1. Zenuwcellen en zenuwimpulsen
1.1 De cellen van het zenuwstelsel
Wat is neurologie?
Onderzoek naar het zenuwstelsel wordt de neurologie genoemd. De grondleggers hiervan zijn
Sherrington en Cajal.
Opbouw van het zenuwstelsel
Het zenuwstelsel van een volwassen mens bevat zeer veel cellen, ongeveer 100 miljard, die onder te
verdelen zijn in neuronen en gliacellen. Neuronen ontvangen informatie en geven die door aan
andere neuronen via elektrochemische prikkels. Neuronen zijn gemiddeld tien maal zo groot als
gliacellen, maar gliacellen komen tien maal zo veel voor in het menselijk brein. Gliacellen hebben
veel verschillende functies die lastig samen te vatten zijn.
We weten dat het brein bestaat uit individuele cellen. Door onderzoek van Cajal en Golgi weten we
hoe de structuur van cellen eruit ziet en dat neuronen van elkaar gescheiden zijn. Cajal maakte
gebruik van pas ontdekte kleurtechnieken om te laten zien dat een smalle spleet een scheiding
vormde tussen het einde van het ene neuron en de oppervlakte van het andere.
Het menselijke (en ook het dierlijke) lichaam is opgebouwd uit cellen. Deze cellen zijn omgeven door
een membraan of plasmamembraan dat sommige stoffen wel en andere niet doorlaat. Voorbeelden
van stoffen die wel worden doorgelaten zijn water, zuurstof, calcium, natrium, kalium en chloride.
Het membraan is opgebouwd uit twee lagen vetmoleculen die vrij zijn om langs elkaar te stromen.
Binnen het membraan bevindt zich het cytoplasma.
Alle cellen, de rode bloedcellen van zoogdieren uitgezonderd, hebben een kern (nucleus). Dit is de
structuur waarin de chromosomen zich bevinden. Binnen de mitochondria genereren de cellen via
stofwisseling de noodzakelijke energie waarbij ze afhankelijk zijn van zuurstof en brandstof. In de
ribosomen worden proteïnen samengesteld die onder meer dienen als bouwmateriaal voor de cel en
die verschillende chemische reacties genereren. De lysosomen breken chemische verbindingen af
met behulp van enzymen. Het endoplasmatisch reticulum is een buisjesnetwerk dat zorgt voor de
verplaatsing van proteïnen. Sommige ribosomen zitten hieraan vast.
Het neuron
Het neuron beschikt ook over deze bouwstenen, die typisch zijn voor dierlijke cellen. De neuronen
onderscheiden zich van andere cellen wat betreft de vorm. Neuronen onderling verschillen enorm, in
zowel vorm als grootte.
De drie belangrijkste onderdelen van de meeste neuronen zijn: het soma of cellichaam, het axon en
de dendrieten. Binnen het cellichaam bevinden zich onder andere de kern, mitochondria en
ribosomen. Hier vindt het grootste gedeelte van de stofwisseling van het neuron plaats. Net als
dendrieten is het cellichaam in veel neuronen bedekt met synapsen. Het axon geeft impulsen (=
informatie) door aan andere cellen. Een axon begint uit een soort heuveltje (de axonheuvel) en heeft
een constante diameter in tegenstelling tot de dendrieten, die dunner worden wanneer ze verder
van de cel verwijderd zijn. De dendrieten dienen voor de ontvangst van informatie. De oppervlakte
van een dendriet is bekleed met gespecialiseerde synaptische receptoren, waarmee informatie wordt
verkregen van andere neuronen. Dendrieten met een grotere oppervlakte kunnen meer informatie
ontvangen.
Sommige dendrieten hebben uitstulpingen (dendritic spines), welke ervoor zorgen dat de
ontvangstoppervlakte groter wordt.
,Veel axonen (die van ongewervelden uitgezonderd) zijn omgeven door een isolerend omhulsel dat de
myelineschede wordt genoemd, met onderbrekingen die bekend staan als de knopen van Ranvier.
Aan het einde van een axon bevindt zich het presynaptische uiteinde, waar de chemische impulsen
door de synaps gaan en de volgende cel beïnvloeden. Een neuron kan een onbepaald aantal
dendrieten hebben, maar heeft altijd slechts één axon welke vertakkingen ver van het cellichaam kan
hebben. Sommige axonen kunnen een meter of langer zijn, bijvoorbeeld een axon van je ruggenmerg
naar je voeten.
Axonen kunnen zowel afferent als efferent zijn. De afferente axonen (bijvoorbeeld sensorische
neuronen) (‘a’ van aankomen) brengen informatie een structuur binnen. Een efferent axon
(bijvoorbeeld een motorneuron) (‘e’ van exit) brengt informatie naar buiten. Daarnaast zijn er lokale
neuronen, kleine neuronen zonder axon, of neuronen met maar een heel klein axon.
Wanneer dendrieten en axonen binnen een cel volledig zijn opgenomen in een enkele structuur, dan
is de cel een interneuron van die structuur. Bijvoorbeeld: een interneuron van de thalamus heeft zijn
axon en dendrieten in de thalamus zitten.
Verschillen tussen neuronen
Neuronen kunnen verschillen in grootte, vorm en functie. De vorm bepaalt de connecties met andere
neuronen en daarom ook de bijdragen van een neuron aan het zenuwstelsel. De functie van een
neuron is gerelateerd aan de vorm. Een Purkinje cel in het cerebellum heeft bijvoorbeeld veel
dendrieten, waardoor hij veel input kan ontvangen, soms wel 200.000 inputs tegelijk. Dit in
tegenstelling tot cellen in de retina, die maar kleine dendrieten hebben.
Gliacellen
In tegenstelling tot neuronen geven gliacellen geen informatie door aan andere cellen, maar ze
wisselen wel chemicaliën uit met naburige neuronen. Ze zijn onder te verdelen in diverse soorten
met verschillende functies. De stervormige astrocyten wikkelen zich rond de presynaptische
uiteinden van een groep axonen die gerelateerd zijn in functie. Astrocyten nemen chemicaliën op die
vrijgelaten zijn door axonen en zorgen ervoor dat deze weer terugkomen in de axonen. Een astrocyt
maakt het mogelijk dat axonen boodschappen kunnen verzenden in golven. Ze verwijderen
restmateriaal dat ontstaat als neuronen doodgaan en bovendien controleren ze de bloedstroom naar
verschillende hersengebieden. Mogelijk laten ze ook chemicaliën vrij die de activiteiten van nabije
neuronen wijzigt, maar dit is niet helemaal zeker. Microglia functioneren als een deel van het
immuunsysteem, zij verwijderen overbodig materiaal. Oligodendrocyten in de hersenen en het
ruggenmerg, en Schwanncellen in het perifere zenuwstelsel, spelen een rol bij de opbouw van de
myelineschede van sommige axonen. Ze geven ook voedingsstoffen die nodig zijn aan de axon.
Radiale gliacellen sturen de migratie van neuronen en dendrieten tijdens de embryonale
ontwikkeling. Na deze ontwikkeling differentiëren de meeste radiale gliacellen in neuronen en in
mindere mate in astrocyten en oligodendrocyten.
De bloed-hersenbarrière
De bloed-hersenbarrière is het mechanisme dat de hersenen beschermt tegen schadelijke stoffen.
Deze barrière is afhankelijk van de endotheelcellen die de wanden van de capillairen vormen. Buiten
de hersenen zijn zulke cellen gescheiden door spleten, maar in de hersenen zijn ze zo nauw
verbonden dat vrijwel niets hen kan passeren. Het laat veel chemische stoffen (in het bijzonder
proteïnen) niet of slechts zeer langzaam toe tot de hersenen. Bovendien laat het per hersengebied
andere stoffen door. De barrière bestaat om de kans op hersenschade zo klein mogelijk te maken.
Er zijn twee soorten moleculen die door de bloed-hersenbarrière heen kunnen komen. Ten eerste
moleculen die kunnen oplossen in de vetten van de membranen, zoals vitamine A en D en drugs die
,invloed hebben op het brein (antidepressiva, illegale drugs). Ten tweede kleine, onschuldige,
ongeladen moleculen zoals zuurstof. Water passeert de barrière via speciale eiwitkanalen. Andere
essentiële stoffen (zoals glucose) dienen via actief transport de hersenen binnen te komen. Actief
transport is een proces dat energie verbruikt om chemicaliën vanuit het bloed naar de hersenen te
pompen. De bloed-hersenbarrière is essentieel voor een goede gezondheid. De barrière vormt echter
ook een probleem, omdat het vele soorten medicatie tegenhoudt.
Voeding
De voeding van neuronen bestaat grotendeels uit glucose (suiker), waarbij ook een grote
hoeveelheid zuurstof noodzakelijk is. Voor de energie van de gliacellen is met name glycogeen van
belang. Glucose is zo belangrijk, omdat dit bijna de enige voedingsstof is die de bloed-hersenen-
barrière kan passeren. De lever kan glucose maken van een combinatie van koolhydraten, eiwitten
en vet. Het gebruik van glucose is een groter probleem. Mensen met het Korsakoff syndroom hebben
een tekort aan vitamine B1 (thiamine), die noodzakelijk is voor het gebruik van glucose, met
geheugenstoornissen tot gevolg.
1.2 De zenuwimpuls
De rustpotentiaal
Het membraan van een neuron onderhoudt een elektrische gradiënt; een verschil in elektrische
lading binnen en buiten het membraan. Bij afwezigheid van verstoring van buitenaf is er sprake van
een elektrische polarisatie. Polarisatie betekent dat er een verschil bestaat in elektrische lading
tussen twee locaties.
Het neuron heeft in rust een licht negatieve lading, de rustpotentiaal (polarisatie). Deze
rustpotentiaal is -70 mV. Dit wordt veroorzaakt door een ongelijke verdeling van ionen binnen en
buiten het membraan. Het verschil in voltage in een rustende neuron wordt de rustpotentiaal
genoemd. De rustpotentiaal kan worden gemeten met behulp van een micro-elektrode.
Natrium en kalium
Het membraan is selectief permeabel. Dit wil zeggen dat sommige moleculen, zoals onder andere
zuurstof- en koolstofdioxidemoleculen, de wand zonder problemen kunnen passeren en andere
stoffen zelden of nooit. In de wand bevinden zich gespecialiseerde poorten voor natrium, kalium en
chloor. In de rustpotentiaal kunnen kalium- en chloorionen in een bescheiden tempo door de
poorten. De natriumpoort is gesloten in de rustpotentiaal.
Met behulp van de natrium-kaliumpomp, een eiwitcomplex, worden drie natriumionen naar buiten
en twee kaliumionen naar binnen gewerkt. Natriumionen zijn hierdoor meer dan tien keer meer
geconcentreerd buiten het membraan dan binnen het membraan en kaliumionen zijn meer
geconcentreerd binnen het membraan dan buiten het membraan. Dit leidt tot een spanningsverschil.
De natrium-kaliumpomp is een vorm van actief transport (omdat er energie voor nodig is). Er zijn
verschillende vormen van vergif die de natrium-kaliumpoort tegen kunnen werken. De pomp is
alleen effectief vanwege de selectieve permeabiliteit van het membraan, anders zouden de
uitgepompte natriumionen weer naar binnen stromen. Sommige kaliumionen die het neuron in
worden gepompt, stromen naar buiten, waardoor de elektrische gradiënt toeneemt.
Wanneer het neuron rust, proberen twee krachten natrium de cel in te krijgen: de elektrische
gradiënt en de concentratiegradiënt. Natrium is positief geladen en de binnenkant van de cel is
negatief geladen. De elektrische gradiënt wil natrium dus in de cel trekken; positieve en negatieve
lading trekken elkaar aan. Met betrekking tot de concentratiegradiënt; natrium is meer
geconcentreerd buiten de cel dan binnen de cel, waardoor natrium eerder de cel binnen zal gaan dan
de cel verlaten. Door deze twee gradiënten zal natrium snel bewegen als het kan. Wanneer de
, membraan echter in rust is, zijn de natriumkanalen gesloten en afgezien van het natrium dat naar
buiten wordt geduwd door de natrium-kalium pomp, zal er geen natrium stromen.
Voor kalium geldt ook dat het positief geladen is en de binnenkant van de cel is negatief geladen. De
elektrische gradiënt wil kalium dus ook naar binnen trekken. Maar kalium is meer geconcentreerd
binnen in de cel dan buiten de cel, waardoor de concentratiegradiënt kalium naar buiten wil duwen.
Als de kaliumkanalen helemaal open zouden staan, zou kalium maar een klein beetje naar buiten
stromen. De twee gradiënten voor kalium zijn bijna helemaal in balans. Ze kunnen niet geheel in
balans komen door de natrium-kalium pomp. De rustpotentiaal dient er waarschijnlijk voor om het
neuron snel en krachtig te kunnen laten reageren op een stimulus.
Het actiepotentiaal
Actiepotentialen zijn boodschappen die door axonen worden verzonden. Een actiepotentiaal
ontstaat na een zogeheten depolarisatie van het neuron. Bij depolarisatie wordt de polarisatie van
een neuron gereduceerd tot nul. In rust heeft het neuron een lading van ongeveer -70 mV. Wanneer
er een afname van die negatieve lading ontstaat van ongeveer 15 mV, wordt er een grens van
excitatie (drempelwaarde) overschreden en vindt er een grote beweging van ionen door het
membraan plaats, natrium naar binnen: de actiepotentiaal, waarbij een waarde wordt bereikt van
ongeveer +35 mV.
Voltage-geactiveerde kanalen zijn membraankanalen waarvan de permeabiliteit voor natrium (of
een ander ion) afhankelijk is van het voltageverschil in het membraan. Na de piek van de
actiepotentiaal, openen voltage-geactiveerde kanalen voor kalium zich. Hierdoor kunnen
kaliumionen naar binnen die zorgen voor hyperpolarisatie, het verder toenemen van de negatieve
lading. Aan het einde van dit proces is het membraan teruggekeerd naar de rustpotentiaal, maar er
zijn nog altijd meer natriumionen en minder kaliumionen geconcentreerd dan voorheen. Uiteindelijk
zorgt de natrium-kaliumpomp voor de originele distributie van ionen. Wanneer er een ongewoon
snelle serie van actiepotentialen heeft plaatsgevonden, kan dit een tijd duren. De pomp kan de actie
niet bijhouden en natrium vermenigvuldigt zich binnen het axon, wat giftig voor een cel kan zijn. Dit
is enkel het geval bij extreme toestanden, zoals na een beroerte of na het gebruik van bepaalde
drugs.
1. Aan het begin zijn de natriumionen vooral buiten het neuron en de kaliumionen binnen het
neuron.
2. Bij depolarisatie gaat natrium- en kaliumkanalen in het membraan open.
3. Bij de top van het actiepotentiaal sluiten de natriumkanalen.
Depolarisatie maakt de kans op een signaal groter, hyperpolarisatie kleiner. Op dit principe is de
werking van verdovende medicijnen gebaseerd. Middelen voor lokale verdoving, zoals novocaine,
sluiten de natriumgangen, waardoor natriumionen niet kunnen binnenkomen en de kans op een
signaal kleiner wordt. De boodschap van pijn wordt niet doorgegeven via de axonen aan je hersenen,
waardoor je de pijn niet voelt.
De alles-of-niets-wet
Actiepotentialen doen zich alleen voor in cellichamen en axonen. Het vuren van neuronen vindt
plaats volgens een alles-of-niets principe: wanneer de grens eenmaal overschreden is, ontstaat er
een actiepotentiaal met altijd dezelfde grootte en vorm. De informatie van het neuron uit zich in
frequenties: het aantal malen dat een actiepotentiaal per tijdseenheid optreedt. Actiepotentialen
verschillen per neuron. Axonen kunnen geen grotere of snellere actiepotentialen verzenden om een
verschil aan te geven tussen een zwakke of een sterke stimulus: ze kunnen enkel de timing
veranderen. Een hogere frequentie van actiepotentialen staat voor een grotere intensiteit van een
stimulus.
