Hoofdstuk 1: Inleiding
1. Inleiding
– Zenuwstelsel = anatomisch en fysiologisch gediversifieerd geheel van neuronen
– Gedrag (waarneming, motoriek, emoties, motivaties, geheugen, aandacht): wordt verklaard door activiteit in zenuwstelsel
– Functie berust op verschillende niveaus van complexiteit
∙ Schakelingen tussen perifeer en centraal zenuwstelsel
∙ Schakelingen tussen neuronen onderling
∙ Diverse intrinsieke eigenschappen van individuele neuronen (elektrische en morfologische)
– Ten opzichte van andere organen: veel meer verschillende organisatie niveaus: het verstaan van cel functie ≠ verstaan
van orgaan (zoals bijvoorbeeld de lever)
Elke onderzoekstechniek heeft een welbepaalde range waarin deze werkt. Sommige onderzoeksmethoden zoals een patch clamp
kan gedurende langere tijd cellen onderzoeken, maar wel maar van beperkte grootte. Andere technieken zoals een fMRI, kan
meerdere grootte orden van cellen onderzoeken, maar slechts voor een beperkte tijd. Kortom, er is geen techniek die “perfect” is.
We dienen dus verschillende technieken te combineren om zo tot een optimaal resultaat de komen.
1
,2. Technieken om CNS te onderzoeken.
Examenvraag: je krijgt een fenomeen en je moet dan uitmaken met welke techniek je deze het best bestudeert.
Spatiale/ ruimtelijke resolutie: hoe goed is een onderzoeksmethode in het bepalen WAAR de activiteit plaatsvond.
Temporele resolutie: hoe goed is een onderzoeksmethode in het bepalen WANNEER de activiteit plaatsvond.
Een ideale techniek is er een met onbeperkte ruimtelijke en temporele resolutie. Bijvoorbeeld een techniek die activiteit van alle
neuronen (ongeveer een 100 miljard bij mens) tegelijkertijd registreert. Deze techniek is onbestaande waardoor we gebruik maken
van verschillende complementaire technieken:
– Electrische metingen
∙ Single unit recordings/ multi unit recordings/ local field potentials
∙ EEG (electroencephalografie)/ ERP (evoked response potentials)
∙ MEG (magnetoencephalografie)
∙ Electrische microstimulatie (artificieel stimuleren van een groep neuronen)
∙ Two-photon calcium imaging (GCaMP)
– Functionele Beeldvorming
∙ PET (Positron Emission Tomography):
∙ fMRI (functional Magnetic Resonance Imaging)
∙ Deoxyglucose
∙ Optical imaging
– Letsels: permanent / omkeerbare (chemisch; koeling; optogenetics)
– Histologie/tractografie: structuur cellen, gebieden, connecties tussen gebieden
– Moleculaire biologie
– Psychologie (gedrag, psychofysica)
2
,2.1. Elektrische metingen
2.1.1. Single unit recordings/ multi unit recordings/ local field potentials
2.1.1.1. Single unit recording
Single unit recording: meten wat één enkele cel in de hersenen doet:
– = DE basis techniek in hersenonderzoek
– Fijne draad wordt in hersenen gebracht
– Lokaal elektrisch veldje bij de generatie van iedere actiepotentiaal wordt gemeten
Voordelen:
– Goede temporele resolutie (milliseconden)
– Goede lokalisatie (spatiaal activiteit van 1 of meerdere cellen)
– Men kan afleiden gedurende enkele uren (soms meerdere dagen/weken bij chronisch geïmplanteerde elektroden)
– Bij wakkere dieren: correlatie met gedrag indien dier een taak uitvoert (bijvoorbeeld geheugen taak of aandachtstaak)
– Men kan parameter selectiviteit (tuning) meting voor de cellen (bijvoorbeeld oriëntatie selectiviteit):
∙ Voorbeeld 1: bepaalde neuronen reageren voor bepaalde kleuren en reageren dan weer niet bij andere kleuren. Zelfde
principe met vormen.
∙ Voorbeeld 2: bepaalde neuronen vertonen een hogere activiteit wanneer ze rechte lijn zien. Deze zijn dan minder actief
wanneer er een horizontale lijn gezien wordt.
Single-unit-afleidingen geven informatie over wat neuronen PRECIES doen onder bepaalde condities.
Functionele beeldvorming geeft enkel een indicatie of een gebied al of niet actief is.
Nadelen:
– Invasief (voornamelijk dier-onderzoek; soms bij patiënten)
– Gebrek aan ruimtelijk overzicht: slechts 1 of enkele cellen per keer, men weet niet (direct) wat op populatie niveau gebeurt
en wat op andere plaatsen plaats vindt: veel electrode-penetraties nodig.
– Patchclamp techniek: afleiding 1 neuron (intracellulair): meten specifieke membraan-eigenschappen (gebeurtenissen die
optreden VOOR een actiepotentiaal wordt gegenereerd bv. postsynaptische potentialen: bv. EPSP, IPSP)
2.1.1.2. Multi unit recording
Multi unit recording: meten wat een groepje van cellen doet.
2.1.1.3. Lokal field potentials
Local field potentials: meten wat honderden/duizenden neuronen doen.
Om deze metingen uit te voeren dient men in de hersenen te gaan. Je moet vlakbij of op de cellen om de activiteit te registreren
Men kan de gezamenlijke activiteit meten van groep cellen die synchroon actief zijn wel meten buiten de hersenen aangezien de
verschillende actiepotentialen dan opgeteld worden waardoor het signaal zodanig sterk is dat het buiten de schedel meetbaar is.
3
, 2.1.2. EEG of electroencephalografie/ ERP of evoked response potentials
2.1.2.1. EEG of electroencephalografie
Meten van potentiaalveranderingen buiten de hersenen. Piramidale cellen in hersenschors hebben allemaal gelijke oriëntatie.
Het gevolg hiervan is dat als ze allemaal tegelijk actief worden dat het magnetisch veld versterkt wordt. Hierdoor kan je het signaal
beter oppikken buiten de schedel.
2.1.2.2. ERP of evoked response potentials
Evoked response (ERP): meerdere keren dezelfde prikkel aanbieden. Bijvoorbeeld steeds hetzelfde geluidje aanbieden als een
auditief evocerend signaal met interval → je neemt pieken waar. Densiteit aantal sensoren is belangrijk. Als de cellen allemaal
tegelijk actief zijn, dan heb je een goede signaal-ruis verhouding.
4
1. Inleiding
– Zenuwstelsel = anatomisch en fysiologisch gediversifieerd geheel van neuronen
– Gedrag (waarneming, motoriek, emoties, motivaties, geheugen, aandacht): wordt verklaard door activiteit in zenuwstelsel
– Functie berust op verschillende niveaus van complexiteit
∙ Schakelingen tussen perifeer en centraal zenuwstelsel
∙ Schakelingen tussen neuronen onderling
∙ Diverse intrinsieke eigenschappen van individuele neuronen (elektrische en morfologische)
– Ten opzichte van andere organen: veel meer verschillende organisatie niveaus: het verstaan van cel functie ≠ verstaan
van orgaan (zoals bijvoorbeeld de lever)
Elke onderzoekstechniek heeft een welbepaalde range waarin deze werkt. Sommige onderzoeksmethoden zoals een patch clamp
kan gedurende langere tijd cellen onderzoeken, maar wel maar van beperkte grootte. Andere technieken zoals een fMRI, kan
meerdere grootte orden van cellen onderzoeken, maar slechts voor een beperkte tijd. Kortom, er is geen techniek die “perfect” is.
We dienen dus verschillende technieken te combineren om zo tot een optimaal resultaat de komen.
1
,2. Technieken om CNS te onderzoeken.
Examenvraag: je krijgt een fenomeen en je moet dan uitmaken met welke techniek je deze het best bestudeert.
Spatiale/ ruimtelijke resolutie: hoe goed is een onderzoeksmethode in het bepalen WAAR de activiteit plaatsvond.
Temporele resolutie: hoe goed is een onderzoeksmethode in het bepalen WANNEER de activiteit plaatsvond.
Een ideale techniek is er een met onbeperkte ruimtelijke en temporele resolutie. Bijvoorbeeld een techniek die activiteit van alle
neuronen (ongeveer een 100 miljard bij mens) tegelijkertijd registreert. Deze techniek is onbestaande waardoor we gebruik maken
van verschillende complementaire technieken:
– Electrische metingen
∙ Single unit recordings/ multi unit recordings/ local field potentials
∙ EEG (electroencephalografie)/ ERP (evoked response potentials)
∙ MEG (magnetoencephalografie)
∙ Electrische microstimulatie (artificieel stimuleren van een groep neuronen)
∙ Two-photon calcium imaging (GCaMP)
– Functionele Beeldvorming
∙ PET (Positron Emission Tomography):
∙ fMRI (functional Magnetic Resonance Imaging)
∙ Deoxyglucose
∙ Optical imaging
– Letsels: permanent / omkeerbare (chemisch; koeling; optogenetics)
– Histologie/tractografie: structuur cellen, gebieden, connecties tussen gebieden
– Moleculaire biologie
– Psychologie (gedrag, psychofysica)
2
,2.1. Elektrische metingen
2.1.1. Single unit recordings/ multi unit recordings/ local field potentials
2.1.1.1. Single unit recording
Single unit recording: meten wat één enkele cel in de hersenen doet:
– = DE basis techniek in hersenonderzoek
– Fijne draad wordt in hersenen gebracht
– Lokaal elektrisch veldje bij de generatie van iedere actiepotentiaal wordt gemeten
Voordelen:
– Goede temporele resolutie (milliseconden)
– Goede lokalisatie (spatiaal activiteit van 1 of meerdere cellen)
– Men kan afleiden gedurende enkele uren (soms meerdere dagen/weken bij chronisch geïmplanteerde elektroden)
– Bij wakkere dieren: correlatie met gedrag indien dier een taak uitvoert (bijvoorbeeld geheugen taak of aandachtstaak)
– Men kan parameter selectiviteit (tuning) meting voor de cellen (bijvoorbeeld oriëntatie selectiviteit):
∙ Voorbeeld 1: bepaalde neuronen reageren voor bepaalde kleuren en reageren dan weer niet bij andere kleuren. Zelfde
principe met vormen.
∙ Voorbeeld 2: bepaalde neuronen vertonen een hogere activiteit wanneer ze rechte lijn zien. Deze zijn dan minder actief
wanneer er een horizontale lijn gezien wordt.
Single-unit-afleidingen geven informatie over wat neuronen PRECIES doen onder bepaalde condities.
Functionele beeldvorming geeft enkel een indicatie of een gebied al of niet actief is.
Nadelen:
– Invasief (voornamelijk dier-onderzoek; soms bij patiënten)
– Gebrek aan ruimtelijk overzicht: slechts 1 of enkele cellen per keer, men weet niet (direct) wat op populatie niveau gebeurt
en wat op andere plaatsen plaats vindt: veel electrode-penetraties nodig.
– Patchclamp techniek: afleiding 1 neuron (intracellulair): meten specifieke membraan-eigenschappen (gebeurtenissen die
optreden VOOR een actiepotentiaal wordt gegenereerd bv. postsynaptische potentialen: bv. EPSP, IPSP)
2.1.1.2. Multi unit recording
Multi unit recording: meten wat een groepje van cellen doet.
2.1.1.3. Lokal field potentials
Local field potentials: meten wat honderden/duizenden neuronen doen.
Om deze metingen uit te voeren dient men in de hersenen te gaan. Je moet vlakbij of op de cellen om de activiteit te registreren
Men kan de gezamenlijke activiteit meten van groep cellen die synchroon actief zijn wel meten buiten de hersenen aangezien de
verschillende actiepotentialen dan opgeteld worden waardoor het signaal zodanig sterk is dat het buiten de schedel meetbaar is.
3
, 2.1.2. EEG of electroencephalografie/ ERP of evoked response potentials
2.1.2.1. EEG of electroencephalografie
Meten van potentiaalveranderingen buiten de hersenen. Piramidale cellen in hersenschors hebben allemaal gelijke oriëntatie.
Het gevolg hiervan is dat als ze allemaal tegelijk actief worden dat het magnetisch veld versterkt wordt. Hierdoor kan je het signaal
beter oppikken buiten de schedel.
2.1.2.2. ERP of evoked response potentials
Evoked response (ERP): meerdere keren dezelfde prikkel aanbieden. Bijvoorbeeld steeds hetzelfde geluidje aanbieden als een
auditief evocerend signaal met interval → je neemt pieken waar. Densiteit aantal sensoren is belangrijk. Als de cellen allemaal
tegelijk actief zijn, dan heb je een goede signaal-ruis verhouding.
4
