NEUROFYSIOLOGIE
INLEIDING
・neuronen / hersencellen communiceren met elkaar door elektrische impulsen
↳ netwerkvorming via dendrieten (korte uitsteeksels) & axonen (lange uitsteeksels)
↳ maken contact met elkaar via synapsen
・impulsoverdracht
・binnen hersencellen: actiepotentiaal (elektrisch signaal)
・tussen hersencellen: neurotransmitters (chemisch signaal)
⟹ elektrisch signaal omgezet in chemisch signaal om eventueel activiteit te triggeren in post-
synaptische neuron (duurt enkele milliseconden)
・menselijk brein: ≈ 90 miljard neuronen
・elk neuron kan connecties maken met 10.000 andere neuronen → 1015 synapsen
・neuronen die vele synapsen verwijderd zijn van de receptor: veel complexer
↳ kunnen meer doen dan de neuronen lager in hiërargisch systeem (dichter bij receptor)
ZENUWSTELSEL
= anatomisch & fysiologisch gediversifieerd geheel van neuronen (+ gliacellen: supporterende cellen)
→ verklaart het gedrag (waarneming, motoriek, emoties, motivaties, geheugen, aandacht…)
・functie berust op verschillende niveaus van complexiteit:
・schakelingen tussen perifeer & centraals ZS
・schakelingen tussen neuronen onderling
・diverse intrinsieke eigenschappen van de vele verschillende soorten neuronen
(elektrische & morfologische)
・tov andere organen veel meer verschillende organisatie niveaus: het verstaan van celfunctie ≠ verstaan
van orgaan
VERSCHILLENDE ORGANISATIE NIVEAUS
・studie op elk niveau is belangrijk
・afwijking op gelijk welk niveau → stroring van hele systeem
,VERSCHILLENDE TECHNIEKEN OM DE VERSCHILLENDE NIVEAUS TE
ONDERZOEKEN
technieken ingedeeld obv:
・tijdsaspect (ondergrens is de resolutie)
・ruimtelijk aspect (ondergrens is de resolutie) + coverage: hvl vd hersenen tegelijkertijd gemeten kunnen
・invasiviteit
ideaal: techniek die alles kan meten met onbeperkte ruimtelijke & temporele resolutie (van zeer trage
naar zeer snelle events; van zeer kleine naar zeer grote structuren)
vb. techniek die activiteit van alle 90 miljard neuronen tegelijkertijd registreert
↳ bestaat niet ⟹ samenbrengen vd resultaten bekomen door verschillende technieken
ELEKTRISCHE METINGEN
= rechtstreekse metingen van veranderingen in lokaal elektrisch veld (depolarisatie, hyperpolarisatie)
⇒ snel
・CORRELATIONELE technieken
・zeer goede temporele resolutie (zeer snelle metingen)
・we weten echter niet precies wat de cellen aan het doen zijn
① SINGLE UNIT RECORDINGS
= dé basis techniek in hersenonderzoek: afleiden van activiteit van enkelvoudige cellen (meten van AP)
(techniek waarmee we het meeste te weten gekomen zijn over wat cellen op celniveau aan het doen zijn)
・fijne draad (elektrode) in hersenen extracellulair aangebracht vlakbij hersencellen (pijnloos, want
hersenen hebben zelf geen pijnreceptoren) geconnecteerd met versterkers
・lokale veranderingen in elektrisch veld bij de generatie van iedere AP wordt meten
・excellente temporele resolutie (milliseconden)
・zeer goede spatiale resolutie → heel goed weten wat 1 cel aan het doen is (spatiale activiteit)
・men kan meten gedurende enkele uren (soms meerdere dagen / weken bij chronisch geïmplanteerde
elektroden)
・bij wakkere dieren: correlatie met gedrag indien dier een taak uitvoert (vb. geheugentaak, discriminatie
taak, aandachtstaak…)
・probleem: hersenen niet stabiel in schedel (zitten in vocht) → bij hoofdbewegingen, ademen,
hartkloppen: hersenen bewegen in schedel ⟹ oplossing: hoofd fixeren → weinig bewegingen
・nadelen:
・invasief: vnl dieronderzoek, soms bij patiënten indien er toegang tot hersenen is (maar niet bij
normale gezonde proefpersonen)
,vnl epilepsiepatiënten die niet behandeld kunnen worden door medicatie: elektrodes voor een tijd
inplanten → uitzoeken welk stuk vd hersenen epilepsieaanvallen uitlokt & chirugisch wegnemen
・gebrek aan ruimtelijk overzicht (coverage): slechts 1 of enkele cellen per keer, men weet
niet direct wat op populatieniveau gebeurt & wat op andere plaatsen plaatsvindt ⟹ veel
elektrode penetraties nodig
・exact weten wat 1 cel doet: selectiviteit / tuning van cel bepalen onder bepaalde condities door het
aantal AP per sec te meten onder bepaalde condities (vb. ortiëntatie selectiviteit, vormselectiviteit…)
⟹ niet mogelijk met functionele beeldvorming: lage spatiale resolutie → geven enkel indicatie of een gebied actief /
niet actief is: activiteit van duizenden cellen & niet van 1 cel (1 meting van alle ≠ oriëntaties → gaat niet&)
→ selectiviteit kan niet gemeten worden
(two-photon calcium imaging (Ca²⁺ meting) kan dit wel)
vb.oriëntatieselectiviteit: hoogste activiteit bij verticale visuele stimulus
vb. vormselectiviteit: hoogste activiteit bij stervormige visuele stimulus
・Patch-clamp techniek: elektrode tot in cel aanbrengen (vast aan celwand) ⇒ intracellulaire
recordings: meten van specifieke membraaneigenschappen (weten wat er precies binnen cellen
gebeurt): gebeurtenissen vóór een AP, excitatorische / inhibitorische postsynaptische potentialen…
・enkelvoudige elektrode → info van slechts 1 neuron meten
・electrode arrays: vele elektrodes naast elkaar → vele enkelvoudige neuronen tegelijkertijd afleiden
② ELECTROENCEPHALOGRAFIE (EEG) & EVOKED RESPONSE POTENTIALS (ERP)
・meet de gezamenlijke activiteit van een groot aantal neuronen (die synchroon actief zijn)
・niet invasief, goedkoop, goede temporele resolutie, maar zeer geringe spatiale resolutie
・extra-craniaal: meerdere elektrodes buiten schedel + versterkers
・ERPs = gemiddelde van een EEG-signaal voor 1 bepaalde stimulus
↳ kan in elk domein: vb. Visual evoked potentials
・in hersenschors: grote neuronen met pyramidale structuur & waarvan axonen en dendrieten allemaal
in dezelfde richting lopen
・prikkel op receptoropp. → alle neuronen tegelijkertijd actief: lokale AP afgevuurd → extracellulaire
lokale veranderingen van elektrisch veld (heel klein): sterk genoeg om gemeten te worden door elektrode
op afstand
・indien slechts 1 neuron: kleine verandering in elektrisch veld kan niet gemeten worden door elektrode
op afstand
, ・elektrische signalen meten als de cellen random actief zijn → ruis
・elektrische signalen sumeren na aanbrengen van stimulus → specifiek patroon gelinkt aan stimulus
(gemiddelde signaal van collectie van neuronen)
③ MAGNETOENCEPHALOGRAFIE (MEG)
・meet verschillen in magnetische velden (zeer klein) gegenereerd door neurale activiteit
・duurder (specifieke scanner nodig), maar betere spatiale resolutie & zelfde temporele resolutie als EEG
・adhv gecombineerde signalen op alle MEG sensoren: regio met verhoogde activiteit bepalen (bij prikkel
& uitvoeren van actie)
FUNCTIONELE BEELDVORMING
= onrechtstreekse metingen van echte hersenactiviteit (meting van secundair gevolg vh afvoeren van AP)
⇒ traag
・CORRELATIONELE technieken
・meestal metingen van lokale doorbloeding vd hersenen: glucose + O₂ levert energie
neuronen hebben na het afvuren van AP energie nodig om de membraanpotentiaal te stabiliseren door de
pompen te regelen, neuronen hebben geen energieopslag → moeten energie uit bloedbaan halen
⇒ meten van verschil in O₂-gehalte, verschil in toevoer van bloedvolume & -debiet, ratio tussen
geoxygeneerd (O₂-rijk) & gedeoxygeneerd (O₂-arm) bloed
INLEIDING
・neuronen / hersencellen communiceren met elkaar door elektrische impulsen
↳ netwerkvorming via dendrieten (korte uitsteeksels) & axonen (lange uitsteeksels)
↳ maken contact met elkaar via synapsen
・impulsoverdracht
・binnen hersencellen: actiepotentiaal (elektrisch signaal)
・tussen hersencellen: neurotransmitters (chemisch signaal)
⟹ elektrisch signaal omgezet in chemisch signaal om eventueel activiteit te triggeren in post-
synaptische neuron (duurt enkele milliseconden)
・menselijk brein: ≈ 90 miljard neuronen
・elk neuron kan connecties maken met 10.000 andere neuronen → 1015 synapsen
・neuronen die vele synapsen verwijderd zijn van de receptor: veel complexer
↳ kunnen meer doen dan de neuronen lager in hiërargisch systeem (dichter bij receptor)
ZENUWSTELSEL
= anatomisch & fysiologisch gediversifieerd geheel van neuronen (+ gliacellen: supporterende cellen)
→ verklaart het gedrag (waarneming, motoriek, emoties, motivaties, geheugen, aandacht…)
・functie berust op verschillende niveaus van complexiteit:
・schakelingen tussen perifeer & centraals ZS
・schakelingen tussen neuronen onderling
・diverse intrinsieke eigenschappen van de vele verschillende soorten neuronen
(elektrische & morfologische)
・tov andere organen veel meer verschillende organisatie niveaus: het verstaan van celfunctie ≠ verstaan
van orgaan
VERSCHILLENDE ORGANISATIE NIVEAUS
・studie op elk niveau is belangrijk
・afwijking op gelijk welk niveau → stroring van hele systeem
,VERSCHILLENDE TECHNIEKEN OM DE VERSCHILLENDE NIVEAUS TE
ONDERZOEKEN
technieken ingedeeld obv:
・tijdsaspect (ondergrens is de resolutie)
・ruimtelijk aspect (ondergrens is de resolutie) + coverage: hvl vd hersenen tegelijkertijd gemeten kunnen
・invasiviteit
ideaal: techniek die alles kan meten met onbeperkte ruimtelijke & temporele resolutie (van zeer trage
naar zeer snelle events; van zeer kleine naar zeer grote structuren)
vb. techniek die activiteit van alle 90 miljard neuronen tegelijkertijd registreert
↳ bestaat niet ⟹ samenbrengen vd resultaten bekomen door verschillende technieken
ELEKTRISCHE METINGEN
= rechtstreekse metingen van veranderingen in lokaal elektrisch veld (depolarisatie, hyperpolarisatie)
⇒ snel
・CORRELATIONELE technieken
・zeer goede temporele resolutie (zeer snelle metingen)
・we weten echter niet precies wat de cellen aan het doen zijn
① SINGLE UNIT RECORDINGS
= dé basis techniek in hersenonderzoek: afleiden van activiteit van enkelvoudige cellen (meten van AP)
(techniek waarmee we het meeste te weten gekomen zijn over wat cellen op celniveau aan het doen zijn)
・fijne draad (elektrode) in hersenen extracellulair aangebracht vlakbij hersencellen (pijnloos, want
hersenen hebben zelf geen pijnreceptoren) geconnecteerd met versterkers
・lokale veranderingen in elektrisch veld bij de generatie van iedere AP wordt meten
・excellente temporele resolutie (milliseconden)
・zeer goede spatiale resolutie → heel goed weten wat 1 cel aan het doen is (spatiale activiteit)
・men kan meten gedurende enkele uren (soms meerdere dagen / weken bij chronisch geïmplanteerde
elektroden)
・bij wakkere dieren: correlatie met gedrag indien dier een taak uitvoert (vb. geheugentaak, discriminatie
taak, aandachtstaak…)
・probleem: hersenen niet stabiel in schedel (zitten in vocht) → bij hoofdbewegingen, ademen,
hartkloppen: hersenen bewegen in schedel ⟹ oplossing: hoofd fixeren → weinig bewegingen
・nadelen:
・invasief: vnl dieronderzoek, soms bij patiënten indien er toegang tot hersenen is (maar niet bij
normale gezonde proefpersonen)
,vnl epilepsiepatiënten die niet behandeld kunnen worden door medicatie: elektrodes voor een tijd
inplanten → uitzoeken welk stuk vd hersenen epilepsieaanvallen uitlokt & chirugisch wegnemen
・gebrek aan ruimtelijk overzicht (coverage): slechts 1 of enkele cellen per keer, men weet
niet direct wat op populatieniveau gebeurt & wat op andere plaatsen plaatsvindt ⟹ veel
elektrode penetraties nodig
・exact weten wat 1 cel doet: selectiviteit / tuning van cel bepalen onder bepaalde condities door het
aantal AP per sec te meten onder bepaalde condities (vb. ortiëntatie selectiviteit, vormselectiviteit…)
⟹ niet mogelijk met functionele beeldvorming: lage spatiale resolutie → geven enkel indicatie of een gebied actief /
niet actief is: activiteit van duizenden cellen & niet van 1 cel (1 meting van alle ≠ oriëntaties → gaat niet&)
→ selectiviteit kan niet gemeten worden
(two-photon calcium imaging (Ca²⁺ meting) kan dit wel)
vb.oriëntatieselectiviteit: hoogste activiteit bij verticale visuele stimulus
vb. vormselectiviteit: hoogste activiteit bij stervormige visuele stimulus
・Patch-clamp techniek: elektrode tot in cel aanbrengen (vast aan celwand) ⇒ intracellulaire
recordings: meten van specifieke membraaneigenschappen (weten wat er precies binnen cellen
gebeurt): gebeurtenissen vóór een AP, excitatorische / inhibitorische postsynaptische potentialen…
・enkelvoudige elektrode → info van slechts 1 neuron meten
・electrode arrays: vele elektrodes naast elkaar → vele enkelvoudige neuronen tegelijkertijd afleiden
② ELECTROENCEPHALOGRAFIE (EEG) & EVOKED RESPONSE POTENTIALS (ERP)
・meet de gezamenlijke activiteit van een groot aantal neuronen (die synchroon actief zijn)
・niet invasief, goedkoop, goede temporele resolutie, maar zeer geringe spatiale resolutie
・extra-craniaal: meerdere elektrodes buiten schedel + versterkers
・ERPs = gemiddelde van een EEG-signaal voor 1 bepaalde stimulus
↳ kan in elk domein: vb. Visual evoked potentials
・in hersenschors: grote neuronen met pyramidale structuur & waarvan axonen en dendrieten allemaal
in dezelfde richting lopen
・prikkel op receptoropp. → alle neuronen tegelijkertijd actief: lokale AP afgevuurd → extracellulaire
lokale veranderingen van elektrisch veld (heel klein): sterk genoeg om gemeten te worden door elektrode
op afstand
・indien slechts 1 neuron: kleine verandering in elektrisch veld kan niet gemeten worden door elektrode
op afstand
, ・elektrische signalen meten als de cellen random actief zijn → ruis
・elektrische signalen sumeren na aanbrengen van stimulus → specifiek patroon gelinkt aan stimulus
(gemiddelde signaal van collectie van neuronen)
③ MAGNETOENCEPHALOGRAFIE (MEG)
・meet verschillen in magnetische velden (zeer klein) gegenereerd door neurale activiteit
・duurder (specifieke scanner nodig), maar betere spatiale resolutie & zelfde temporele resolutie als EEG
・adhv gecombineerde signalen op alle MEG sensoren: regio met verhoogde activiteit bepalen (bij prikkel
& uitvoeren van actie)
FUNCTIONELE BEELDVORMING
= onrechtstreekse metingen van echte hersenactiviteit (meting van secundair gevolg vh afvoeren van AP)
⇒ traag
・CORRELATIONELE technieken
・meestal metingen van lokale doorbloeding vd hersenen: glucose + O₂ levert energie
neuronen hebben na het afvuren van AP energie nodig om de membraanpotentiaal te stabiliseren door de
pompen te regelen, neuronen hebben geen energieopslag → moeten energie uit bloedbaan halen
⇒ meten van verschil in O₂-gehalte, verschil in toevoer van bloedvolume & -debiet, ratio tussen
geoxygeneerd (O₂-rijk) & gedeoxygeneerd (O₂-arm) bloed
