Neurofysiologie
Inleiding
Neurofysiologie = studie van de werking van de neuronen (zenuwstelsel)
Neurofysiologie: studie van de werking en functie(s) van zenuwstelsel
Sersorische vangen signaal op en sturen dat nr hersenen = sensatie
Sensatie = wat hersenen aangeleverd krijgen, wat binnenkomt via
zintuigen
Perceptie is wat de hersenen er mee gaan doen
hersenen produceren gedrag: alle waarnemingen, emoties, herinneringen, motoriek, dromen, ambities,
toekomstplannen, … komen tot stand door de hersenen.
1) prikkels uit omgeving (of intern) worden opgevangen door receptoren (zicht, reuk, smaak, gehoor,
tast) sensatie: transformatie van fysische stimuli in elektrische (neuronale) signalen
2) hersenen verwerken (een deel van) deze informatie (integratie) perceptie is het resultaat van het
selecteren (interne filter: ‘aandacht’), organizeren en interpreteren (afhankelijk van context, ervaring,
etc.) van deze informatie
3) motor output (interactie met omgeving)
!!! perceptie is steeds interpretatie, niet louter passieve registratie van informatie door de zintuigen
Hoe werking hersenen bestuderen?
cel theorie: basiseenheid van levende organismen is de cel
van toepassing op alle organen, maar lange tijd niet duidelijk voor hersenen:
Nissl kleuring: celkernen en Nissl lichamen rond kern van neuronen geen kleuring van ganse zenuwcel
Theosielviolet zorgt voor Nissl kleuring brengt kernen met dna in beeld, axonen en dendrieten is moeilijker te kleuren
neuron doctrine’: neuronen zijn de anatomische en fysiologische basiseenheid van het zenuwstelsel
werking van de hersenen is terug te brengen tot elektrische activiteit van neuronen
begrijpen samenhang gedrag en neuronen ~ begrijpen van fenomenen op wereldschaal (politiek,
economisch, cultureel, …) op basis van gedrag van individuen
reductionisme: kan gedrag begrepen worden door uitgebreide kennis van 1/enkele neuron(en)? bv.
kleurperceptie? depressie? verslaving?
rol van andere celtypes: bv. glia? enkel ondersteunende rol?
– werking hersenen vloeit voort uit:
1) de intrinsieke eigenschappen van neuronen (moleculair, elektrisch, morfologisch)
2) schakelingen van neuronen met:
a) periferie: receptor-epithelen (huid, netvlies, …)
b) effectororganen (spieren, klieren, …)
c) andere neuronen belang van netwerken en connecties (‘bedrading’) tussen hersengebieden
à bij zoogdieren: bedrading is uniek voor elk individu, niet gedicteerd door genoom (itt. bv c. elegans):
aanvankelijk uitgebreide connecties die tijdens ontwikkeling verfijnen
, c. elegans: 302 of 385 neuronen (resp. hermafrodiet vs mannelijk), volledig connectoom in kaart gebracht
in kaart brengen van netwerk van ‘alle’ (of belangrijkste) verbindingen in hersenen van: ‘gezonde’
personen, personen met hersenstoornissen zoals ziekte van Alzheimer, schizofrenie, autisme
stoornis, depressie, angststoornissen, ...
doel: diagnose voor allerlei hersen-aandoeningen/stoornissen op basis van afwijkend hersennetwerk,
mogelijks gerichte therapie/medicatie
Gliacellen
Gliacellen: gliacellen zorgen ervoor dat neuronen samenkleven
Glia = lijm. glia cellen spelen belangrijke rol in werking (ondersteuning) van neuronen:
- energie metabolisme van neuronen: astrocyten
- immuunrespons: microglia (macrofagen)
- geleiding actiepotentialen: oligodendrocyten
- produktie hersenvocht: ependymcellen
- regulatie werking synapsen: astrocyten
rol van glia cellen in cognitie niet (volledig) gekend
▪ lange tijd gedacht dat gliacellen niet actief communiceren met elkaar
Synaps voorgesteld: actiepotentiaal komt aan
en wordt neurotransmitter vrijgesteld
communicatie door astrocyten: Calcium golven visualisatie met voltage-gevoelige kleurstoffen: optical
imaging: Bep kelurstof in hesenweefsel inbrengen, spec gevoelig voor calciiumconc veranderingen, dan ga
je verschil van fluorescentie krijgen en dat kan mooi in kaart gebracht w
complexiteit hersenen
relatie tussen structuur en functie van hersenen veel complexer dan bij andere organen: 3 wedenen wrm
anders dan andere organen
1) Enorme structurele en functionele diversiteit: er zijn veel meer celtypes in de hersenen dan in
andere organen: ~100 miljard neuronen = tot 10 keer meer gliacellen
▪ > 100 verschillende types/subtypes neuronen/glia elk neuron tot 104 connecties (ongeveer 10 biljoen
connecties) > 100 verschillende neurotransmitters
2) Er zijn veel niveaus in de organisatie van de hersenen belang van studie op meerdere
organisatieniveaus
!!!!! Belangrijk Reginale kankercellen = RGC. Die gaan via tussenstop LGN -> in thalamus en w nr versch
gebieden verstuurd.
3) Algemeen thema in biologie: gen structuur functie niet zo in de hersenen: bv. fietsrijden:
er is geen gen voor fietsrijden
oorzaak en gevolg zijn moeilijk te ontwarren in de hersenen: bijv. Is een slecht
werkend ‘spiegelsysteem’ de oorzaak van autisme of een gevolg van autisme?
Spiegelsysteem: je ziet iemand die pijn heeft, dus uw neuronen worden ook actief. Je ziet iemand aan tafel
duwen, eigen neuronen w ook actief.
Verschillende niveaus organisatie zenuwstelsel
studie van elk van deze niveaus is belangrijk
afwijking op gelijk welk niveau geeft storing van het ganse systeem
hersenaandoeningen/ziekten meestal te wijten aan veranderingen op meerdere niveaus
(complex!)
, deze niveaus kunnen met een heel aantal technieken bestudeerd worden, gaande van psychofysica
(gedrag), functionele beeldvorming (systeem niveau), celafleidingen tot moleculaire biologische
technieken.
Indeling neurofysiologische onderzoekstechnieken:
structuur (anatomie of connecties tussen gebieden (witte stof banen)) vs functie (werking)
directe meting neuronale activiteit: actiepotentialen (‘spikes’), geïntegreerde potentialen van groter
gebied (‘local field potentials’, massapotentialen) vs indirecte meting via metabole of vasculaire
koppeling
zeer lokale meting vs meting van gans de hersenen
invasieve vs niet-invasieve metingen
metingen met hoge vs lage spatiale resolutie
metingen hoge vs lage temporele resolutie
correlatie (verband) vs causatie (oorzakelijk verband)
mens vs proefdier
Magnetische Resonantie Beeldvorming (MRI) (Box 7.2)
Structurele MRI:
- onderscheid ts. verschillende weefsels: grijze stof, witte stof, CSV, bloedvaten
- diffusiemetingen (DTI, DSI): verbindingen tussen gebieden (witte stof banen)
Diffusiemeting: op invasieve manier nr stofbepaling gaan kijken
Kleurtjes geven weer in welke richting de stofbanen lopen
Groen = van voor nr achter of omgekeerd
Blauw = boven nr onder
Rood = links rechts
Tract-tracing technieken (invasief)
Bep stof w ingespoten in hersenen en na enkele dagen kunnen deze
stoffen in de hersenen gevonden w in de gebruikte delen vd hersenen
Diffusie metingen mbv MRI (niet-invasief): diffusion tensor imaging (DTI)
meten van verplaatsing van watermoleculen (diffusie) in verschillende richtingen in elke voxel
Fractionele anisotropie (FA) is een index voor de hoeveelheid van diffusie asymmetrie in een voxel
FA map toont alle FA waarden in een hersenscan: lichte gebieden zijn meer anisotroop dan donkere
gebieden
berekenen van ‘stroomlijnen’ vanuit bepaald startgebied
techniek laat niet toe om conclusies te trekken over richting
van informatieflow
, DTI laat niet toe om meerdere kruisende bundels per voxels van elkaar te onderscheiden (wel mogelijk
met diffusie spectrum imaging (DSI)
belangrijk: diffusie metingen geven slechts bij benadering een idee over de onderliggende connectiviteit
(mogelijk vals positieve en vals negatieve bevindingen)
Axon = witte stofbaan
Voxel = zeer klein stukje van de hersenen
FA: isotropie als alles in alle richtingen even vlot beweegt, geen witte stofbaan aanw
Anisotropic: in bep richting beweegt watermol makkelijker, dus witte stofbaan aanw
Spatiale en temporele resolutie onderzoekstechnieken
Deze technieken kunnen ingedeeld worden op basis van:
- tijd (abscissa): ondergrens = resolutie, bovengrens = experimenteertijd
- ruimte (ordinaat): ondergrens = resolutie, bovengrens = overzicht
assen zijn logaritmisch: geven grootteorde in sec en mm, bv. 100 s = 1 s, 100
mm = 1 mm)
- invasiviteit (kleur)
Electrofysiologie: Extra-cellulaire afleidingen van neuronen
dunne microelektrode meet het elektrisch veldje buiten de cel (‘single cell recordings’)
actiepotentialen (‘spikes’) vs ‘local field potentials’ (LFP’s)
elektrode blijft buiten de cel: geen beschadiging dus neuron kan vaak langdurig bestudeerd worden (tot
meerdere uren)
▪ kan ook in wakkere dieren of (uitzonderlijk) in mens: actieve taken
▪ zeer goede temporele en spatiale resolutie
▪ slechts 1 of enkele cellen tegelijkertijd te bestuderen met simpelere enkelvoudige elektrodes (maar ook
versies met vele recording sites, bv. Neuropixels)
▪ ‘sampling bias’: voornamelijk grotere, meer actieve neuronen
Zwarte streepjes = actiepotentialen
Kruisje is wnr appel w aangeraakt
Multi-unit elektrodes
gelijktijdig registreren van vele ‘single units’
Electrofysiologie: Intra-cellulaire afleidingen
▪ glazen micropipette (scherp of patch-clamp)
▪ in-vitro (geïsoleerde cellen, hersenplakjes) of in-vivo
▪ toegang tot intracellulaire milieu
▪ informatie over output (actiepotentialen) en
input (postsynaptische potentialen, PSPs)
▪ informatie over teken van inputs (excitatorische of
inhibitorische potentialen, EPSPs of IPSPs)
▪ studie van geïsoleerde ionenkanalen: belangrijkvoor begrijpen aandoeningen tgv
defecte ion-kanalen (neurologische, cardiovasculaire, immunologische, endocriene,
respiratorische aandoeningen, enz.)
▪ zeer goede temporele en spatiale resolutie
▪ beschadiging cel, beperkt in tijd
Massapotentialen: ElectroEncefaloGrafie (EEG), MagnetoEncefaloGrafie (MEG)
▪meting van kleine elektrische of magnetische veldjes t.h.v. de schedelhuid (vgl. EKG)
