Samenvatting: Neurowetenschappen - fysiologie JANSSEN

NEUROFYSIOLOGIE
2022-2023 – PETER JANSSEN



HOOFDSTUK 2: TECHNIEKEN OM HERSENFUNCTIES TE BESTUDEREN
2.1 INLEIDING
Technieken hebben elk een specifieke spatiale en temporele
resolutie




2.2 LETSELSTUDIES
Laesies kunnen bekeken worden door een autopsie (postmortem) of
door beeldvormingstechnieken (CT, MRI) en dit correleren aan
functieverlies (functie linken aan gebied).
- Zelden volledige overlap met een functioneel gebied

Bij proefdieren: experimentele selectieve letsels maken
- Resectie, hitteletsel, MPTP, …
Of tijdelijke en reversibele (in)activatie verkrijgen door:
- Farmacologische agentia: muscimol (GABA-agonist) en bicuculline (GABA-antagonist)
- Koeling




2.3 EEG EN MEG
Elektro-encephalografie = EEG
 Niet-invasieve meting van hersenactiviteit waarbij elektrodes worden aangebracht op de scalp
 Klinisch belang: slaaponderzoek, diagnostiek van epilepsie
EEG-elektroden worden op standaard posities geplaats op de schedel en meten microvoltfluctuaties die
worden veroorzaakt door elektrische activiteit van grote populaties neuronen (vooral cortex)
- Amplitude wordt bepaald door mate van synchroniciteit van de neuronen
- Neuronen actief op verschillende momenten: EEG-signaal klein en onregelmatig
- Neuronen gelijktijdig actief: EEG-signaal grote en regelmatige golven
- Belangrijk: aantal neuronen maar ook timing
- Potentiaal ontstaat door de vele dipolen en wordt gemeten door oppervlakte-elektroden en verschil
met de referentie
 Hoge temporele resolutie, slechte spatiale resolutie

Geëvoqueerde potentialen (EP’s) kunnen ook gemeten worden
- 1 stimulus meerdere keren herhalen: respons gemiddeld over verschillende trials
EEG-signaal ook intracranieel meten door oppervlakte-elektroden op de hersenschors (ECOG) of door diepte-
elektroden (iEEG)

,Magneto-encephalografie = MEG
 Niet-invasieve manier om hersenactiviteit te meten
- Zwakke magnetische velden worden geinduceerd door miljoenen aanpalende actieve neuronen
- Bron van signalen beter lokaliseren dan bij EEG
- Vooral activiteit van piramidale neuronen in sulci die parallel georienteerd zijn aan scalp
 Hoge temporele en spatiale resolutie




2.4 MICRO-ELEKTRODE-REGISTRATIES
Plaatsen van extracellulaire micro-elektroden in hersenparenchym (invasief, hersenen geen pijnreceptoren dus
je voelt het niet)
- Lokale veldpotentialen (local field potentials of LFP’s) registreren
- Spikes: single-unit activity (SUA) en multi-unit activity (MUA) registreren
Registraties zijn acuut of chronisch via enkele elektrode of via multi-elektrode arrays

LFP’s: meten van lokale EEG ter hoogte van micro-elektrode in de hersenen
 Maat voor activiteit van neuronen in gebied van enkele mm rond de tip van de elektrode

Extracellulai: actiepotentialen (elektrische activiteit meten) of LFP
Intracellulair: veranderingen in membraanpotentiaal




2.5 PET EN fMRI
fMRI: functional magnetic resonance imaging
PET: positron emission tomography
- Overzicht maken van activiteit van heel de hersenen tijdens bepaalde taken
o Functionele beeldvorming
- Indirecte technieken om gevolg van een verandering van neurale activiteit te meten
o Effecten van bloedvoorziening meten
o Verhoogde neurale activiteit → verhoogde zuurstofnood → toegenomen bloedtoevoer
 Lage temporele (sec) en spatiale (mm) resolutie

PET-scan: regionale bloedtoevoer meten na injectie van radioactieve merker
 Lage spatiale resolutie
fMRI: verhouding meten tussen oxy (diamagnetisch) en deoxyhemoglobine (paramagnetisch)
- BOLD-signaal: blood oxygen level dependent
 Relatief goede spatiale resolutie, minder goede temporele resolutie

, 2.6 TMS EN tDCS
Transcraniele magnetische stimulatie = TMS
 Niet-invasieve manier die wordt gebruikt op gezonde vrijwilligers, waarbij
verandering in magnetische veldsterkte een stroom induceert
- Grote elektromagneet op schedel plaatsen
- Korte intense stroompuls genereren door spoel
- Magneetveld (door schedel tot diepte van 2cm): inductie van elektrische stroom in hersenen
o Transiente verandering van lokale neurale activiteit (kortdurende activatie)
 Goede temporele resolutie, geen fijne spatiale resolutie (enkel focaal en oppervlakkig bruikbaar met
activatieradius van 1cm)
Transcraniele direct current stimulation = tDCS
- Stroom tussen anode en cathode
- Anodale stimulatie: neuronen depolariseren en dus verhoogde excitabiliteit
- Kathodale stimulatie: verminderde neurale activiteit




2.7 OPTOGENETICA
Genen coderen voor lichtgevoelige eiwitten (ionenkanalen) inbrengen via virale vectoren
- Activeren van eiwitten via glasvezels/LED’s → lichtschakelaar
- Vb. channelrhodopsin of halorhodopsin
- Koppeling tussen vuren van specifieke neuronen en licht
- Selectief activeren of inactiveren van neuronen
 Hoge temporele en spatiale resolutie

Opmerking:
Invasieve registraties bij de mens:
- Vrij beperkt in de tijd: korte studies
- Vrij beperkt in de ruimte: locatie op basis van klinische indicaties bij epilepsie patienten
o Hoofdzakelijk mediaal temporaal

Stimulatie/inactivatie: causale verbanden
- Intracraniale elektrische microstimulatie: verbindingen tussen hersengebieden in kaart brengen en
causaal verband tussen activiteit in een hersengebied en gedrag
o Beide oplichtende gebieden: verbinding
- Reversiebele (chemische) inactivaties




HOOFDSTUK 3: SENSORIËLE CODERING
3.1 DE SENSORIËLE EENHEID
De sensoriele eenheid is het geheel gevormd door het sensoriele neuron van de eerste orde en de daarmee
verbonden receptoren
- Uitwendige energie die inwerkt op receptor omzetten naar reeks actiepotentialen
Functioneel indelen volgens gevoeligheid voor de soort energie:
- Mechanisch

, - Thermisch
- Chemisch
- Fotoreceptoren

Structureel indelen:
- Primaire sensoriele eenheid
o Bv vrije zenuwuiteinde
- Secundaire sensoriele eenheid: combinatie van receptorcel en neuron
o Bv auditieve receptoren
- Tertiaire sensoriele eenheid: receptorcellen, neuron en tussenliggende cel
o Bv de retina

3 structuren in sensoriele eenheid:
- Prereceptorstructuur: alles tussen de buitenwereld en de receptor
- Receptor: output is een receptorpotentiaal (langzame potentiaal)
o Amplitude is proportioneel aan inwerkende energie
o Geen drempel
o Summatie
- Receptorpotentiaal wordt omgezet in reeks actiepotentialen in axon, die doorgegeven wordt aan
volgende neuron
- Amplitudemodulatie wordt omgezet naar frequentie van actiepotentialen:
o Drempel
o Saturatie
o Relatieve refractaire periode

Stimulus: speciale energieverdeling die beperkt is in ruimte en tijd
Receptieve veld: deel van oppervlak van waaruit de sensoriele eenheid gestimuleerd kan worden
- Neuronen van hogere orde (ook inhibitorische gebieden): deel van receptoroppervlak van waaruit het
neuron kan worden beinvloed
Innervatiedensiteit: aantal sensoriele eenheden per oppervlakte-eenheid van het
receptoroppervlak
- Hoge innervatiedensiteit, hogere spatiale resolutie

Sensoriele eenheden coderen aspecten van sensoriele stimuli:
1. Modaliteit (soort energie)
 Labeled lines
Soort energie wordt gecodeerd door specificiteit van sensoriele eenheid (relatieve specificiteit van receptor)
Die wordt omgezet naar absolute specificiteit, door drempel van het neuron
 Activiteit van het neuron in de eerste orde duidt aan welke soort energie aanwezig is
 Elke receptor is gevoelig voor een beperkt bereik van stimulus energie (bandbreedte)
 Klassieke zintuigen + pijn, temperatuur, jeuk, proprioceptie en evenwicht
 Submodaliteiten: vb. smaakreceptoren die gevoelig zijn voor zout, zuur, zoet en bitter

2. Locatie
 Topografie
Plaats van inwerkende energie wordt gecodeerd door topografische organisatie van de sensoriele systemen
- Spatiale relaties tussen receptoren blijven bewaard in de kernen of banen van hogere orde