NEUROANATOMIE EN NEUROFYSIOLOGIE
Deeltoets 1: Basisprincipes van de anatomie en fysiologie van het zenuwstelsel
Hoorcollege 1: membraanspanning, evenwichtspotentiaal, ionkanalen (Purves, Hfdst. 2 en 3).
De membraanpotentiaal
Celmembraan van een neuron als elektrisch circuit: neuronen hebben een sterk negatieve
rustmembraanpotentiaal. We spreken af dat de referentie (“ground”) buiten de cel 0 is; de
binnenkant is dan negatief t.o.v. de buitenkant. In rust is de membraanpotentiaal negatief en relatief
constant en stabiel. De membraanpotentiaal verandert door een prikkel. Er zijn verschillende
potentialen die op verschillende manieren reageren op prikkels:
- Receptorpotentiaal; bijv door aanraking: klein potentiaal, dooft langzaam uit
- Synaptische potentiaal; synapsen: klein potentiaal, dooft snel uit
- Actiepotentiaal = +/- 100 mV: enorm groot t.o.v. receptor- & synaptische potentiaal
Wat bepaalt de membraanpotentiaal?
- Ionensamenstelling binnen en buiten de celmembraan: zouten opgelost in water. Er zijn veel
meer K+ ionen binnen de cel, en veel meer Na + en Ca2+ buiten de cel. Cl- zit ook meer buiten
de cel.
- Eigenschappen van het celmembraan: fosfolipide bilaag. Deze fosfolipide dubbellaag is een
condensator: er vormt zich een soort filmpje/laagje op het membraan van negatieve ionen
aan de binnenkant van de cel en positieve ionen tegen de buitenkant van de membraan.
- Eiwitten in het membraan (kanalen en pompen). Ionkanalen in het membraan zijn
spanningsafhankelijk: ze veranderen van weerstand afhankelijk van de spanning van het
membraan.
De structuur van de membraan is te vertalen in een eenvoudig elektrisch circuit. Een elektrisch
membraan model bestaande uit een weertand (R) in Ohm (ionkanaal), die parallel geschakeld is aan
een condensator met capaciteit (C) (membraan). Stroom (I) in Ampère loopt hierdoorheen naar
binnen en spanning (V) gaat beide kanten op.
Basis elektriciteitsleer: twee basiswetten
- Wet van Ohm
V
o Stroom door de weerstand: I = dV =I × R
R
In de fysiologie vaker: I =g ×dV
1
g= (= geleidbaarheid/conductantie)
R
Condensator: Q=C ×V
dQ
o Stroom door de condensator: I =
dI
- Wet van Kirchhoff
Evenwichtspotentiaal en membraanpotentiaal: totstandkoming
Het membraanpotentiaal is de spanning over de membraan. De rustmembraanpotentiaal wordt
bepaald door de verdeling van ionen aan weerszijden van de membraan. Dit gaat alleen op indien het
membraan semipermeabel is! Voor een zenuwcel in rust is de membraanpotentiaal ongeveer -65
mV.
Welke krachten spelen een rol bij de verdeling van ionen aan weerszijden van een semipermeabel
membraan? (K+ meer binnen & Na+, Ca2+ en Cl- meer buiten de cel)
- Diffusiekracht
, - Elektrische kracht
Passief transport
Diffusie is de beweging van ionen onder invloed van het concentratieverschil. Ionen verdelen zich
evenredig over de oplossing. Ze stromen langs de concentratie gradiënt als er kanalen in de
membraan zitten die permeabel zijn voor specifieke ionen.
dc
- Wet van Fick: Flux D =−D ×
dx
FluxD = diffusie flux, D = diffusie constante, dc = concentratie verschil, dx = per afstand
R ×T
o Diffusie constante: D= ×u
F
D×F
Mobiliteit in gas of vloeistof u=
R×T
u = mobiliteit in gas/vloeistof, R = gas constante (8,314570 J/Kmol), T = absolute temperatuur
(K), F = Faraday constante (96485 C/mol)
Ionen bewegen onder invloed van een elektrische gradiënt.
dV
- Flux in een elektrisch veld: Flux E =−z ×u ×c ×
dx
I E =z × F × Flux E
dV
I E =−z 2 × F ×u × c ×
dx
FluxE = ionen flux, c = concentratie, u = beweeglijkheid, z = lading, dV = spanningsverschil, dx
= per afstand
dc
In evenwicht is de diffusiestroom I D =−z × F × D × gelijk aan de elektrische stroom
dx
dV D×F
I E =−z 2 × F ×u × c × , met u=
dx R×T
Er geldt dan: ∑ I D + I E =0
dc −z × F × c dV
Hieruit volgt = ×
dx R ×T dx
R ×T C
V 2−V 1 =Em= × ln ¿
z ×F C out
C¿
- De wet van Nernst: Em =−58 × log (bij kamertemperatuur)
Cout
De Nernstpotentiaal = het evenwichtspotentiaal! (Evenwicht tussen diffusiekracht en
elektrische kracht)
o Wet van Nernst voor Kalium bij lichaamstemperatuur (37 °C):
K +¿
E K =−61× log +¿binnen ¿
K buiten ¿
o Wet van Nernst voor calcium bij lichaamstemperatuur (37 °C):
, Ca2binnen
+¿
−RT
ECa = × ln 2+¿ ¿
2F Cabuiten ¿
Het elektrochemisch evenwicht van de cel is het evenwicht waar het elektrische potentiaal en het
chemische potentiaal aan elkaar gelijk zijn, en kan dus berekend worden met de wet van Nernst.
De evenwichtspotentiaal wordt ook wel de omkeerpotentiaal van het betreffende ionsoort genoemd
(de potentiaal waar de ionstroom omkeert). De wet van Nernst beschrijft de evenwicht situatie (en
membraanspanning) voor één specifiek ion die ontstaat bij verschillen in ionconcentratie over een
semi-permeabele wand.
In werkelijkheid wordt de rustmembraanpotentiaal niet door één ion bepaald, maar door meerdere.
Voor de membraanpotentiaal geldt dan: de waarde wordt bepaald door de omkeerpotentiaal van de
belangrijke ionen en door hun relatieve membraan geleidbaarheden.
Als er geen netto stroom meer loopt: INA + IK = 0 (=rustmembraanpotentiaal)
Kan ook geschreven worden als g Na ×(V m−E Na )+g K ×(V m −E K )=0 (Wet van Ohm)
g Na × E Na + g K × E K
Dit kan herschreven worden tot V m =
g Na + g K
Hieruit blijkt dat Vm afhangt van de relatieve geleidbaarheid, en het ion met de hoogste
geleidbaarheid heeft de meeste invloed op de membraanpotentiaal.
g Na gK
De bijdrage van natrium is × E Na en de bijdrage van kalium is × EK
g Na + g K g Na + g K
Permeabiliteit is de fundamentele eigenschap van een membraan. Dus eigenlijk moeten we in
permeabiliteiten denken. Dit doen we met de GHK vergelijking: −¿
[Cl]o
+ ¿+P Cl × ¿
+¿ +P × [Cl]−¿
Cl i
+¿ +P × [Na] ¿
P K × [K ]o Na o
¿
+¿+ PNa ×[ Na]i ¿
V m =−58× log PK ×[ K ] i ¿¿
Hieruit blijkt dat het ion met de hoogste permeabiliteit, de meeste invloed heeft op de
membraanpotentiaal.
In rust is de K+ ion permeabiliteit van de membraan hoog. Een toename van extracellulair K +
depolariseert het membraanpotentiaal. De concentratie van extracellulaire K + ionen moet dus
nauwkeurig gereguleerd worden. Dit gebeurt via de bloed-hersen barrière: astrocyten bufferen K+.
De geleidbaarheid van Na+ ionen is heel laag in rust: een toename van extracellulair [Na +] heeft
vrijwel geen invloed op de rustmembraanpotentiaal.
Voor de membraanpotentiaal zijn iongradiënten nodig. Als we niets doen verdwijnen die gradiënten.
Daarom:
Actief transport: De elektrogenen Na/K ATPase pomp
3 Na+ ionen worden tegen 2 K+ ionen uitgewisseld. Er loopt dus een elektrische stroom (die veel
trager en kleiner is)
Wat gebeurt er met de Vm bij zuurstoftekort in de hersenen?
De mitochondria produceren geen ATP meer: de Na/K pomp stopt de membraanpotentiaal
depolariseert langzaam richting 0 mV. Maar de membraanpotentiaal wordt nooit helemaal 0 mV!
Dit komt omdat er zich in de cel negatieve anionen bevinden die niet door de membraan kunnen.
Hierdoor blijft er ook een evenwicht in potentiaal verschil. Dit potentiaal noemen we de Donnan
potentiaal (= potentiaal zonder Na/K pomp, dus potentiaal zonder energie toevoer)
, SAMENVATTING
Hoorcollege 2: Neuroanatomie I
Neuroanatomie colleges (Purves 5e editie hfst 1, 6 en Appendix A):
- Micro & macro anatomie van de hersenen
- Algemene aspectein/hisstologie hersenen
- Beeldvormende technieken
- Transmittersystemen
Historie van de anatomie
“Het brein is de oorsprong van het gedrag”: in 17 e eeuw voor Christus al onderzoek naar anatomie.
Waarom? Om het te willen weten: in de 13 e eeuw al publieke lijkschouwing in Italië.
Leonardo da Vinci: 15e eeuw: neuroanatomie: hersenen van overleden mensen. Dachten dat de
ventrikels het belangrijkste waren, dat daar ‘het leven’ in zat.
“Neuronen zijn de bouwstenen van het brein”: Golgi kleuring met zilvernitraat toonde de neuronen.
Cajal tekeningen van een bepaalde hersencel met vertakkingen en van de verschillende lagen in de
cortex. Baillarger beschreef de lagen van de cortex in 1840 met behulp van microscopie. Informatie
komt steeds binnen in laag vier van de cortex. Laag 2 en 3 zenden informatie naar andere delen
binnen de cortex, laag 5 en 6 zenden het buiten de cortex.
Tegenwoordig nog steeds bezig: Blue Brain project! Digitaliseren en modeleren van delen van de
cortex.
Cajal dacht dat alle neuronen op zichzelf staan in een netwerk, Golgi dacht dat alle neuronen in direct
contact met elkaar staan. Wie had gelijk? Cajal! Wel aan elkaar gekoppeld, maar niet direct. (synaps)
De moderne wetenschap
Kogel conventie: kleinere kogels, waardoor mensen het zouden kunnen overleven. specifieke
hersenschade, waaruit verschillende hersenfuncties bleken.
Externe en interne oorzaken van hersenschade:
- Schotwonden
- Tumoren
- Hersentrauma
- Hersenbloedingen
Hersenschade is erg belangrijk voor hersenonderzoek. Ongeluk met Phineas Gage toonde voor het
eerst dat de prefrontale cortex enorm belangrijk is. ventromediale voorhersenen (persoonlijkheid,
controle op je gedrag, concentratievermogen, aandachtsprocessen, werkgeheugen, besluitvorming)
Waarom is het belangrijk om iets van anatomie te weten? Het is de basis waar vanuit je de cognitie
kunt begrijpen. Het brein is een netwerk met samenwerkende structuren die gezamenlijk leiden tot
gedrag/cognitie. Terugkoppeling Cognitieve psychologie: welk proces heb je onderzocht?
