actiepotentiaal wordt de permeabiliteit voor natrium (P_Na) tijdelijk hoger, waardoor het membraanpotentiaal ook hoger wordt, omdat natrium de cel in stroomt. Dit is een positieve feedback loop die loopt gedurende de opgaande flank (rising phase) en de overshoot phase van de actiepotentiaal. (Neuroscience, Purves, 2012: 39)

De feedbackloop stopt wanneer P_k weer toeneemt en het membraanpotentiaal tot rust komt.

Experimenten van Hodgkin en Katz waarbij de extracellulaire kalium concentraties veranderd werden, toonden aan dat het negatieve rustmembraanpotentiaal ontstaat om de volgende twee redenen: Het membraanpotentiaal is meer permeabel voor kalium dan voor andere ionen en er is meer kalium in het neuron dan erbuiten. Andere ionen hebben een kleinere bijdrage aan het rustmembraanpotentiaal, zoals ook af te leiden is aan de Goldman vergelijking. De hoge permeabiliteit wordt veroorzaakt doordat kaliumkanalen openstaan in rustende neuronen.

Bij het verminderen van de natriumconcentratie in extracellulair milieu, krijgt het actiepotentiaal een minder steile opgaande flank en een kleinere amplitude. Er bestaat een vrijwel lineair verband tussen de amplitude van het actiepotentiaal en het logaritme van de externe natriumconcentratie, met wederom een helling van 58 mV per tienvoudige verandering in concentratie. Het verlagen van de concentratie had echter vrijwel geen effect. Bij het openen van natriumkanalen tijdens een actiepotentiaal stroomt natrium het neuron in, waarbij het membraanpotentiaal depolariseert en dichter bij de evenwichtspotentiaal voor natrium komt. De permeabiliteit verlaagt snel weer door inactivatie van natriumkanalen, waardoor het membraanpotentiaal repolariseert en de overshoot gevolgd wordt door falling phase een undershoot. Hierbij vindt hyperpolarisatie plaats door een tijdelijk verhoogde kaliumconcentratie. Nadat deze vermindert komt een actiepotentiaal tot zijn einde.

3. Voltage-afhankelijke membraanpermeabiliteit

Overzicht

Het actiepotentiaal is het primaire elektrische signaal van zenuwcellen en ontstaat door een snelle tijdelijke verhoging in natriumpermeabiliteit van het membraan, gevolgd door een langzamere, langere verhoging in kaliumpermeabiliteit. Dit gebeurt op voltage-afhankelijke manier. De natriumpermeabiliteit verzorgt de rising phase, waarbij het membraan depolariseert. De kaliumpermeabiliteit verzorgt de falling phase, waarbij het membraanpotentiaal repolariseert en weer negatief wordt.

Ionstromen over membranen van zenuwcellen

Actiepotentialen ontstaan wanneer het neuronale membraan depolariseert tot boven de prikkeldrempel. Hieruit volgt dat de membraanpermeabiliteit voor natrium niet alleen het membraanpotentiaal genereert, maar ook afhankelijk is van het membraanpotentiaal. Met de voltage clamp methode zijn de permeabiliteitsveranderingen te meten, terwijl het membraanpotentiaal gecontroleerd kan worden. Hodgkin en Huxley hebben hiermee aangetoond dat bij hyperpolarisatie een capacitive current ontstaat, als gevolg van herverdeling van lading over het membraan, maar dat er verder geen ionstroom is. (Neuroscience, Purves, 2012: 43). Bij depolarisatie ontstaat er een sterke snelle inwaartse stroom, gevolgd door een vertraagde uitwaartse stroom. Hiermee bewezen zij dat axonale membraanpermeabiliteit afhankelijk is van het voltage. Vervolgens hebben ze membraanpermeabiliteit bepaald door het bekijken hoe inwaartse en uitwaartse stromen zich gedragen bij verschillende membraanpotentialen. De vroege stroom bleek initieel toe te nemen en later af te nemen bij toegenomen depolarisatie. Bij een potentieel hoger dan evenwichtspotentiaal (te berekenen met Nernst) voor het betreffende ion (in dit geval natrium), keert echter de polariteit om. Er zal er natrium de cel uit stromen in plaats van in. De latere uitwaartse stroom stijgt lineair met toenemende membraanpotentialen. (Neuroscience, Purves, 2012: 44).

Bij een volgend experiment is de extracellulaire natriumconcentratie verlaagd, waardoor de evenwichtspotentiaal van natrium negatief wordt (Nernst). Na verhogen van de permeabiliteit voor natrium bleek hierbij tot een omkering van de natriumstroom te leiden. Hieruit werd afgeleid dat de vroege inwaartse stroom wel van natrium moest zijn, omdat deze wel plaatsvond wanneer er extracellulair natrium aanwezig was en niet wanneer het weg werd gehaald. Op de trage uitwaartse stroom had het verwijderen van extracellulair natrium geen effect. Bovenstaande in combinatie met andere experimenten leverden bewijs dat een verhoging van de membraanpotentiaal een vroege influx van natrium (een tijdelijke inwaartse stroom) en een verlate efflux van kalium (een verlengde uitwaartse stroom) tot gevolg hebben. Hieruit volgt dat er tevens twee verschillende ionische permeabiliteitsmechanismen zijn. Dit wordt ondersteund door het feit dat natrium en kaliumstromen ieder afzonderlijk geblokkeerd kunnen worden met farmaca zonder dat dit invloed heeft op de andere stroom.

Om de permeabiliteitsveranderingen wiskundig te beschrijven  werd aangenomen dat ze te wijden aan veranderingen in membraangeleidbaarheid ofwel membrane conductance, welke gedefinieerd wordt als de inverse van membraanweerstand. Stroom loopt volgens de wet van Ohm en kan daarom weergegeven worden door de volgende formule (zie formule 4 in de bijlage).

I_ion geeft de ionstroom weer, V_m het membraanpotentiaal, E_ion het evenwichtspotentiaal voor het betreffende ion door de geleidbaarheid, g_ion. Het verschil tussen het membraanpotentiaal en de evenwichtspotentiaal is de elektrochemische drijvende kracht op het ion. Door middel van voltage clamp experimenten en deze formule toonden Hodgkin en Huxley aan dat de natrium en kaliumgeleidbaarheid verandert in een bepaald tijdsbestek. Doordat de inwaartse natriumstroom eerder activeert, kan deze voorgaan aan de vertraagde uitwaartse kaliumstroom. De natriumstroom neemt echter ook snel weer af, ondanks dat het membraan gedepolariseerd blijft, en wordt dus geinactiveerd. Bij kaliumstroom gebeurt dit niet. Zowel natrium- als kaliumgeleidbaarheid progressief toe bij depolarisatie op dezelfde manier. De voltage-afhankelijkheid van geleidbaarheid voor beide ionen is dus hetzelfde, hoewel ze verschillen in kinetiek (kaliumstroom komt later op gang). Kortom, de ionstromen zijn afhankelijk van de volgende drie processen: activatie van natriumgeleidbaarheid, activatie van kaliumgeleidbaarheid en inactivatie van natriumgeleidbaarheid.

Reconstructie van het actiepotentiaal

Samenvattend kan er gezegd worden dat een selectieve verhoging van natriumgeleidbaarheid verantwoordelijk is voor de actiepotentiaal, die hierdoor het evenwichtspotentiaal van natrium gaat benaderen. Er vindt een positieve feedbackloop plaats; telkens worden meer natriumkanalen geactiveerd. De depolarisatiesnelheid vermindert vervolgens doordat de elektrochemische drijvende kracht afneemt en omdat de natriumgeleidbaarheid inactiveert. Ondertussen activeert de kaliumgeleidbaarheid, die ook voltage afhankelijk is, waardoor de cel repolariseert met de uitstromende kaliumionen. De kaliumgeleidbaarheid is nu tijdelijk hoger dan in rusttoestand, waarmee hyperpolarisatie de undershoot oplevert. Hierdoor neemt de geleidbaarheid weer een rusttoestand aan. Er ontstaat een refractaire periode, waarin geen nieuw actiepotentiaal kan ontstaan, doordat de kaliumgeleidbaarheid laat afneemt en de natriumkanalen nog geïnactiveerd zijn. Het actiepotentiaal wordt regeneratief genoemd, omdat de activatie van geleidbaarheid voor natrium zichzelf onderhoudt doordat de geleidbaarheid afhankelijk is van het voltage. Dit verklaart wederom waarom er sprake is van het eerder genoemde all or none principe en waarom er een prikkeldrempel is. De vertraagde activatie van kaliumgeleidbaarheid is een negatieve feedbackloop. (Neuroscience, Purves, 2012: 48)

Actiepotentiaal propagatie over lange afstanden

Wanneer een depolariserende stimulus aankomt (een receptor of synaptisch potentiaal), of een stroom wordt geïnjecteerd in een axon, openen de voltage-gevoelige natriumkanalen lokaal. Er ontstaat vervolgens een actiepotentiaal. Een deel van de gegenereerde stroom verplaatst zich passief over het axon, niet door verplaatsing van natriumionen maar van lading. De passieve stroom depolariseert weer een naastliggend gebied, waarbij een actiepotentiaal ontstaat. Op deze manier verspreidt het actiepotentiaal zich over het axon. Hiervoor is dus zowel actieve stroom nodig (door de natriumkanalen) als passieve stroom (door het axon). Doordat een actiepotentiaal bij propagatie een gebied achterlaat waarin de natriumkanalen geïnactiveerd zijn en de kaliumkanalen nog tijdelijk geactiveerd, ontstaat de refractaire periode. Deze zorgt ervoor dat er niet direct een nieuw actiepotentiaal kan ontstaan, en dat het actiepotentiaal zich slechts in één richting kan voortzetten. De propagatie is gepolariseerd vanaf de plek van initiatie (cellichaam) naar de synaptische terminal aan het uiteinde van het axon.

Geleidingssnelheid en myelinisering

De transmissiesnelheid van het actiepotentiaal wordt conduction velocity ofwel geleidingssnelheid genoemd, en wordt bepaald door actieve en passieve stroom. Het is ook de beperkende factor voor de flow van informatie in het CZS. Geleiding gaat sneller bij axonen van grotere diameter, waarbij de interne weerstand voor passieve stroom verlaagt. Ook kan het axonaal membraan geïsoleerd worden, zodat er minder ion-lek kan plaatsvinden, waardoor passieve stroom een langere afstand kan afleggen. Dit gebeurt bij myelinisering. Schwanncellen van het PZS en oligodendrocyten van het CZS leggen myeline aan om het axon. Dit bestaat uit meerdere dubbellagen van gliale membranen. De myelineschede is niet continu; de plekken waar deze ontbreekt op het axon heten knopen van Ranvier. Natriumkanalen concentreren zich hier, zodat alleen hier actiepotentialen gegenereerd kunnen worden. Tussen de knopen verspreid de stroom zich passief in het gemyeliniseerde segment. Actiepotentialen verspreiden zich sprongsgewijs van knoop naar knoop en daarom wordt dit saltatoire geleiding genoemd. De geleidingssnelheid kan zo verhoogd worden van 0,5-10 m/s tot 150 m/s.

4. Kanalen en transporters

Overzicht

Snelle verandering in selectieve permeabiliteit en concentratiegradiënten over het plasmamembraan voor specifieke ionen en zijn essentieel voor het genereren van elektrische signalen. Hierin werken actieve transporters en ionkanalen samen . Transporters genereren een concentratiegradiënt, waardoor een flux ontstaat door ionkanalen. Ionkanalen vormen een selectieve porie en kan van conformatie veranderen in reactie op verschillende signalen: een verandering in membraanpotentiaal of temperatuur, binding van een ligand,  binding van een intracellulaire second messenger, mechanische stimuli, of een combinatie hiervan. Door differentiële expressie ontstaat er een grote hoeveelheid aan elektrische karakteristieken, die ook verschillen tussen neuronen en andere cellen.

Ionkanalen zijn nauw betrokken bij actiepotentialen

Hodgkin en Huxley’s eerder genoemde experimenten gaven indicatie voor de volgende eisen aan ionkanalen betrokken bij actiepotentialen: ze moeten snelle grote ionstromen toestaan, gebruik maken van de elektrochemische gradiënt, en onderscheid kunnen maken tussen natrium en kaliumstromen. Ook moeten ze voltage-gevoelig zijn, zodat ze alleen op het juiste moment openen.

Met de patch clamp methode, door Sakmann en Neher, kon stroom door een enkel kanaal (microscopische stroom) nader bekeken worden, in tegenstelling tot de voltage en current clamp methode van Hodgkin en Huxley, waar gekeken werd naar macroscopische stroom. Hierbij is gevonden dat de microscopische instroom van natrium zich exact hetzelfde als de macroscopische stroom.

1.      Bij membraanpotentialen negatiever dan het evenwichtspotentiaal voor natrium, (E_Na) is de stroom inwaarts, de polariteit draait om bij E_Na, de stroom is uitwaarts bij potentialen positiever dan E_Na, en is kleiner bij lagere concentraties extracellulair natrium.

2.      De kinetica van openen, sluiten en inactivatie gevonden in afzonderlijke kanalen blijkt hetzelfde als bij macroscopische natriumstromen. Omdat dit echter een kans proces betreft, worden responsen op zeer veel stimuli gemiddeld voordat de collectieve respons een goed beeld geeft van de werkelijkheid. Dit wordt verduidelijkt met afbeelding 4.1.c (Purves, Neuroscience: 62). Meeste kanalen openen in 1-2 ms na depolarisatie. Hierna vermindert de kans dat het kanaal open is doordat er inactivatie plaastvindt.

3.      Zowel openen en sluiten van het kanaal is voltage-afhankelijk: de kanalen zijn gesloten bij -80mV en geopend wanneer het membraan gedepolariseerd is. Tevens is de kans op het openstaan van kanalen afhankelijk van het membraanpotentiaal.

4.      Tetrodoxine, wat een macroscopische natriumstroom blokkeert, doet dit ook bij microscopische stromen.

Ook de microscopische kaliumstroom blijkt zich hetzelfde te gedragen als de macroscopische:

1.      Microscopische kaliumstromen inactiveren niet bij korte depolarisaties.

2.      Microscopische kaliumstromen gevoelig voor dezelfde specifieke manipulaties en stoffen als de macroscopische stromen.

3.      Microscopische kaliumstromen zijn voltage-afhankelijk.

De conclusie die hieruit getrokken kan worden is dat de macroscopische kalium- en natriumstromen inderdaad ontstaat uit het aggregaat van ieder zijn microscopische stromen.

Uit zogeheten single-channel studies is gebleken dat de betrokken kanalen onderscheid kunnen maken tussen ionen (ion-selectiviteit). De kanalen zijn voltage-gated en bevatten dus een voltage sensor die membraanpotentiaal kan detecteren. Het natriumkanaal heeft echter een extra mechanisme waardoor inactivatie plaatsvindt na depolarisatie, het kaliumkanaal heeft dit niet.

De diversiteit van ionkanalen

Er bestaat een zeer grote diversiteit aan ionkanalen. Dit komt door de hoeveelheid aan coderende genen, variabele splicing, RNA bewerking, en posttranslationele modificaties. Er ontstaan verschillen in structuur, functionaliteit en distributie. Deze diversiteit zorgt door een grote variëteit aan signaleringsmogelijkheden, vele daarvan behorend aan neuronale celtypen. Elektrische signalen kunnen hierdoor ook gemaakt worden in respons op vele verschillende stimuli.

Voltage-gated ionkanalen

Voor natrium, kalium, calcium en chloride zijn er voltage-gated kanalen ontdekt, die verschillende functies kunnen hebben in verschillende neurontypes. Ze verschillen ook in activatie en inactivatie karakteristieken. Hierdoor wordt de duur en frequentie van actiepotentialen beïnvloed, wat gevolgen heeft voor axonale geleiding en synaptische transmissie. Natrium- en calciumkanalen hebben een grote diversiteit in functie. Kalium heeft de grootste hoeveelheid voltage-gated kanalen. De belangrijkste rol hiervan is het bijdragen aan het rustmembraanpotentiaal. Chloridekanalen zijn aanwezig in ieder type neuron en controleren exciteerbaarheid, beïnvloeden het rustmembraanpotentiaal en reguleren het celvolume. De genen voor natriumkanalen heten SCN genen en de genen voor calciumkanalen heten CACNA genen.

Ligand-gated kanalen

Ligand gated kanalen zitten in het celmembraan, maar ook in membranen van intracellulaire organellen zoals het mitochondrium en het endoplasmatisch reticulum. Ligand-gated ionkanalen reageren op een chemisch signaal ofwel ligand. De kanalen gevoelig voor bijvoorbeeld neurotransmitters zijn vaak minder selectief; ze laten twee of meer ionen door. Deze kanalen zijn betrokken bij synaptische transmissie.

Andere kanalen gevoelig voor chemische signalen uit het cytoplasma kunnen specifiek selectief zijn of doorlaatbaar voor bijvoorbeeld alle kationen. Deze kanalen hebben intracellulaire domeinen die interacties aan kunnen gaan met second messengers (calcium, cAMP). Ze zetten intracellulaire chemische signalen om in elektrische informatie, wat belangrijk is in transductie van sensibele informatie zoals geur en licht.

Rek- en hittegevoelige kanalen

Er bestaan ook hitte-gevoelige ionkanalen, die bijdragen aan pijn- en temperatuursensatie en betrokken zijn bij ontstekingsreacties. Andere (rekgevoelige) kanalen reageren op vervorming van het plasmamembraan

De moleculaire structuur van ionkanalen

Uit aminozuurcompositie, fysiologische eigenschappen en reconstitutie van kanalen in modelsystemen is gebleken dat alle ionkanalen integrale membraaneiwitten zijn met een meerdere transmembraansegmenten. Een kanaal kan gevormd worden door meerdere subunits. Voltage-gated kanalen bevatten een specifieke membraanhelix met positief geladen aminozuren die fungeert als de voltage sensor.

Een specifiek bacterieel kaliumkanaal wordt gevormd door vier subunits, die ieder tweemaal het plasmamembraan overspannen, en daartussen een pore loop hebben die in het plasmamembraan steekt. De pore loops en transmembraansegmenten van iedere subunit vormen samen het kanaal, waar alleen kaliumionen zonder watermantel doorheen kunnen. Het nauwste deel zit aan de buitenkant van het kanaal en wordt de selectiviteitsfilter genoemd. Grotere kationen kunnen passen hier niet in, en kleinere kationen als natrium kunnen hier niet doorheen omdat wanneer een natrium-ion de watermantel verliest, de wanden van het kanaal te ver ervan af zitten om het gedehydrateerde ion te stabiliseren. Verder in het kanaal zit een holte gevuld met water die in verbinding staat met het cytoplasma. Kalium dat naar buiten moet volgt deze holte, om  vervolgens gedehydrateerd te worden door negatieve ladingen van het eiwit, waarna ze doorgaan naar de selectiviteitsfilter en vervolgens de extracellulaire ruimte. In de selectiviteitsfilter zijn vier bindingsplekken voor kalium, wanneer er meerdere zijn helpen ze elkaar naar buiten door elektrostatische afstoting.

Voltage-afhankelijke zoogdierkanalen hebben bovendien een regulerende b-subunit, een verbindend domein en vier voltage sensors. Deze veranderen van conformatie bij depolarisatie, waardoor het kanaal kan sluiten of open gaat. Waarschijnlijk volgen andere ionkanalen gelijkenissen in structuur en functie.

Actieve transporters en iongradiënten

Door diffusie via kanalen bij signalering en door lek zouden concentratiegradiënten en hun opgeslagen energie verdwijnen tot het ion in elektrochemisch evenwicht is. Actieve transporters gaan dit tegen door ionen te transloceren over het plasmamembraan, waarvoor binding en dissociatie nodig is. Hierdoor werken ze langzamer dan flux door kanalen. Dit gaat altijd tegen de elektrochemische gradiënt in, wat energie kost. Er bestaan twee klassen actieve transporters.

1.      ATPase pompen zoals de natrium-kalium ATPase en een calciumpomp. Deze halen de benodigde energie uit direct uit de hydrolyse van ATP.

2.      Een tweede soort haalt de benodigde energie uit de elektrochemische gradiënt van andere ionen. Een ion wordt dan getransloceerd tegen zijn gradiënt, terwijl het andere ion, meestal natrium, met zijn gradiënt meegaat. Hier bestaan ook weer twee typen van.

a.     Ion exchangers of ionwisselaars wisselen intra- tegen extracellulaire ionen uit.

b.     Co-transporters verplaatsen twee ionen in dezelfde richting. Hier maken neurotransmitters vaak gebruik van.

Uit experimenten van Keynes bleek dat natrium- en kaliumflux zowel van elkaar afhankelijk zijn als van de hydrolyse van ATP. Dit impliceerde voor het eerst het bestaan van een natrium-kaliumpomp. De pomp blijkt twee  extracellulair kalium uit te wisselen tegen 3 intracellulair natrium, waardoor een elektrisch hyperpolariserende stroom ontstaat. Dit karakteristiek van de pomp noemen we elektrogeen.

De moleculaire structuur van ATPases

Een natrium-kalium ATPases moet natrium, kalium en ATP kunnen binden en een fosfaatgroep kunnen accepteren van de ATP bij hydrolyse. Tevens bindt het ouabine, een blokkerend toxine. De pomp bestaat uit twee grote integrale membraansegmenten, a en b. a heeft een prominent cytoplasmatisch deel met een nucleotide binding domain waar ATP bindt. b een prominent extracellulair deel, waar ouabine aan kan binden.

Een calcium ATPase bestaat ook uit meerdere subunits met transmembraandomeinen, bezit een nucleotide bindend domein en andere domeinen die betrokken zijn bij fosforylering en iontranslocatie. Over het algemeen zorgt een fosforylering voor een conformatieverandering en drijft het zo de translocatie. Het ion wordt hierbij weggestopt in het eiwit, weg van het waterige medium, in tegenstelling tot bij poriën.

5. Synaptische transmissie

Overzicht

Communicatie tussen neuronen wordt bewerkstelligd door functionele contacten genaamd synapsen. Deze kunnen elektrisch zijn, waarbij stroom door gap junctions gaat, of chemisch, waar neurotransmitters secundaire stroom in postsynaptische neuronen induceren door het binden aan receptoren. Er bestaan receptoren die ook een ionkanaal zijn, en receptoren die los van een kanaal staan. De selectieve ionpermeabiliteit van het specifieke kanaal  en de elektrochemische gradiënt voor het ion bepalen of de respons excitatoir of inhibitoir is.

Elektrische synapsen

Het membraan van het upstream neuron ofwel het presynaptisch element en het membraan van het downstream neuron ofwel het postsynaptisch element zijn verbonden door gap junctions, bestaande uit gepaarde kanalen genaamd connexons. Hiertussen kan passieve elektrische stroom plaatsvinden. Omdat het kanaal relatief groot is, kunnen ATP en andere belangrijke metabolieten ook tussen neuronen verplaatsen. Connexons worden gevormd door connexines, eiwitten waarvan verschillende types bestaan met verschillende fysiologische eigenschappen.

De drijvende kracht achter stroom ontstaat wanneer er een presynaptisch actiepotentiaal aankomt. Hierdoor kan transmissie in beide richtingen verlopen. Transmissie verloopt ook veel sneller dan bij chemische synapsen omdat er direct ionstroom kan plaatsvinden. Een algemeen doel hiervan is dat elektrische activiteit tussen neuronpopulaties gelijkgesteld wordt, zodat alle neuronen op hetzelfde moment een actiepotentiaal kunnen vuren. Ook kan via connexons metabolisme en intracellulaire signalering gecoördineerd worden tussen twee neuronen.

Chemische synapsen

Tussen pre- en postsynaptische neuronen ligt bij chemische synapsen een grotere afstand weergegeven door de synapsspleet. In de presynaptische terminal liggen synaptische blaasjes met neurotransmitters. Dit zijn chemische signalen die als boodschapper dienen tussen neuronen.

Transmissie begint met aankomst van een actiepotentiaal in een presynaptische zenuw terminal. Voltage-afhankelijke calciumkanalen openen door depolarisatie. Door de steile concentratiegradiënt ontstaat er een snelle grote instroom van calcium in het presynaptisch element. De fusie van synaptische blaasjes met het plasmamembraan staat onder invloed van calciumbinding en leidt tot exocytose van neurotransmitters in de synapsspleet. De neurotransmitters diffunderen hierbinnen naar specifieke receptoren op het postsynaptisch membraan. Binding leidt tot opening of sluiting van kanalen hier, waardoor ionstroom ontstaat. Hierdoor ontstaat er verandering in geleidbaarheid en membraanpotentiaal van het postsynaptisch neuron. Neurotransmitters worden vervolgens heropgenomen uit de synapsspleet in gliacellen of worden enzymatisch afgebroken. Hierdoor is transmissie altijd tijdelijk.

Neurotransmitters en hun eigenschappen

Experimenten van Loewi bewezen dat elektrische signalen in chemische signalen omgezet werden. Hiermee werd ook de neurotransmitter acetylcholine ontdekt. Er bestaan twee categorieën neurotransmitters: small-molecule neurotransmitters en neuropeptides. Of een neuron inhibitoire of excitatoire respons vertoont en de snelheid hiervan hangt af van welke neurotransmitter het betreft. Small-molecule neurotransmitters leveren een snelle respons en neuropeptiden een langzamere.

Vele neuronen produceren twee of meer neurotransmitters, die dan co-transmitters worden genoemd. Ieder type neurotransmitter kan in een eigen blaasje verpakt worden en op een ander moment gesecreteerd worden. Neuropeptiden worden uitgescheiden bij elektrische activiteit van hoge frequentie, bij lage frequenties meestal alleen small-molecule neurotransmitters. De chemische signaleringsmogelijkheden van synapsen is dus afhankelijk van de activiteit.

Synthese van small-molecule neurotransmitters vindt plaats in presynaptische terminals, De hiervoor benodigde enzymen worden in het cellichaam geproduceerd en via langzaam axonaal transport aangeleverd. Transporters in de zenuw terminals nemen de benodigde precursors op. Small-molecule neurotransmitters worden verpakt in heldere vesicles van 40-60 nm genaamd small clear-core vesicles. Neuropeptides worden in het cellichaam gesynthetiseerd, en via snel axonaal transport naar de zenuw terminal getransporteerd, waar ze in large dense core vesicles worden verpakt met een diameter van 90-250 nm.

Na secretie in de synapsspleet worden neurotransmitters heropgenomen via specifieke transporters in de presynaptische terminal, gedegradeerd of een combinatie hiervan.

Het bestuderen van de release van neurotransmitters

Eindplaten, grote, perifere synaptische specialisaties tussen neuronen en skeletspieren, worden vaak gebruikt voor experimentele opzetten. Een verandering in membraanpotentiaal kan waargenomen worden in de postynaptische spiervezel (een eindplaatpotentiaal ofwel EPP), wanneer een actiepotentiaal van het presynaptisch motor neuron komt. Katz heeft ontdekt dat er ook spontane EPPs van kleinere amplitude voorkomen. Deze vertonen veel paralellen met EPPs en worden miniatuur eindplaatpotentialen genoemd, ofwel MEPPs. Nu is bekend dat deze ontstaan door secretie van acetylcholine (ACh) door het presynaptische nerve terminal. Er is geconcludeerd dat EPPs worden opgebouwd uit vele MEPPs en dat acetylcholine in bepaalde hoeveelheiden wordt gesecreteerd, waarvan ieder gelijk staat aan een MEPP. Door de quantale release van neurotransmitters te synchroniseren kan dus een EPP ontstaan. De quantale release van neurotransmitters staat gelijk aan de inhoud van een synaptisch blaasje. In een ACh blaasje zitten ongeveer 10.000 moleculen neurotransmitter. Deze hoeveelheid staat dan dus weer gelijk aan de hoeveelheid nodig voor een MEPP.

Lokale recycling van synaptische vesicles

Door fusie van membranen bij exocytose van blaasjes vergroot het plasmamembraan. Experimenten van Heuser en Reese bewezen dat een gedeelte van het membraan opnieuw opgenomen wordt in zogeheten coated vesicles, waarna ze deel gaan uitmaken van het endosoom om vervolgens weer synaptische vesicles te worden. Dit wordt de synaptic vesicle cycle genoemd. Nieuwe synaptische blaasjes worden opgeslagen in een reserve pool in het cytoplasma tot ze weer nodig zijn. De gehele vesicle cycle beslaat ongeveer 1 minuut, waarvan 10-20 seconden bezet worden door endocytose.

Precursors voor synaptische blaasjes worden oorspronkelijk in het ER en het Golgi apparaat in het cellichaam geproduceerd. Transport van hier naar de nerve terminal is niet snel genoeg om de neurale activiteit bij te houden. Lokale recycling is hierom een goede oplossing.

De rol van calcium in transmittersecretie

Calcium reguleert de fusie van synaptische blaasjes en hierom zijn er voltage-afhankelijke calciumkanalen in het plasmamembraan van de presynaptische nerve terminal. De volgende experimenten bewijzen dat calcium noodzakelijk en genoeg is voor transmitter release:

1.      Injectie van calcium in de nerve terminal heeft neurotransmitter release tot gevolg, ook in afwezigheid van actiepotentialen.

2.      Injectie van calcium chelators (die calcium wegvangen) leidt ertoe dat er geen transmitter release plaatsvindt.

Verschillen in de snelheid van release worden veroorzaakt door verschillen in de ruimtelijke plaatsing van de vesicles relatief aan presynaptische calciumkanalen. Small clear-core vesicles bevinden zich meestal al bij het plasmamembraan, terwijl neuropeptiden verder verwijderd liggen. Een stijging in calciumconcentratie kan lokaal zijn bij lage vuurfrequenties, waardoor alleen small clear-core vesicles gesecreteerd worden. Bij hoge vuurfrequentie kan de calciumstijging verder verspreiden, waardoor ook de neuropeptides uitgescheiden kunnen worden.

Cyclus van synaptische blaasjes

Veel is nog niet bekend over vesicle release. Men vermoedt dat het eiwit synapsin, dat reversibel gebonden is aan synaptische vesicles, het blaasje in de reserve pool houdt door ze aan elkaar en actinefilamenten in het cytoskelet te binden. Mobilisatie kan vervolgens plaatsvinden door de fosforylering van synapsin door kinases, waardoor dissociatie van synapsin plaatsvindt. De blaasjes docken vervolgens door middel van NSF (een ATPase betrokken bij fusie van membranen met het Golgi) en SNAPs (soluble NSF-attachment proteins). Deze reguleren op hun beurt SNAREs (SNAP receptors), die zo in de juiste conformatie voor fusie worden gedwongen. Onder de SNAREs valt synaptobrevin, op het blaasje, en syntaxin en SNAP-25 van het plasmamembraan. Deze gaan interacties met elkaar aan, waardoor de membranen dichter bij elkaar worden gebracht. Door calcium binding aan synaptotagmin, de calciumsensor die op het blaasje zit, wordt vervolgens membraanfusie gekatalyseerd. Hoe dit precies plaatsvindt is nog niet bekend, maar men weet dat synaptotagmin SNAREs kan binden en in het membraan kan inserteren.

Endocytose vindt plaats met behup van clathrine. Via verschillende adaptor eiwitten bindt clathrine aan de eiwitten en lipiden van het membraan dat teruggehaald moet worden. Er ontstaat curvatuur en uiteindelijk een coated pit. Dynamin zorgt vervolgens voor de afsnoering van het blaasje. Het vesicle verliest de clathrine coat door synaptojanin en gaan verder in het recycling proces. Transporters wisselen neurotransmitters uit tegen protonen uit het blaasje. De protonen zijn erin gepomp door een protonpomp in het vesicle membraan.

Receptoren van neurotransmitters

Receptormoleculen in het plasmamembraan van postsynaptische cellen detecteren de aanwezigheid van neurotransmitters met hun extracellulair domein. Er zijn twee soorten receptor eiwitten:

1.      Ionotrope receptoren vormen naast een receptor tevens een ionkanaal. Deze is eerder genoemd als ligand-gated ionkanaal. Deze receptoren genereren snelle postsynaptische potentialen (PSPs).

2.      Metabotrope receptoren bevatten geen ionkanaal maar zijn G-eiwit-gekoppeld. Zo bewerkstelligen ze een intracellulaire signaleringscascade, die er uiteindelijk toe leidt dat ionkanalen open of dicht gaan. Deze receptoren genereren langzame responsen doordat eerst een intracellulaire pathway doorlopen moet worden voordat er resultaat is.

Het is belangrijk te onthouden dat één transmitter zowel ionotrope als metabotrope receptoren in dezelfde synaps kan binden, waardoor er zowel snelle als langzame PSPs ontstaan.

Postsynaptische membraanpermeabiliteitveranderingen tijdens transmissie

In een proefopzet met een motorische eindplaat ontstaat na release van vele ACh moleculen binding aan zeer veel receptoren aan het postsynaptisch membraan, waardoor er een groot aantal ionkanalen opengaat en er een macroscopische stroom gaat lopen die de end plate current heet (EPC). Het EPP dat hierbij ontstaat kan een postsynaptisch actiepotentiaal tot gevolg hebben door natrium- en kaliumkanalen te openen. De EPC is afhankelijk van het postsynaptische membraanpotentiaal en draait van inwaarts naar uitwaarts bij het reversal potential ofwel omkeerpotentiaal. De grootte van de EPC wordt, zoals eerder genoemd bij ionstromen, bepaald door de ion geleidbaarheid, in dit geval geactiveerd door ACh (g_ACh) en de elektrochemische drijvende kracht op de ionen. Dit kan weergegeven worden met de volgende formule, zie formule 5 in de bijlage.

E_rev geeft hier het omkeerpotentiaal van de EPC. g_ACh is hier alleen afhankelijk van de hoeveelheid kanalen geopend door ACh, wat op zijn beurt weer afhankelijk is van de ACh concentratie in de synapsspleet. Rond het omkeerpotentiaal is de drijvende kracht 0. De identiteit van de betrokken ionen kan afgeleid worden door het omkeerpotentiaal met het evenwichtspotentiaal van verschillende ionen te vergelijken. Hieruit kan weer geconcludeerd worden dat de betrokken kanalen voor zowel natrium als kalium permeabel is. Dit is experimenteel getest door de extracellulaire concentraties van natrium en kalium te veranderen. Er vindt echter veel meer natriuminflux plaats, omdat de drjvende kracht bij rustmembraanpotentiaal voor kalium laag is. De natriuminstroom vormt dus de positieve inwaartse stroom van een EPC.

Kortom: de polariteit en grootte van een EPC os afhankelijk van de elektrochemische drijvende kracht, die weer de polariteit en grootte van de EPP bepaalt. Het gevolg van een neurotransmitter drijft het postsynaptisch membraanpotentiaal richting E_rev voor de specifieke geactiveerde ionkanalen.

Mechanismen gelijk aan deze in de neuromusculaire junctie vinden plaats in alle chemische synapsen. De verandering in geleidbaarheid van het membraan voor ionen geïnduceerd door neurotransmitters genereert een postsynaptic current (PSC), die het postsynaptisch membraanpotentiaal verandert tot er een postsynaptisch potentiaal (PSP) ontstaat.

Excitatoire en inhibitoire postsynaptische potentialen

PSPs verhogen of verlagen de kans dat er een postsynaptisch actiepotentiaal ontstaat, afhankelijk van of ze excitatoir (EPSPs) of inhibitoir (IPSPs) zijn. Meeste neuronen ontvangen beide inputs. Of een postsynaptische respons een EPSP of een IPSP is, is afhankelijk van welk type ionkanaal is gekoppeld aan de neurotransmitter receptor, en afhankelijk van de concentratie ionen binnen en buiten de cel. Het verschil is dat bij een EPSP natrium- en kaliumstroom een rol speelt, die het membraanpotentiaal depolariseren en zo dichter bij de prikkeldrempel brengen. Een EPSP heeft een omkeerpotentiaal positiever dan de prikkeldrempel.

Bij een IPSP speelt chloride influx een rol, waardoor het membraanpotentiaal gehyperpolariseerd wordt, verder van de prikkeldrempel af. Hierdoor wordt de postsynaptische cel geïnhibeerd. Echter, een IPSP kan ook depolariseren door uitstromen van chloride, wanneer het omkeerpotentiaal negatiever dan de prikkeldrempel. Dan is  de IPSP alsnog inhiberend, omdat het postsynaptisch membraanpotentiaal negatiever dan de drempel gehouden wordt. In het algemeen maakt een IPSP het moeilijker voor een EPSP om een actiepotentiaal te bewerkstelligen.

Summatie van synaptische potentialen

Ondanks dat PSPs van synapsen in de hersenen slechts een fractie van een millivolt zijn, kan toch de prikkeldrempel bereikt worden. PSPs van alle input die een neuron krijgt van vele synapsen, worden bij elkaar opgeteld, zowel spatieel (in de ruimte) als temporeel (in de tijd). De amplitudes van de PSPs veranderen hierdoor. Elektrische signalen van zowel inhibitoire als excitatoire synapsen worden geïntegreerd. De som van alle EPSPs en IPSPs bij elkaar bepaalt of de prikkeldrempel gehaald wordt en er een actiepotentiaal ontstaat. Deze balans verandert continu, afhankelijk van hoeveel inhiberende of exciterende neuronen er actief zijn en de grootte van de stroom bij iedere actieve synaps. 

6. Neurotransmitters en hun receptoren

Overzicht

Neurotransmitters, chemische stoffen die communicatie tussen neuronen bewerkstelligen, kunnen vaak meerdere receptoren activeren en zo een postsynaptische respons induceren. Er ontstaan zo vele mogelijkheden voor synaptische signalering. Afwijkingen in de neurotransmissie systemen zijn verantwoordelijk voor veel neurologische en psychiatrische aandoeningen en zijn daarom een goed target voor medicatie.

Categorieën neurotransmitters

De eerder genoemde neuropeptiden zijn grote transmittermoleculen. Hiernaast bestaat de klasse small-molecule neurotransmitters. Hieronder vallen onder andere glutamaat, de voornaamste excitatoire neurotransmitter, GABA, de voornaamste inhibitoire neurotransmitter, serotonine e.a. Binnen deze klasse bestaat er een groep die biogene amines worden genoemd. Deze hebben soortgelijke chemische eigenschappen en postsynaptische acties. Synthese, verpakking, release en verwijdering zijn verschillend voor iedere neurotransmitter.

Acethylcholine

ACh werkt afgezien van de neuromusculaire synaps ook nog op andere plekken in het CZS. Transmissie met behulp van ACh wordt cholinerge transmissie genoemd. ACh wordt gesynthetiseerd uit precursors acetyl coenzym A en choline in de nerve terminal. Deze reactie wordt gekatalyseerd door choline acetyltransferase (CAT). Choline wordt uit plasma opgenomen door cholinerge neuronen door een natrium-choline cotransporter (ChT). Na synthese wordt het door een andere transporter per 10.000 moleculen in een vesicle gepompt onder uitwisseling met protonen. Na transmissie wordt ACh niet heropgenomen maar snel gehydrolyseerd door acetylcholinesterase in de synapsspleet. Choline wordt daarna opnieuw opgenomen en hergebruikt. Als dit fout gaat en ACh blijft aanwezig, verkeren de neuronen continu in refractaire staat en treedt verlamming op.

Ionotrope ACh receptoren

ACh bindt de nicotinic ACh receptor (nAChR), een niet selectief ligand-gated kationen kanaal, waardoor een excitatoire respons ontstaat. nAChR bestaat uit vijf subunits, waarvan twee a-subunits, die ieder een ACh binden. Door deze voorwaarde wordt de receptor alleen geactiveerd bij hoge concentraties ACh. Iedere subunit heeft een extracellulaire regio en vier transmembraan domeinen, welke samen het brede kanaal vormen. Andere ionotrope receptoren worden op gelijksoortige wijze gevormd. Het kanaal wordt geopend door een conformatieverandering.

Metabotrope ACh receptoren

ACh kan ook binden aan muscarinic ACh receptors (mAChRs), die metabotoroop zijn en verantwoordelijk voor de meeste effecten van ACh in de hersenen. Net als andere metabotrope receptoren mAChRs hebben zeven transmembraan helices die extracellulair verbonden worden door loops. Aan deze loops bindt één ACh molecuul, waardoor een conformatieverandering ontstaat. Hierdoor bindt het betrokken G-eiwit aan het cytoplasmatisch deel van de mAChR. Vijf verschillende subtypes van de receptor zijn gekoppeld aan verschillende type G-eiwitten, waardoor er een verscheidenheid aan mogelijke langzame responsen ontstaat.

Glutamaat

Glutamaat is de neurotransmitter het meest van belang voor het normaal kunnen functioneren van de hersenen. Vrijwel alle excitatoire neuronen in het CZS zijn glutaminerg. Omdat glutamaat een niet essentieel aminozuur is dat niet over de bloedhersenbarrière kan diffunderen, wordt het lokaal gesynthetiseerd in de neuronen uit glutamine. Dit wordt opgenomen bij de nerve terminal en omgezet door glutamaat door glutaminase. Ook door transaminering van 2-oxoglutaraat, een intermediair van de citroenzuurcyclus, kan glutamaat gemaakt worden. Vervolgens wordt het in een vesicle gepompt door één van drie mogelijke transporters. Na release wordt glutamaat verwijderd door amino acid transporters (EEATs), natrium-glutamaat co-transporters. Komt het terecht in een glia cel, dan wordt het door glutamine synthetase omgezet in glutamine, en verder getransporteerd tot in een nerve terminal. Glutamaat kan ook weer direct de nerve terminal in getransporteerd worden. Bovenstaande samenwerking tussen glia en nerve terminals wordt de glutamaat-glutamine cyclus genoemd. Zo wordt transmissie op tijd beëindigd en wordt het aanbod van glutamaat voldoende gehouden.

Ionotrope glutamaat receptoren

AMPA receptoren, NMDA receptoren en kainaat receptoren zijn allemaal types ionotrope glutamaat receptoren. Het zijn ligand-gated kation kanalen die natrium en kalium doorlaten. Deze receptoren bestaan uit verschillende subunits en produceren EPSCs van verschillende grootte, snelheid en duur. AMPA receptoren zijn in tegenstelling tot nAChRs extracellulair asymmetrisch . Het transmembraangedeelte bestaat uit helices die het kanaal vormen en kunnen blokkeren wanneer glutamaat niet gebonden is. Binding van glutamaat aan het extracellulair deel zorgt ervoor dat het extracellulair deel tegen het kanaal aan sluit, waarbij de porie open gaat. .

NMDA receptoren laten ook calcium door, waardoor er via een second messenger een intracellulaire cascade in gang wordt gezet in het postsynaptische neuron. NMDA receptoren laten alleen kationen door wanneer het postsynaptische membraan gedepolariseerd is, omdat bij een gehyperpolariseerd membraan het kanaal wordt geblokkeerd door magnesium. Ondanks dat de structuur erg lijkt op die van AMPA receptoren, hebben NMDA receptoren binding van co-agonist glycine nodig samen met glutamaat om geactiveerd te worden.

Metabotrope glutamaat receptoren

Er bestaan drie klassen metabotrope glutamaat receptoren (mGluRs), die postsynaptische ionkanalen indirect beïnvloeden. Verschillen zitten hier in de koppeling aan intracellulaire signaal-transductieroutes en gevoeligheid voor farmaca. Activatie van veel van deze receptoren leidt tot een inhibitie van postsynaptische calcium en natriumkanalen. mGluRs veroorzaken dus een langzamere postsynaptische respons die zowel kan exciteren als inhiberen. De precieze structuur van deze receptoren is nog niet opgehelderd.

GABA

De meeste inhibitoire synapsen in de hersenen en het ruggenmerg gebruiken ofwel GABA ofwel glycine als neurotransmitter. De voornaamste precursor voor GABA synthese is glucose, wat gemetaboliseerd wordt tot glutamaat. Pyruvaat en glutamine kunnen ook als precursor dienen. Glutamaat decarboxylase (GAD), dat vrijwel alleen voorkomt in GABAerge neuronen, katalyseert de omzetting van glutamaat tot GABA. Hierbij is een co-factor nodig die gemaakt wordt uit vitamine B6. Wanneer dit proces fout gaat, bijvoorbeeld door vitaminegebrek, is er te weinig synaptische inhibitie en kunnen aanvallen ontstaan. Na synthese wordt GABA door een transporter in een synaptisch blaasje gepompt. Het verwijderen van GABA uit de synapsspleet gebeurt door neuronen of glia die beide een natrium-afhankelijke cotransporter hebben voor GABA (GATs). Het grootste deel wordt vervolgens omgezet tot succinaat, dat vervolgens in de citroenzuurcyclus verwerkt wordt. Hierbij zijn mitochondriële enzymen betrokken. Er bestaan ook nog andere afbraakroutes voor GABA.

Ionotrope GABA receptoren

Ionotrope GABA receptoren zijn ligand-gated anion kanalen. Bij activatie ontstaat er een influx van chloride waardoor postsynaptische cellen geïnhibeerd worden. Echter, in ontwikkelende neuronen (in foetaal stadium), kunnen ze ook postsynaptische excitatie bewerkstelligen. Een belangrijke klinische toepassing van GABA receptoren is dat agonisten of modulatoren van postsynaptische GABA receptoren gebruikt kunnen worden om epilepsie te behandelen, of als anesthesie gebruikt kunnen worden. Door op verschillende plekken kunnen o.a. barbituraten en benzodiazepines de GABAerge transmissie versterken, waardoor er dus meer inhibitie plaatsvindt. Ook alcohol heeft invloed op ionotrope GABA receptoren.

Metabotrope GABA receptoren

Metabotrope GABA receptoren inhiberen op een andere manier dan de ionotrope receptoren. Meestal activeren deze receptoren kaliumkanalen. Ook kunnen ze calciumkanalen blokkeren, waardoor de postsynaptische cel ook hyperpolariseert.

Glycine

Ongeveer de helft van de inhibitoire synapsen in het ruggenmerg gebruiken glycine. Glycine wordt gesynthetiseerd uit serine door een mitochondriaal enzym en in synaptische blaasjes getransporteerd via dezelfde transporter als bij GABA. Glycine wordt na release in de synapsspleet verwijderd door glycine-transporters in het plasmamembraan. Glycine-receptoren zijn ligand-gated chloride kanalen bestaande uit verschillende subunits.

Biogene amines

Biogene amine transmitters reguleren vele hersenfuncties en zijn ook actief in het PZS. Defecten in biogene amine systemen zijn waarschijnlijk betrokken bij veel psychiatrische aandoeningen, omdat ze betrokken zijn bij veel gedragingen. Ze zijn hierdoor ook een goed target voor medicatie en drugs. Er zijn vijf biogene amine neurotransmitters, waarvan de eerste drie onder de catecholamines vallen. Alle catecholamines bezitten een catechol groep en worden uit tyrosine gemaakt.

1.      Dopamine

2.      Norepinephrine (noradrenaline).

3.      Epinephrine (adrenaline)

4.      Histamine

5.      Serotonine

Dopamine

Dopamine is voornamelijk aanwezig in het corpus striatum, dat input ontvangt van de substantia nigra, en belangrijk is voor de coördinatie van bewegingen. Men vermoedt dat dopamine ook betrokken is bij motivatie en beloning, en vele drugs maken gebruik van het dopaminerge circuit in het CNS.  Dopamine wordt na synthese in blaasjes gepompt door een transporter. Na release wordt dopamine opgenomen in nerve terminals of glia cellen door een natrium-co-transporter (DAT). Katabolisme wordt verzorgd door monoamine oxidase (MAO) en catechol O-methyltransferase (COMT), aanwezig in mitochrondriën van glia en neuronen. Dopamine activeert alleen G-eiwit gekoppelde receptoren. Meeste dopaminereceptoren activeren of inhiberen adenylylcyclase. Activatie van dopaminereceptoren is betrokken bij complex gedrag.

Norepinephrine

Norepinephrine is voornamelijk gelokaliseerd in de locus coeruleus, een nucleus in de hersenstam die naar verscheidene punten in de voorhersenen projecteert. Norepinephrine is betrokken bij de slaap-waak-cyclus, aandacht, en voedingsgedrag. Sympatische ganglia maken ook gebruik van deze transmitter. Norepinephrine wordt gesynthetiseerd uit dopamine, net als epinephrine in een synaptisch blaasje gepompt door dezelfde transporter als bij dopamine. Het wordt uit de synapsspleet verwijderd door een transporter (NET), een natrium-co-transporter die ook dopamine kan opnemen. Norepinephrine wordt op dezelfde manier afgebroken als dopamine. Zowel norepinephrine als epinephrine werken op G-eiwit gekoppelde receptoren: a- en b- adrenerge receptoren. Activatie van a1-receptoren leidt tot een langzame depolarisatie door inhibitie van kaliumkanalen, activatie van a2-receptoren leidt tot een langzame hyperpolarisatie door activatie van een ander type kaliumkanaal. Er bestaan drie verschillende b-adrenerge receptoren, die onder andere gevonden worden in het cardiovasculair en respiratoir systeem.

Epinephrine

Epinephrine is in mindere mate en in minder neuronen dan andere catecholamines aanwezig in de hersenen. Het komt met name voor in neuronen in het CNS in het lateraal tegmentaal systeem en in de medulla. Deze neuronen projecteren naar de hypothalamus en de thalamus. De functie van deze neuronen is nog onbekend. Het enzym verantwoordelijk voor synthese komt alleen in bovengenoemde neuronen voor.

Histamine

Histamine komt voor in de neuronen in de hypothalamus en heeft enkele projecties naar vrijwel alle gebieden van de hersenen en het ruggenmerg. Centraal zijn ze betrokken bij opwekking en aandacht. Histamine wordt gemaakt uit het aminozuur histidine door histidine decarboxylase en wederom door dezelfde transporter als hierboven genoemd in synaptische blaasjes gepompt. Er is nog geen transporter in het plasmamembraan gevonden voor histamine. Histamine wordt afgebroken door histamine methyltransferase en MAO. Alle drie de bekende histamine receptoren zijn metabotroop. Omdat histamine betrokken is bij allergische reacties, zijn er veel histamine receptor antagonisten ontworpen.

Serotonine

Serotonine wordt voornamelijk gevonden in neuronen in de raphe regio van de pons en de hersenstam. Deze neuronen heeft een verscheidenheid aan projecties naar de voorhersenen en is betrokken bij de slaap-waakcyclus. Serotonine wordt gesynthetiseerd uit het essentiële aminozuur tryptofaan. Tryptofaan wordt opgenomen via een plasmamembraan transporter en gehydroxyleerd tot serotonine door tryptofaan-5-hydroxylase. Wederom dezelfde transporter als bij de andere amine transmitters wordt gebruikt om serotonine in synaptische blaasjes te pompen. Na release wordt het verwijderd uit de synapsspleet door specifieke serotonine transporters (SERT). Veel antidepressiva werken als selective serotonin reuptake inhibitors (SSRIs), die dit transport verhinderen. Ook serotonine wordt afgebroken door MAO. De meeste serotonine receptoren zijn metabotroop en betrokken bij gedrag als emotie en het circadiane ritme. Defecten in de werking van de receptoren zijn betrokken bij psychiatrische stoornissen als depressie en schizofrenie. Één groep serotonine-receptoren is een ligand-gated ionkanaal. Dit zijn niet-selectieve kationkanalen en bewerkstelligen dus een excitatoire postsynaptische respons.

ATP en andere purines

Alle synaptische vesicles bevatten ATP, dat samen met een of meer neurotransmitters wordt vrijgegeven. ATP en andere purines (componenten met een purine ring) kunnen als excitatoire co-transmitter fungeren in motor neuronen van het ruggenmerg en in sensibele en autonome ganglia. Extracellulaire enzymen breken het vervolgens af tot adenosine, dat weer andere functies heeft in signalering. Adenosine is dus geen klassieke neurotransmitter, omdat het niet in synaptische blaasjes wordt bewaard of op calcium-afhankelijke manier wordt vrijgegeven. Verscheidene enzymen en transporters zorgen voor verwijdering van purines op extracellulaire locaties. Er bestaan drie klassen purinerge receptoren.

P2X receptoren zijn ionotrope receptoren met slechts twee transmembraandomeinen per subunit, die een trimerische receptor vormen. De porie in de receptor vormt een niet-selectief kationen kanaal. P2X receptoren verzorgen dus een excitatoire postsynaptische respons. Deze receptoren bevinden zich in zowel het PZS als het CZS, en spelen een rol in pijnsensatie.

De twee andere klassen purinerge receptoren zijn G-eiwit gekoppelde metabotrope receptoren. De twee klassen verschillen hierbij in gevoeligheid voor agonisten; de ene gebruikt voornamelijk ATP, de ander adenosine. Beide typen worden gevonden in de hersenen en in perifere weefsels zoals het hart, vetweefsel en de nieren.

Peptide neurotransmitters

Veel peptiden die fungeren als hormoon zijn ook neurotransmitters en zijn betrokken bij bijvoorbeeld emotie, pijnperceptie of complexe stress responsen. Neuronen die peptiden uitscheiden produceren in hun cellichaam pro-propeptiden, polypeptiden die langer zijn dan het uiteindelijke peptide. Synthese vindt plaats in het ruw endoplasmatisch reticulum, waar de signaalsequentie verwijderd wordt. Wat overblijft heet een propeptide. Dit verplaatst naar het Golgi apparaat en wordt verpakt in blaasjes in het trans-Golgi netwerk. Hierna vindt nog proteolytische klieving plaats, modificatie van de uiteinden, glycosylering, fosforylering en zwavelbrug-vorming. Uit een propeptide precursor kunnen meerdere soorten neuropeptiden ontstaan, waardoor er ook verschillende neuropeptiden in een blaasje terecht kunnen komen. Daarbij worden ze vaak vrijgegeven met small-molecule neurotransmitters. Op deze wijze worden er complexe postsynaptische responsen mogelijk. Peptiden worden afgebroken tot losse fragmenten van aminozuren door peptidases aan het extracellulaire oppervlak van het plasmamembraan.

De biologische activiteit van neuropeptiden hangt af van hun aminozuursequentie. Ze worden op basis hiervan onderverdeeld in vijf categorieën: hersenen/darm peptiden, opioïde peptiden, hypofyse peptiden, hypothalame hormonen, en een categorie waarin moeilijk in te delen peptiden vallen.

Een belangrijke categorie is de opioïde familie. Deze peptiden binden postsynaptische receptoren die ook geactiveerd worden door opium. Morfine, een actief bestanddeel van opium, wordt nog steeds gebruikt als een pijnstillend middel. Onze endogene liganden voor opioïde receptoren zijn dus peptiden, die worden ingedeeld in endorfine, enkefaline, en dynorfine. Deze peptiden komen op verschillende plekken in de hersenen voor en zijn vaak ge-colokaliseerd  met GABA en serotonine. Opioïden zijn betrokken bij complex gedrag en verscheidene psychiatrische aandoeningen.

Vrijwel alle neuropeptiden activeren G-eiwit gekoppelde receptoren. Activatie kan al plaatsvinden bij lage concentraties, waardoor postsynaptische targets zich wat verder van de plek waar ze vrijgegeven kunnen liggen. Neuropeptide receptoren zijn belangrijk bij de regulatie van output van sympathische ganglia en voedingsgedrag.

Andere neurotransmitters

Er bestaan ook neurotransmitters die niet opgeslagen worden in synaptische blaasjes en niet via exocytose uit de presynaptische terminal uitgescheiden worden. Ze worden alsnog beschouwd als neurotransmitters omdat ze een rol hebben in inter-neuron communicatie en omdat hun afgifte calcium-afhankelijk is. Vaak zijn ze betrokken bij retrograde (van postsynaptisch naar presynaptisch) signalering. Hieronder worden een paar voorbeelden gegeven.

Endocannabinoïden zijn endogene signaleringsmoleculen die interactie aangaan met cannabinoïd-receptoren. Deze receptoren zijn ook het target van cannabis in marihuana. Twee endocannabinoïden zijn geïdentificeerd, en blijken onverzadigde vetzuren met polaire kopgroepen te zijn. Ze ontstaan door enzymatische afbraak van membraanlipiden. Productie van endocannabinoïden wordt meestal gestimuleerd door een lokale stijging in de calciumconcentratie. Waarschijnlijk diffunderen de hydrofobe endocannabinoïden door het postsynaptisch membraan terug naar cannabinoïd-receptoren op andere cellen in de omgeving. De signalering wordt beëindigd door transport terug naar het postsynaptisch neuron, waar ze gehydrolyseerd worden.

Endocannabinoïden nemen deel in verschillende vormen van synaptische regulatie. Het beste voorbeeld hiervan is de inhibitie van communicatie tussen postsynaptische cellen en hun presynaptische input. Ze fungeren dan als retrograde signalen die GABA release reguleren in onder andere de hippocampus en in het cerebellum. Depolarisatie van het postsynaptische neuron zorgt dan voor een tijdelijke vermindering in inhibitoire postsynaptische responsen. De calciumconcentratie in het postsynaptische neuron stijgt door depolarisatie, waardoor de synaptische transmissie verminderd wordt en endocannabinoïden uitgescheiden worden. Deze  binden dan aan specifieke receptoren op presynaptische terminals. Activatie zorgt ervoor dat er GABA afgifte als respons op presynaptische actiepotentialen geïnhibeerd wordt, waardoor de inhibitoire transmissie verminderd wordt.

Stikstofoxide (NO) is een gas en een chemisch signaal. NO synthase, het enzym verantwoordelijk voor NO-productie, wordt gereguleerd door het binden van calcium aan calmodulin. NO kan door het plasmamembraan diffunderen naar andere cellen toe, waardoor het gebruikt kan worden voor regulatie van activiteit van groepen cellen in een gebied. Mogelijk is het ook betrokken bij zekere vormen van synaptische plasticiteit binnen een klein netwerk van neuronen. Omdat NO voornamelijk cellulaire targets heeft, wordt het ook vaak gezien als second messenger in plaats van neurotransmitter.

7. Moleculaire signalering in Neuronen

Elektrische en chemische signaleringsmechanismen zorgen ervoor dat cellen kunnen communiceren met elkaar. Dit doen ze door chemische signalen af te geven, bijvoorbeeld neurotransmitters en hormonen, maar ook door deze signalen te ontvangen op hun receptoren. Vervolgens worden er in de cel GTP-bindingseiwitten, tweede boodschappers, eiwit kinasen, ion kanalen en nog veel meer geactiveerd. Er kunnen ook lange termijn veranderingen plaatsvinden, omdat de gentranscriptie veranderd wordt. Aangezien er zoveel mechanismen zijn, kunnen neuronen heel selectief vuren.

Strategieën van moleculaire signalering

De neuronen en hun communicatie mechanismen zorgen voor alle functies in het brein. Ze maken gebruik van synaptische transmissie. Een andere vorm van chemische communicatie is de paracriene signalering. Dit betreft communicatie over een grotere afstand en in groepen. De endocriene signalering maakt gebruik van hormonen die in het bloed terecht komen. Zij kunnen het hele lichaam beïnvloeden.

Voor communicatie is er altijd een signaal nodig, een receptor (ontvanger) en een cel waar het signaal de opdracht geeft. De opdracht wordt vervolgens in de cel uitgevoerd door intracellulaire signaal transductie. Bij neuronen worden neurotransmitters in de synaptische spleet uitgescheiden, waarna ionkanalen de volgende reacties in de neuron in gang zetten. Vervolgens kunnen er vele andere systemen, signalen en onderdelen geactiveerd worden. Dit wordt signaal versterking genoemd. Een ander complex geheel is de precisie waarmee neuronen en cellen communiceren.

De activatie van signaleringspaden

De signaal transductie wordt altijd geactiveerd door een chemisch signaleringsmolecuul. Deze zijn te onderscheiden in drie klassen:

1. Cel-impermeant moleculen worden uitgescheiden en ontvangen op receptoren, waarna er een signaal in de cel ontstaat. Deze moleculen leven kort.

2. Cel-permeant moleculen worden uitgescheiden en ontvangen in de cel, waar zij binden aan receptoren. Dit zijn voornamelijk steroïdes en worden soms wel door het bloed getransporteerd.

3. Cel-associatie signaleringsmoleculen zitten op het oppervlakte van het plasma membraan en geven alleen signalen door als ze fysiek contact hebben met andere cellen.

Receptor types

Receptoren worden aan beide zijden van het plasma membraan gevonden. De extracellulaire domeinen ontvangen de signalen van buitenaf en de intracellulaire domeinen starten de signaal cascades binnen in de cel. Er zijn verschillende soorten receptoren:

1. Kanaal gekoppelde receptoren hebben een bindingsplaats aan de buitenkant en kunnen een kanaal openen voor een ion. Het kan de concentratie in de cel veranderen, zoals de influx van Ca²⁺.

2. Enzym gekoppelde receptoren hebben een bindingsplaats aan de buitenkant en een katalytisch domein aan de binnenkant. Een grote groep van dit soort receptoren zijn eiwit kinasen die fosforlisatie in de cel laat plaatsvinden.

3. G eiwit gekoppelde receptoren laten reacties plaatsvinden door een indirect mechanisme: het afstoten van GTP-bindingseiwitten, ook wel G eiwitten genoemd.

4. Intracellulaire receptoren worden geactiveerd door cel permeante of lipofilische signaleringsmoleculen. Hierbij ontstaan signaleringscascades en de productie van mRNA. Dit gebeurt doordat het signaal het inhibitie complex los laat.

G eiwitten en hun moleculaire doelen

Er zijn twee soorten G eiwitten die gebruikt worden om intracellulaire cascades te veroorzaken. De eerste groep bevat heterotrimerische G eiwitten en bestaan uit drie subunits (alpha, beta en gamma). De inactieve fase, GDP is gebonden aan alpha, gebeurt er niks. Wanneer GTP gebonden is aan alpha, activeert het G eiwit en laat de alpha los. Vervolgens starten alpha en beta/gamma een aantal responsen in de cel. De tweede groep bevat monomerische G eiwitten (ook wel kleine G eiwitten genoemd). Deze eiwitten, GTPases, zorgen voor het opnieuw uitzenden van signalen. Ze activeren tweede boodschappers die vervolgens een actie starten in de cel. Ras is zo een eiwit en helpt bij differentiatie en toename van cellen. Als ras kapot is, zal er kanker ontstaan, omdat de celdeling niet in controle wordt gehouden. Als G eiwitten gestopt moeten worden, laat GTP los en bindt GDP weer terug. Dit wordt gedaan door middel van hydrolyse.

Tweede boodschappers

Belangrijke tweede boodschappers zijn:

1. Calcium, Ca²⁺, is een belangrijke tweede boodschapper en bindt soms aan bepaalde moleculen. Zo een molecuul is calmodulin en wanneer dit aan elkaar bindt, activeert het andere eiwitten. Een andere belangrijk kenmerk van calcium is dat calcium een lage concentratie heeft in de cel en een hoge concentratie buiten de cel. De concentratie wordt geregeld door een calcium pomp (ATPase) en een Na⁺/ Ca²⁺ wisselaar (vervangt intern Ca²⁺ met externe Na+ moleculen). Zenuwcellen bevatten andere Ca²⁺ bindingseiwitten, genaamd calbindin, dat Ca²⁺ buffert en loslaat als het nodig is. Ca²⁺ wordt toegelaten door kanalen door een ligand binding of door elektrische lading verschillen. Twee soorten van Ca²⁺ vrijlatingskanalen, voor wanneer Ca²⁺ nodig is, zijn de inositol trifosfaat (IP3) receptor en de ryanodine receptor.

2. Cyclische nucleotides, zoals cAMP, zijn ook belangrijk. Deze worden gemaakt uit ATP wanneer G eiwitten adenylyl cyclase activeren. Hierbij worden twee fosfaatgroepen verwijdert, net zoals bij de maak van GTP naar cGMP. Ze binden aan eiwit kinasen (PKA of PKG) of regelen bepaalde ion kanalen. Ze worden afgebroken door fosfordi-esterase moleculen in AMP en GMP.

3. Diaglycerol (DAG) en IP3 worden gemaakt uit een lipide, PIP2. DAG blijft in de cel en activeert eiwit kinase C, dat weer substraten fosforliseert. IP3 komt in het cytosol terecht en bindt aan IP3 receptoren, die Ca²⁺ in het cytosol vanuit het ER toelaten.

Kern signalering

Tweede boodschappers signaleren naar de kern om nieuw RNA te maken. Dit duurt wel een stuk langer dan simpelweg een concentratieverandering. Als eerste moet er decondensatie van chromatine structuur plaatsvinden. Hierdoor ontstaan er bindingsplaatsen, vlakbij het startpunt van de transcriptie, voor transcriptionele activator eiwitten, ook wel transcriptie factoren genoemd. Ze binden ook aan eiwitten die het DNA ontrafelen. Vervolgens start RNA polymerase op de promoter de transcriptie. De intracellulaire signalen activeren de inactieve transcriptie factoren.

De doelen van tweede boodschappers: eiwit kinasen en eiwit fosfatases

Fosforlisatie zorgt voor de verandering van eiwitfuncties en dit wordt gedaan door eiwit kinasen. Ze worden verwijdert door eiwit fosfatases. De activiteit van deze twee worden gereguleerd door tweede boodschappers, Ca²⁺ of cAMP, en deze activeren Ser/Thr kinasen en extracellulaire signalen activeren Tyr kinasen.

CAMP activeert het cAMP afhankelijke eiwit kinase (PKA) dat bestaat uit twee katalytische subunits en twee inhiberende units. PKA zorgt voor precisie van fosforlisatie op andere eiwitten. Ca²⁺/calmodulin afhankelijk eiwit kinase type 2 (CaM-K2) dat eiwitten (de)fosforliseert. CaM-K2 wordt actief als Ca²⁺/Calmodulin het inhiberende gedeelte weghaalt en fosforliseert vervolgens substraten.

Een andere soort uit de Ser/Thr eiwit kinasen is eiwit kinase C (PKC). DAG zorgt ervoor dat PKC naar het membraan verplaatst en Ca²⁺, onder andere, remt de auto-inhibitie. Het kan ook op andere membranen, van de celkern bijvoorbeeld, zitten en fosforliseren. Eiwit tyrosine kinase bevat twee soorten kinasen: 1) receptor tyrosine kinasen en 2) non-receptor tyrosine kinasen worden indirect geactiveerd door extracellulaire signalen.

Mitogen-activatie eiwit kinase (MAPK; soms ERK genoemd naar extracellulaire signaal-gereguleerde kinasen) worden geactiveerd door signalen van andere eiwitten, en niet per se door signalen van tweede boodschappers. MAPK’s zitten ook in cascades waar het ene kinase een volgend eiwit kinase fosforliseert, enzovoorts.

Het cAMP respons element bindingseiwit (CREB) is een transcriptionele activator. Inactief heeft het geen of weinig transcriptie activiteit. Als CREB gefosforliseerd wordt, wordt de activiteit ook hoger. CREB wordt geactiveerd door PKA, Ras en een calcium influx. De Ca²⁺/calmodulin kinase IV en MAPK verlengen de fosforlisatie van CREB. Er wordt ook gedacht dat CREB lange termijn veranderingen in het brein veroorzaakt, maar ook spatieel leren en lange termijn geheugen zijn voorbeelden.

Kern receptoren zijn voor membraan permeante ligand moleculen en zijn ook transcriptie activatoren. Sommige moleculen binden pas aan een DNA molecuul en ontvouwen de helix voor transcriptie als er een bepaalde stof aanwezig is. De thyroïde hormoon receptor (TH) is actief als TH aanwezig is, maar inactief, en een repressor, als TH niet aanwezig is.

C-fos is een transcriptie activator eiwit, maar wordt ook aangemaakt door middel van transcriptie en translatie. Het is een onmiddellijk vroeg gen, omdat het een gen is dat snel wordt vertaald. Vervolgens stimuleert het de synthese van andere eiwitten. Dit zijn vertraagde respons genen, omdat ze moeten wachten op een onmiddellijk vroeg gen.

Deze signalen komen bij neuronen binnen op de dendrieten. Daar worden de signalen verder verwerkt en doorgegeven.

Voorbeelden van neuronale signaal transductie

De zenuwgroei factor (NGF; nerve growth factor) zorgt voor differentiatie, overleving en synaptische connecties tussen sympathische en sensorische neuronen. NGF bindt aan TrkA, waarna de receptoren dimeriseren en andere partner receptoren fosforliseren. De TrkA activeert dan de ras cascade, de fosforlipase C (aanmaak DAG en IP3) en nog meer eiwit kinasen (Akt).

Er zijn synaptische spleten tussen parallelle draden (PF; parallel fibers) en Purkinje cellen (cerebellum, coördinatie). De lange termijn depressie (LTD) zorgt voor een verminderde werking van PF. PF geeft glutamaat vrij aan Purkinje cellen dat AMPA activeert (ligand-poort ion kanalen) en zorgt voor een EPSP dat de Purkinje cel even depolariseert. Verder ontstaan er hierbij fosforlipase C. LTD vindt plaats als PF synapsen geactiveerd zijn op hetzelfde moment als wanneer de glutamaat concentratie verhoogt. Dit zorgt voor meer Ca²⁺ en een verhoogde depolarisatie. Daarnaast komt er meer IP3, dat weer zorgt voor meer Ca²⁺ uit het ER. In samenwerking met DAG activeert PF nog eens PKC. Hierdoor worden de signalen van PF minder sterk.

Tyrosine hydroxylase zorgt voor de aanmaak van dopamine en (nor)epinefrine (catecholamine synthese is de overkoepelende term). cAMP, Ca²⁺ of DAG stimuleren tyrosine hydroxylase en daarmee de aanmaak van catecholamines. Daarnaast is het een substraat voor PKA, CaMK2, MAPK en PKC.

bijlage_formules_neuroscience_purves.pdf