Neurofysiologie
= studie vd werking van neuronen (zenuwstelsel)
- CZS: hersenen (grote en kleine), hersenstam en ruggenmerg
- PZS (= gemengd)
o Sensorisch: input naar CZS
o Motorisch: output van CZS
o Autonoom: werking organen, klieren, bloedvaten, spijsvertering, ademhaling
- Hersenen produceren gedrag
o Prikkels uit omgeving of intern: opgevangen door receptoren (zicht, smaak, reuk, gehoor, tast) –> sensatie
o Hersenen verwerken (deel van) deze informatie (intergratie) –> perceptie
o Motor output: interactie met omgeving
Inleiding
Algemene inleiding
Hoe werking van de hersenen bestuderen?
- Cel theorie: wat is de functie van een cel (cel = basiseenheid van levende organismen)
Nissl kleuring: celkernen en Nissl lichamen rond kern van neuronen –> geen kleuring
van ganse zenuwcel (eiwitten kleuren, axonen moeilijker)
Nissl lichaampje = ophoping van RER, zorgt voor synthetiseren en overbrengen van
eiwitten
Golgi-kleuring: cellichamen, dendrieten en axonen (zilvernitraat slaat neer op
hersencellen)
visualisatie synaps mbv electronen microscopie
a. Presynaps
b. Synaps
c. postsynaps
- Neuron doctrine: neuronen zijn de anatomische en fysiologische basiseenheid vh zenuwstelsel –> werking vd
ray,
hersenen is terug te brengen tot elektrische activiteit van neuronen
- Reductionisme: kan gedrag begrepe worden door uitgebreide kennis van 1/enkele neuronen
- Werking vd hersenen vloeit voort uit
1. Intrinsieke eig van neuronen (moleculair, elektrisch, morfologisch)
2. Schakelingen van neuronen met:
▪ Periferie: receptor-epithelen (huid, netvlies, …)
▪ Effectororganen (spieren, klieren, …)
▪ Andere neuronen –> belang van netwerken en connecties (‘bedrading’) tss hersengebieden
bij zoogdieren: bedrading is uniek per individu, niet gedicteerd door genoom
- Volledig connectoom (alle connecties van neuronen) in kaart gebracht van gezonde personen –> doel: diagnose van
hersenaandoeningen/stoornissen obv afwijkend hersennetwerk, mog gerichte therapie/medicatie
- Gliacellen: belangrijke rol in werking en ondersteuning hersenen (volledige rol onbekend)
o Glia = lijm: houdt neuronen bij elkaar waardoor ze kunnen communiceren
o Astrocyten: energiemetabolisme van neuronen + regulatie erking synapsen
Communicatie dmv Ca golven zichtbaar met voltage-gevoelige
kleurstoffen (optical imaging)
o Microglia (MF): imuunrespons
o Oligodendrocyten: geleiding actiepotentialen
o Ependymcellen: productie hersenvocht
Complexiteit hersenen
- Enorme structurele en functionele diversiteit (meer celtypes id hersenen dan in andere organen)
- Veel niveaus id organisatie vd hersenen
o Niet alle neuronen kunnen alle info verwerken –> opsplitsing in gebieden met elks eigen functies
o Alle gebieden wel verbonden met elkaar om info uit te wisselen
- Algemeen thema in biologie: gen –> structuur –> functie
1
, Verschillende niveaus organisatie zenuwstelsel
- CNS –> systemen –> mappen –> netwerken –> neuronen –> synapsen –> moleculen
- Studie van elk niveau is belangrijk: afwijking op elk niveau geeft storing vh hele systeem
- Hersenaandoeningen/stoornissen meestal te wijten aan veranderingen op meerdere niveaus (complex)
- Technieken: psychofysica (gedrag), functionele beeldvorming (systeem niveau), celafleidingen, moleculaire biologische
technieken
Indeling neurofysiologische onderzoekstechnieken
- Structuur (anatomie of connecties tussen gebieden (witte stof banen) vs functie (werking)
- Directe meting neuronale activiteit: actiepotentialen (spikes, adh hiervan weten wat neuronen doen), 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
- Meting met hoge vs lage spatiale resolutie (nauwkeurigheid tot locatie)
- Meting hoge vs lage temporale resolutie (nauwkeurigheid tot tijd)
- Correlatie (verband) vs causatie (oorzakelijk verband)
- Mens vs proefdier
Magnetische Resonantie Beeldvorming (MRI)
- Onderscheid tss verschillende weefsels: grijze stof, witte stof, CSV, bloedvaten
- Diffusiemetingen (DTI, DSI): verbindingen tss gebieden (witte stof banen)
Witte stof banen (niet-invasief)
Bloedvaten Densiteit vd protonen - Rood: links-rechts
- Groen: voor-achter
- Blauw: diepte
Track-tracing technieken (invasief)
Wat geeft de info door?
Stof inspuiten
Transport via axonen Cellen labelen
Vanwaar wordt de info verkregen
Zwarte puntjes: gebieden die info
krijgen van gebied waar inspuiting
(spur) plaatsvond
2
,Diffusie meting mbv MRI: diffusion tensor imaging (DTI)
- Meten van verplaatsing van watermoleculen (diffusie) in verschillende richtingen in elke voxel
- Fractionele anisotropie (FA): 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
Water beweegt makkelijker mee id richting vg axon en niet
loodrecht, anders botsen deze tegen de wand –> richting vh water is
wss de richting vd witte stof banen. Als de watermoleculen in alle
richtingen even gemakkelijk beweegt is er wss geen witte stof baan.
- Stroomlijnen berekenen vanuit een bep startgebied
- Laat toe om conclusies te trekken over richting vd informatieflow
- Laat niet toe om meerdere kruisende bundels per voxels van elkaar te onderscheiden (wel met DSI)
- Belangrijk: diffusie metingen geven slechts bij benadering een idee over de onderliggende connectiviteit: veel vals neg
(bestaande connecties niet mappen) en vals pos (niet bestaande connecties mappen)
Spatiale en temporale resolutie onderzoekstechnieken
- Indeling obv
o Tijd (abscissa): ondergrens = resolutie, bovengrens = experimenteertijd
o Ruimte (ordinaat): ondergrens = resolutie, bovengrens = overzicht
Assen zijn logaritmisch: grootteorde in sec en mm
o Invasiviteit
- Electrofysiologie: extra-cellulaire afleidingen van neuronen
o Dunne microelektrode meet het elektrisch veldje buiten de cel (single cell
recordings) –> actiepotentialen (spikes) vs local field potentials (LFP’s)
o Elektrode blijft buiten cel: geen beschadiging –> neuron kan vaak langdurig bestudeerd worden
o Kan ook in wakkere dieren of (uitzonderlijk) in mens: actieve taken
o Zeer goede temporele en spatiale resolutie
o Slechts 1 of enkele cellen tegelijkertijd te bestuderen met simpelere enkelvoudige elektrodes (maar ook
versies met vele recording sites, bv. Neuropixels)
o Sampling bias: vnl grotere, meer actieve neuronen
- Multi-unit electrodes: gelijktijdig registreren van single units (honderden neuronen tegelijkertijd meten)
- Electrofysiologie: intra-cellulaire afleidingen
o Glazen micropipette (scherp of patch-clamp): membraan langs buiten opzuigen (cel gaat na een tijd dood)
o In-vitro (geïsoleerde cellen, hersenplakjes) of in-vivo
o Toegang tot intracellulair milieu
o Informatie over output (actiepotentialen) en input (postsynaptische potentialen, PSPs)
o Informatie over teken van inputs (excitatorische of inhibitorische potentialen, EPSPs of IPSPs)
o Studie van geïsoleerde ionenkanalen: belangrijk voor begrijpen aandoeningen tgv defecte ion-kanalen
(neurologische, cardiovasculaire, immunologische, endocriene, respiratorische aandoeningen, enz.)
o Zeer goede temporele en spatiale resolutie
o Beschadiging cel, beperkt in tijd MEG
- Massapotentialen: electroencefalografie (EEG), magnetoencefalografie (MGC)
o Meting van kleine elektrische of magnetische veldjes thv de schedelhuid
o Niet invasief (toepasbaar bij mens en kind)
o EEG: relatief eenvoudig en goedkoop
o Zeer grote populaties van neuronen dienen samen actief te
zijn om meetbare potentiaal te genereren: geen informatie
wat individuele cellen doen
o Signaal voornamelijk van oppervlakkige corticale lagen EEG
o Povere ruimtelijke resolutie: zeer moeilijk om te weten waar generatoren liggen: source localization
probleem –> combineren met technieken met betere ruimtelijke resolutie (bv EEG/fMRI)
o Tgv schedel zijn de elektrische signalen thv de externe elektrodes zwak
o Betere signalen bij elektrodes die onder de schedel zijn geplaatst (ECOG, diepte-elektrodes)
3
, - Invasieve metingen bij mens: electro-corticogram (ECOG), celafleidingen
o Wegens ethische redenen, alleen mog in zeer beperkte gevallen (behandeling van epilepsie, motorische
aandoeningen zoals essentiële tremor, …)
o Diepte-elektroden: zowel stimulatie (input elektrische stroompjes) als celafleidingen (lokalisatie targets,
inzicht id pathofysiologische mechanismen, brain-machine interfaces) –> goede spatiale resolutie
o Oppervlakte-elektroden: grid boven (epidural) of onder (subduraal) de dura mater (elektroden niet
rechtstreeks id hersenen)
o Gedurende beperkte tijd kan data opgenomen worden bij patienten
o Belangrijk: geen normale hersenen, lokatie waarvan geregistreerd kan worden, wordt bepaald door
aandoening patient
Diepte-elektroden Opp-elektoden
Roland et al.,
- Brain-machine interfaces (BMI, BCI)
o Doel: signalen uitlezen uit hersenen of signalen vervoeren id hersenen
o Meestal in klinsche context op bep medisch probleem (bind, doof, verlamming) (deels) op te lossen
o Bv: bep vorm van verlamdheid waarbij probleem niet bij de hersenen ligt, maar bij weg naar spieren
(beschadigde motorische banen)
o Invasieve celafleidingen bij mensen met tetraplegie: aansturen van eigen/robotarm via signalen
o Deep brain stimulation (DBS) bij ziekte van Parkinson (elektroden remmen hersenactiviteit)
Functionele beeldvorlingstechnieken
- Sommige technieken laten toe om neuronale activiteit indirect te meten dankzij verband tss:
o Neuronale activiteit en metabolisme (glucose, O2): neuro-metabole koppeling
▪ Link tss activiteit neuronen (actiepotentialen, synaps) en energiemetabolisme (nood aan glucose,
O2 tgv verhoogd energieverbruik) –> toenemen neurale activiteit = toenemen GLU en O2
▪ Parameters in bloed meten: meting vd metabole veranderingen laat toe om veranderingen in
neurale activiteit te meten
o Neuronale activiteit en hemodynamische respons: neuro-vasculaire koppeling (verandering vd parameters
ih bloed meten)
- Positron Emission Tomography (PET)
o Inspuiten laag-radioactieve stoffen met kort halfleven (radio-isotopen C11, F18, N13,O15 = radiotracers)
gebonden aan bep moleculen, bv. glucose: Fluorodeoxyglucose (FDG)
o Emissie van positronen: combinatie met electronen in weefsel genereert fotonen (gamma stralen) die
gedetecteerd worden
o Overzicht vd ganse hersenen, maar slechte spatiale en temporale resolutie
o Invasief: radiotracers, beperkt aantal metingen mog
o Steeds vergelijken tss 2 condities (ziek vs gezond)
o Hoge kostprijs, on-site cyclotron nodig voor tracers met korte halfwaardetijd
4
= studie vd werking van neuronen (zenuwstelsel)
- CZS: hersenen (grote en kleine), hersenstam en ruggenmerg
- PZS (= gemengd)
o Sensorisch: input naar CZS
o Motorisch: output van CZS
o Autonoom: werking organen, klieren, bloedvaten, spijsvertering, ademhaling
- Hersenen produceren gedrag
o Prikkels uit omgeving of intern: opgevangen door receptoren (zicht, smaak, reuk, gehoor, tast) –> sensatie
o Hersenen verwerken (deel van) deze informatie (intergratie) –> perceptie
o Motor output: interactie met omgeving
Inleiding
Algemene inleiding
Hoe werking van de hersenen bestuderen?
- Cel theorie: wat is de functie van een cel (cel = basiseenheid van levende organismen)
Nissl kleuring: celkernen en Nissl lichamen rond kern van neuronen –> geen kleuring
van ganse zenuwcel (eiwitten kleuren, axonen moeilijker)
Nissl lichaampje = ophoping van RER, zorgt voor synthetiseren en overbrengen van
eiwitten
Golgi-kleuring: cellichamen, dendrieten en axonen (zilvernitraat slaat neer op
hersencellen)
visualisatie synaps mbv electronen microscopie
a. Presynaps
b. Synaps
c. postsynaps
- Neuron doctrine: neuronen zijn de anatomische en fysiologische basiseenheid vh zenuwstelsel –> werking vd
ray,
hersenen is terug te brengen tot elektrische activiteit van neuronen
- Reductionisme: kan gedrag begrepe worden door uitgebreide kennis van 1/enkele neuronen
- Werking vd hersenen vloeit voort uit
1. Intrinsieke eig van neuronen (moleculair, elektrisch, morfologisch)
2. Schakelingen van neuronen met:
▪ Periferie: receptor-epithelen (huid, netvlies, …)
▪ Effectororganen (spieren, klieren, …)
▪ Andere neuronen –> belang van netwerken en connecties (‘bedrading’) tss hersengebieden
bij zoogdieren: bedrading is uniek per individu, niet gedicteerd door genoom
- Volledig connectoom (alle connecties van neuronen) in kaart gebracht van gezonde personen –> doel: diagnose van
hersenaandoeningen/stoornissen obv afwijkend hersennetwerk, mog gerichte therapie/medicatie
- Gliacellen: belangrijke rol in werking en ondersteuning hersenen (volledige rol onbekend)
o Glia = lijm: houdt neuronen bij elkaar waardoor ze kunnen communiceren
o Astrocyten: energiemetabolisme van neuronen + regulatie erking synapsen
Communicatie dmv Ca golven zichtbaar met voltage-gevoelige
kleurstoffen (optical imaging)
o Microglia (MF): imuunrespons
o Oligodendrocyten: geleiding actiepotentialen
o Ependymcellen: productie hersenvocht
Complexiteit hersenen
- Enorme structurele en functionele diversiteit (meer celtypes id hersenen dan in andere organen)
- Veel niveaus id organisatie vd hersenen
o Niet alle neuronen kunnen alle info verwerken –> opsplitsing in gebieden met elks eigen functies
o Alle gebieden wel verbonden met elkaar om info uit te wisselen
- Algemeen thema in biologie: gen –> structuur –> functie
1
, Verschillende niveaus organisatie zenuwstelsel
- CNS –> systemen –> mappen –> netwerken –> neuronen –> synapsen –> moleculen
- Studie van elk niveau is belangrijk: afwijking op elk niveau geeft storing vh hele systeem
- Hersenaandoeningen/stoornissen meestal te wijten aan veranderingen op meerdere niveaus (complex)
- Technieken: psychofysica (gedrag), functionele beeldvorming (systeem niveau), celafleidingen, moleculaire biologische
technieken
Indeling neurofysiologische onderzoekstechnieken
- Structuur (anatomie of connecties tussen gebieden (witte stof banen) vs functie (werking)
- Directe meting neuronale activiteit: actiepotentialen (spikes, adh hiervan weten wat neuronen doen), 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
- Meting met hoge vs lage spatiale resolutie (nauwkeurigheid tot locatie)
- Meting hoge vs lage temporale resolutie (nauwkeurigheid tot tijd)
- Correlatie (verband) vs causatie (oorzakelijk verband)
- Mens vs proefdier
Magnetische Resonantie Beeldvorming (MRI)
- Onderscheid tss verschillende weefsels: grijze stof, witte stof, CSV, bloedvaten
- Diffusiemetingen (DTI, DSI): verbindingen tss gebieden (witte stof banen)
Witte stof banen (niet-invasief)
Bloedvaten Densiteit vd protonen - Rood: links-rechts
- Groen: voor-achter
- Blauw: diepte
Track-tracing technieken (invasief)
Wat geeft de info door?
Stof inspuiten
Transport via axonen Cellen labelen
Vanwaar wordt de info verkregen
Zwarte puntjes: gebieden die info
krijgen van gebied waar inspuiting
(spur) plaatsvond
2
,Diffusie meting mbv MRI: diffusion tensor imaging (DTI)
- Meten van verplaatsing van watermoleculen (diffusie) in verschillende richtingen in elke voxel
- Fractionele anisotropie (FA): 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
Water beweegt makkelijker mee id richting vg axon en niet
loodrecht, anders botsen deze tegen de wand –> richting vh water is
wss de richting vd witte stof banen. Als de watermoleculen in alle
richtingen even gemakkelijk beweegt is er wss geen witte stof baan.
- Stroomlijnen berekenen vanuit een bep startgebied
- Laat toe om conclusies te trekken over richting vd informatieflow
- Laat niet toe om meerdere kruisende bundels per voxels van elkaar te onderscheiden (wel met DSI)
- Belangrijk: diffusie metingen geven slechts bij benadering een idee over de onderliggende connectiviteit: veel vals neg
(bestaande connecties niet mappen) en vals pos (niet bestaande connecties mappen)
Spatiale en temporale resolutie onderzoekstechnieken
- Indeling obv
o Tijd (abscissa): ondergrens = resolutie, bovengrens = experimenteertijd
o Ruimte (ordinaat): ondergrens = resolutie, bovengrens = overzicht
Assen zijn logaritmisch: grootteorde in sec en mm
o Invasiviteit
- Electrofysiologie: extra-cellulaire afleidingen van neuronen
o Dunne microelektrode meet het elektrisch veldje buiten de cel (single cell
recordings) –> actiepotentialen (spikes) vs local field potentials (LFP’s)
o Elektrode blijft buiten cel: geen beschadiging –> neuron kan vaak langdurig bestudeerd worden
o Kan ook in wakkere dieren of (uitzonderlijk) in mens: actieve taken
o Zeer goede temporele en spatiale resolutie
o Slechts 1 of enkele cellen tegelijkertijd te bestuderen met simpelere enkelvoudige elektrodes (maar ook
versies met vele recording sites, bv. Neuropixels)
o Sampling bias: vnl grotere, meer actieve neuronen
- Multi-unit electrodes: gelijktijdig registreren van single units (honderden neuronen tegelijkertijd meten)
- Electrofysiologie: intra-cellulaire afleidingen
o Glazen micropipette (scherp of patch-clamp): membraan langs buiten opzuigen (cel gaat na een tijd dood)
o In-vitro (geïsoleerde cellen, hersenplakjes) of in-vivo
o Toegang tot intracellulair milieu
o Informatie over output (actiepotentialen) en input (postsynaptische potentialen, PSPs)
o Informatie over teken van inputs (excitatorische of inhibitorische potentialen, EPSPs of IPSPs)
o Studie van geïsoleerde ionenkanalen: belangrijk voor begrijpen aandoeningen tgv defecte ion-kanalen
(neurologische, cardiovasculaire, immunologische, endocriene, respiratorische aandoeningen, enz.)
o Zeer goede temporele en spatiale resolutie
o Beschadiging cel, beperkt in tijd MEG
- Massapotentialen: electroencefalografie (EEG), magnetoencefalografie (MGC)
o Meting van kleine elektrische of magnetische veldjes thv de schedelhuid
o Niet invasief (toepasbaar bij mens en kind)
o EEG: relatief eenvoudig en goedkoop
o Zeer grote populaties van neuronen dienen samen actief te
zijn om meetbare potentiaal te genereren: geen informatie
wat individuele cellen doen
o Signaal voornamelijk van oppervlakkige corticale lagen EEG
o Povere ruimtelijke resolutie: zeer moeilijk om te weten waar generatoren liggen: source localization
probleem –> combineren met technieken met betere ruimtelijke resolutie (bv EEG/fMRI)
o Tgv schedel zijn de elektrische signalen thv de externe elektrodes zwak
o Betere signalen bij elektrodes die onder de schedel zijn geplaatst (ECOG, diepte-elektrodes)
3
, - Invasieve metingen bij mens: electro-corticogram (ECOG), celafleidingen
o Wegens ethische redenen, alleen mog in zeer beperkte gevallen (behandeling van epilepsie, motorische
aandoeningen zoals essentiële tremor, …)
o Diepte-elektroden: zowel stimulatie (input elektrische stroompjes) als celafleidingen (lokalisatie targets,
inzicht id pathofysiologische mechanismen, brain-machine interfaces) –> goede spatiale resolutie
o Oppervlakte-elektroden: grid boven (epidural) of onder (subduraal) de dura mater (elektroden niet
rechtstreeks id hersenen)
o Gedurende beperkte tijd kan data opgenomen worden bij patienten
o Belangrijk: geen normale hersenen, lokatie waarvan geregistreerd kan worden, wordt bepaald door
aandoening patient
Diepte-elektroden Opp-elektoden
Roland et al.,
- Brain-machine interfaces (BMI, BCI)
o Doel: signalen uitlezen uit hersenen of signalen vervoeren id hersenen
o Meestal in klinsche context op bep medisch probleem (bind, doof, verlamming) (deels) op te lossen
o Bv: bep vorm van verlamdheid waarbij probleem niet bij de hersenen ligt, maar bij weg naar spieren
(beschadigde motorische banen)
o Invasieve celafleidingen bij mensen met tetraplegie: aansturen van eigen/robotarm via signalen
o Deep brain stimulation (DBS) bij ziekte van Parkinson (elektroden remmen hersenactiviteit)
Functionele beeldvorlingstechnieken
- Sommige technieken laten toe om neuronale activiteit indirect te meten dankzij verband tss:
o Neuronale activiteit en metabolisme (glucose, O2): neuro-metabole koppeling
▪ Link tss activiteit neuronen (actiepotentialen, synaps) en energiemetabolisme (nood aan glucose,
O2 tgv verhoogd energieverbruik) –> toenemen neurale activiteit = toenemen GLU en O2
▪ Parameters in bloed meten: meting vd metabole veranderingen laat toe om veranderingen in
neurale activiteit te meten
o Neuronale activiteit en hemodynamische respons: neuro-vasculaire koppeling (verandering vd parameters
ih bloed meten)
- Positron Emission Tomography (PET)
o Inspuiten laag-radioactieve stoffen met kort halfleven (radio-isotopen C11, F18, N13,O15 = radiotracers)
gebonden aan bep moleculen, bv. glucose: Fluorodeoxyglucose (FDG)
o Emissie van positronen: combinatie met electronen in weefsel genereert fotonen (gamma stralen) die
gedetecteerd worden
o Overzicht vd ganse hersenen, maar slechte spatiale en temporale resolutie
o Invasief: radiotracers, beperkt aantal metingen mog
o Steeds vergelijken tss 2 condities (ziek vs gezond)
o Hoge kostprijs, on-site cyclotron nodig voor tracers met korte halfwaardetijd
4
