SAMENVATTING NEUROFYSIOLOGIE
HOOFDSTUK 1: INLEIDING
• Zenuwstelsel = anatomisch & fysiologisch gediversifieerd geheel van neuronen - er zijn heel veel
verschillende types neuronen (+glia cellen = ondersteunende cellen)
• Alle neuronen werken samen om gedrag te kunnen voortbrengen (waarneming, motoriek, emoties,
motivaties, geheugen, aandacht...): kan verklaard worden door activiteit in zenuwstelsel
• Functie van zenuwstelsel berust op verschillende niveaus van complexiteit (hier is ZS verschillend van
eender welk orgaan)
- Schakelingen tussen perifeer en centraal zenuwstelsel
- Schakelingen tussen neuronen onderling
- Diverse intrinsieke eigenschappen van individuele neuronen (elektrische en morfologische)
• T.o.v. andere organen: veel meer verschillende organisatie niveaus DUS het verstaan van celfunctie ≠
verstaan van orgaan (zoals bvb lever)
Studie van elk niveau is belangrijk
• Afwijking op gelijk welk niveau geeft storing vh ganse systeem
• In deze cursus: nadruk op ‘systeem’ neuronen en hoger
Volledige zenuwstelsel is zeer groot (van topje van dikke teen tot bovenaan in de
hersenen). Er zijn verschillende niveaus:
1. Moleculen: neurotransmitters die chemisch signaal vormen om communicatie mogelijk te maken tussen
pre- en postsynaptische cel
2. Synapsen: waar NTM zitten en waar ze worden vrijgegeven in synaptische spleet
3. Neuronen: elk neuron heeft 100-1000’en synapsen
4. Netwerken: constelaties van neuronen vormen kleine netwerkjes die samen dingen doen, soms hebben ze
dezelfde eigenschappen en zijn dan sterker om signalen door te geven naar ander groepje cellen
5. Mappen: kleine netwerken zijn hierin gegroepeerd
6. Systeem: dit alles vormt de hersenen om zo uiteindelijk het volledige zenuwstelsel te vormen
ALS er iets misgaat op één van deze niveaus, kan het desastreus (eventueel dodelijk) zijn voor het subject.
VERSCHILLENDE TECHNIEKEN OM NIVEAUS (CNS) TE ONDERZOEKEN
Elke techniek kan dingen meten met een bepaalde tijdsresolutie
en een bepaalde spatiale resolutie. Elke techniek heeft een 3
ERP & MEG
Brain
ondergrens en bovengrens op ruimtelijk en tijdsvlak. Er is niet één 2
Functional PE T
techniek die we kunnen gebruiken die alles oplost, we moeten
MRI
Map 1
Lesions
Log Scale (mm)
2DG
verschillende technieken gebruiken. Technieken ingedeeld obv.:
Optical Dyes
Column 0 Microlesions
• Tijd (ondergrens is resolutie) Layer -1
• Ruimte (ondergrens is resolutie) .
Neuron
-2 Single Unit Recording
• Invasiviteit: zo minst invasief mogelijk Dendrite
-3
Patch Clamp Light
Microscopy
Synapse
EXAMEN Probleem – welke techniek zou je gebruiken om dit te -4
onderzoeken? -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7
Millis econd Second Minute Hour Day
Log Time (sec)
1
,• Eindproduct = gedrag: psychologie (psychofysica) vb. welke kleinste verschillen in lichtintensiteit kunnen we
onderscheiden?
• Andere uiteinde van spectrum: moleculaire biologie (neurotransmitter, second messenger systemen…)
• Tussenliggende niveau: vb. wat is de functionele en anatomische specialisatie van enkelvoudige cellen?
• CURSUS: Wat is het gedrag van neuronen die geschakeld zijn met andere neuronen voor waarneming van
zintuiglijke prikkels en motorische gedragingen. Wij worden heel veel geprikkeld met externe energie, een
deel kunnen we gebruiken om uiteindelijk tot een bepaald percept te komen (dat al dan niet overeenkomt
met de werkelijkheid). Die waarneming wordt al dan niet gebruikt om iets te doen (men ziet een pen en
begint te schrijven)
IDEAAL = techniek met onbeperkte ruimtelijke en temporele resolutie bv. techniek die de activiteit van alle
neuronen (~ 100 miljard bij mens) tegelijkertijd registreert MAAR dat is onbestaande DUS combinatie van ≠
complementaire technieken
Elektrische metingen Elektrische signalen zijn belangrijkste signalen van neuronen (actiepotentialen). Dat
(AP van enkelvoudige zijn kort-durende gebeurtenissen (enkele milli-seconden) dus er is een goede
neuronen temporele resolutie nodig om dat te meten. Er moeten heel veel dingen per
extracellulair meten) seconde gemeten worden om actiepotentialen van elkaar te kunnen onderscheiden.
Dat is een pakje waarin een elektrode zit, die in hersenen gestoken wordt om
actiepotentialen te kunnen meten van enkelvoudige neuronen. Dat is een invasieve
techniek waarbij men een zeer fijne draad in de hersenen steekt, die men vlakbij een
neuron brengt om actiepotentialen te kunnen meten (doet geen pijn). Overal zitten
pijnreceptoren, behalve in de hersenen zelf DUS eenmaal men in de hersenen zelf
zit is er geen pijn.
• Single unit recordings /multi-unit recordings/ local field potentialen
• EEG (electroencephalografie)/ ERP (evoked respons potentialen)
• MEG (magnetoencephalografie): boven op schedel elektrodes plakken waarmee
men elektrische verschijnselen kan meten (niet weten waar het vandaan komt)
• Electrische microstimulatie (artificiëel stimuleren van een groep neuronen)
Functionele = onrechtstreekse metingen van hersenactiviteit. Dat meet geen actiepotentialen
beeldvorming (elektrische activiteit) maar iets dat onrechtstreeks met activiteit te maken heeft.
Neuronen die actief zijn vuren actiepotentialen af, om die rustpotentiaal tot stand te
brengen hebben we energie nodig (ATP). Die energie komt vanuit voeding, suiker en
zuurstof wordt verbrand. Van zodra neuronen actief zijn, moeten die onmiddellijk
suiker en zuurstof uit de bloedbaan halen om te kunnen werken. Dat kan men
meten met een aantal functionele beeldvormingstechnieken.
• PET (Positron Emission Tomography): radioactiviteit dus niet te veel
• fMRI (functional Magnetic Resonance Imaging): kijken naar eigen hersen-
activiteit – niet-invasief
• Optical imaging: onrechtstreekse meting, invasief, gebaseerd op verhoogde
doorbloeding van lokaal hersenweefsel
• Calcium imaging (whole-field: lage resolutie (populaties van cellen) & 2-foton &
3-foton imaging: cellulaire resolutie (vele individuele cellen tegelijkertijd): kijkt
naar verandering in calcium-concentratie in neuronen
Letsels Letsels aanbrengen: permanent/omkeerbare (chemisch, koeling, optogenetics). Dit
wordt niet toegepast bij mensen maar bij proefdieren. Methodes waarmee men
activiteit tijdelijk kan verlagen of verhogen. Dat is heel belangrijk om oorzakelijk
verband te vinden in bepaald gebied tussen activiteit en gedrag/percept…
2
, Histologie/tractografie Structuur cellen, gebieden, connecties tussen gebieden…
Moleculaire biologie Alle moleculen die van belang zijn oa. neurotransmitters. Eigenlijk heel de
machinerie in een neuron om dat neuron actief te houden.
Psychologie (gedrag,
psychofysica)
SAMENVATTING Onderscheid tussen technieken die rechtstreeks neurale activiteit meten (actiepotentialen of
een derivaat daarvan) en technieken die onrechtstreeks activiteit meten (= hemodynamische technieken).
Hemodynamische technieken zijn technieken die verschillen meten in oxiginatiegehalte van bloedtoevoer. De
reden daarvoor is dat cellen geen/weinig energieopslag hebben, dus van zodra die actief worden (om AP te
kunnen afvoeren) hebben ze energie nodig die ze direct uit bloedbaan halen. Er is verbranding van suiker en
zuurstof nodig, dat gepaard gaat met aanmaak van water en CO2 dat terug uitgescheiden wordt. Daarbij wordt
energie aangemaakt waardoor ze terug AP kunnen afvoeren en dus membraanpotentiaal terug op niveau
kunnen brengen. Dat is een heel energetisch proces, dat we kunnen meten door technieken die verschillen in
zuurstofgehalte in bloed kunnen meten. Beste technieken zijn diegene die rechtstreeks neurale activiteit meten.
Electroencephalografie (EEG), en evoked response potentials (ERP): meet massapotentialen thv schedelhuid
• Niet-invasief, goedkoop, zeer geringe spatiale resolutie, heel snel
• Meet de gezamelijke activiteit van een groot aantal neuronen (die synchroon actief zijn)
• ERPs = gemiddelde van een EEG signaal voor 1 bepaalde ‘stimulus’ Vb. Visual Evoked Potentials (VEP);
Brainstem Evoked Respons Audiometrie (BERA)
EEG: elektrodes aangebracht bovenop de schedel (verschillende structuren tussenin). Hersenschors: daarin
zitten veel neuronen (hersencellen) en een aantal van die neuronen hebben een specifieke anatomische bouw.
Soort piramides op afbeelding, die zijn mooi geordend (parallel). Axonen
daarvan lopen ook parallel. Als cel actief is (= elektrische pulsen,
actiepotentialen) dus binnenvloeien en buitenvloeien van positieve ionen =
lokale verandering in elektrische veldsterkte. We krijgen tijdelijk lichte
veldsterkteveranderingen (= heel kleine verandering in het elektrisch veld),
als dat één cel is kan men dat niet meten met een elektrode die er ver
vanaf zit maar als er meerdere neuronen AP afvuren kan dat wel gemeten
worden. DOORDAT ze parallel liggen en vele tegelijk actief zijn, kan het
gemeten worden. Veldsterkteverandering zijn heel minimaal dus er is een
versterker nodig. NEGATIEF kunnen niet weten waar neuronen die
aanleiding geven tot dat elektrisch signaal zich bevinden.
Magnetoencephalografie (MEG): meet verschillen in magnetische velden. Als men een geleider heeft waar
stroom doorloopt, heeft men elektrische veranderingen die altijd gepaard gaan met magnetische veldsterkte
veranderingen. We hebben lokaal in de hersenen stromen (ionenstromen: positieve en negatieve ionen), die ook
het magnetisch veld een beetje gaan veranderen. Hiervoor heeft men al een groot apparaat nodig, dus dat is
kostelijk. Recording van miniscule magnetische signalen gegenereerd door neurale activiteit
EEG « MEG heeft een betere localisatie van het neuraal signaal dan EEG: betere spatiale resolutie,
doch nog relatief slecht tov andere technieken (duur & moeten in geïsoleerde kamer zitten die alle
veranderingen in buitenwereld afzondert). Temporele resolutie: gelijk aan EEG. Het is niet-invasief.
Hiermee kan men naar dynamiek van hersenen kijken doorheen
gans de hersenen (welk stuk meer actief is…)
3
, PET: techniek die niet gevoelig is voor snelle dingen dus tijdsresolutie is bijzonder zwak. Het is een verouderde
techniek voor functionele beeldvorming waarbij men vroeger bij normale menselijke subjecten naar activiteit
heeft kunnen kijken. Men stak het hoofd in de scanner en spoot dan radio-activiteit in in het bloed (beetje
invasief). Bv. door radioactief water in te spuiten, dat mee met het bloed circuleert. HOE meer bloedtoevoer er
in bepaald deel van de hersenen is, omdat dat deel van de hersenen actief is HOE
meer radio-activiteit dat gebied bevat. Men moet hoge activiteit met lage
activiteit vergelijken (praten = veel bloedtoevoer - vergelijken met niet praten =
weinig bloedtoevoer) Onrechtstreekse meting van neurale activiteit omv. dat
bloeding tijdelijk wordt verhoogd. Dit wordt tegenwoordig niet meer gebruikt
voor activiteitsstudies omdat er een nieuwe techniek is die niet-invasief is. Wel
uitstekend om te meten wanneer moleculen op receptoren binden (meten waar
moleculen zich bevinden, of er veel of weinig zijn…)
Functionele magnetische beeldvorming (fMRI): hiervoor ook scanner nodig dus is ook een dure
techniek. Techniek waarbij proefpersoon in scanner moet gaan liggen, wordt vaak gebruikt om
op een niet-invasieve manier naar anatomie te kijken (bv. tumor). Kan ook gebruikt worden om
naar functie te kijken: bepaalde metingen zijn gevoelig voor verschillen in geoxygeneerd
zuurstofrijk bloed en gedeoxygeneerd zuurstof arm bloed. Heel gevoelige techniek omdat
magnetische eigenschappen van oxy- deoxyhemoglobine anders zijn. Hier moet men geen
radio-activiteit voor inspuiten dus dat is niet-invasief. HOE sterker de magneten HOE beter men
het kan meten = ook duurder. Wordt gemeten in Tesla, per Tesla kost de scanner één miljoen.
Betere spatiale en betere tijdsreolutie. MAAR dit blijft een
onrechtstreekse meting van neurale activiteit dus men weet nog
steeds niet wat hersencellen precies aan het doen zijn. Dat kan men
enkel uitvissen als men daaraan een elektrische meting toevoegt (dan
weet men nog niet precies waar die signalen vandaan komen). Dus om
dat exact te weten, moet men activiteit van enkelvoudige neuronen
kunnen meten (enkel bij proefdieren).
VERSCHIL TUSSEN ELEKTRISCH SIGNAAL EN EEN HEMODYNAMISCH BOLD SIGNAAL.
Als men stukken van hersenen meet die actief zijn bij proefdieren, kan men zien welke gebieden actief zijn maar
men weet niet wat neuronen aan het doen zijn. Als we toegang zouden hebben tot gebied dat actief is, zal
men dat tegelijk kunnen meten (elektrisch en hemodynamisch signaal).
FIGUUR x-as tijd in seconden, y-as moment waarop er in dit geval een visuele stimulus aangezet en uitgezet
wordt. In dit geval werd er tussen 10-35s een stimulus geprojecteerd op de retina van een aap. Die ziet
normaal niks in het donker maar tijdens de stimulus wel. Grijs = neurale activiteit gemeten dmv. elektrode
van actiepotentialen van een hoopje enkelvoudige cellen (neurone), is het signaal van de hersenen. Als
stimulus aangezet wordt, gaan neuronen direct actief worden en gaan AP afvuren. De andere curve is
hemodynamisch signaal: men zet een stimulus aan maar het duurt even voor het bloedvatenstelsel daarop
reageert. Kinetiek van hemodynamisch signaal (rode en blauwe curve) verschilt duidelijk van echte neurale
activiteit. Als stimulus afgezet wordt op 35s, zal de activiteit van neuronen meteen stilvallen. Men zal vaak zien
dat er dan een lagere activiteit is dan de rustactiviteit. Terwijl het hemodynamisch signaal nog een tijd blijft
voortduren. BOLD-signaal bereikt pas piek nadat stimulus is afgezet = grote nadeel van die signalen.
• Hemodynamisch signaal is veel trager dan activiteit van neuronen zelf: komt met vertraging op gang
• Onderaan stimulus die redelijk lang duurt
• Bovenaan stimulus die kort duurt: zelfde principe
EXAMEN x- en y-as goed bestuderen bij figuren
4
