,Neurofysiologie
H2 Technieken om hersenfuncties te bestuderen
2.1 Inleiding
Technieken om hersenen te bestuderen hebben een specifieke spatiale en temporele resolutie
2.2 Letselstudies
• Laesies kunnen ontdekt worden via autopsie of beeldvormingstechnieken zoals CT en MRI
• Deze laesies worden gecorreleerd aan functieverlies in het brein
• Historische casussen zoals H.M., Leborgne en Phineas Gage illustreren dit principe
• Bij proefdieren kunnen selectieve letsels experimenteel
worden aangebracht via resectie, hitte of toxines zoals MPTP
• Tijdelijke en reversibele (in)activatie is mogelijk met
farmacologische injecties
• Muscimol (GABAA-agonist) veroorzaakt inhibitie van neuronen
• Bicuculline (GABAA-antagonist) veroorzaakt excitatie van neuronen
• Koeling kan ook gebruikt worden om hersengebieden tijdelijk te inactiveren
2.3 EEG en MEG
• EEG wordt klinisch gebruikt bij slaaponderzoek en epilepsiediagnose EEG (elektro-
—> Elektroden worden geplaatst op standaardposities op de schedel encephalografie) = niet
• Het meet microvolt-fluctuaties door elektrische activiteit van grote groepen neuronen (vooral neuronen in invasieve meting van
cortex dichtbij schedel dragen bij aan signaal, neuronen in sulci/diepere hersenkernen dragen weinig/niet bij) hersenactiviteit waarbij
—> Individuele neuronen dragen weinig bij aan het signaal elektrodes w aangebracht
• EEG-amplitude hangt af van synchroniciteit van neuronale activiteit op de scalp
—> Asynchrone activiteit geeft klein, onregelmatig signaal, synchrone activiteit geeft groot, regelmatig signaal —> timing van neuronale
activiteit is dus cruciaal
• Meerdere dipolen rond aanliggende neuronen veroorzaken een potentiaal meetbaar aan het oppervlak
—> EEG registreert activiteit van meerdere cm² cortex
• EEG heeft slechte spatiale maar hoge temporele resolutie
• Met EEG kunnen geëvoceerde potentialen (EP’s) worden gemeten door stimuli herhaald aan te bieden en de respons te middelen
, • MEG is een alternatieve niet-invasieve techniek met hoge temporele én spatiale resolutie
• MEG meet zwakke magnetische velden van miljoenen actieve neuronen
• MEG kan de bron van signalen beter lokaliseren dan EEG
• MEG meet vooral activiteit van piramidale neuronen in de sulci
2.4 Invasieve elektrode-registraties
• EEG-signalen kunnen ook intracranieel worden gemeten (iEEG) —> gebeurt met macro-elektroden op de
hersenschors (ECoG) of met diepte-elektroden
• Spikes zoals single-unit activity (SUA) en multi-unit activity (MUA) worden gemeten met EC micro-elektroden
—> Deze elektroden worden geplaatst in het hersenparenchym
• Registraties kunnen acuut of chronisch gebeuren —> kan via een enkele elektrode of via meerdere
(multi-)elektroden
• Lokale veldpotentialen (LFP) zijn in wezen lokale EEG-metingen binnen de hersenen —> geeft informatie over neuronale activiteit in een
gebied van enkele millimeters rond de elektrode
• LFP weerspiegelt gesynchroniseerde synaptische activiteit van naburige neuronen => het is een nuttige maat voor lokale netwerkactiviteit
2.5 PET en fMRI
• fMRI en PET zijn beeldvormingstechnieken met lage temporele resolutie (seconden), ze hebben een spatiale resolutie in de orde van
millimeters (de spatiale resolutie is beter dan EEG, maar slechter dan single-cell-registraties)
• Ze geven een overzicht van hersenactiviteit over het hele brein tijdens taken
• Het zijn indirecte technieken omdat ze veranderingen in bloedvoorziening meten
• Verhoogde neurale activiteit veroorzaakt verhoogde zuurstofnood en dus meer bloedtoevoer
• PET meet regionale bloedtoevoer via een geïnjecteerde radioactieve merker (PET heeft een eerder lage spatiale resolutie)
• fMRI meet het BOLD-signaal (Blood Oxygen Level Dependent)
—> Het BOLD-signaal hangt af van de verhouding tussen oxyhemoglobine (diamagnetisch) en deoxyhemoglobine (paramagnetisch)
—> Tijdens cognitieve taken wordt het BOLD-signaal per voxel berekend en vergeleken
• fMRI heeft een relatief goede spatiale resolutie, maar een minder goede temporele resolutie
2.6 TMS en tDCS
• Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is een niet-invasieve techniek toepasbaar bij
gezonde vrijwilligers
• Een verandering in magnetische veldsterkte induceert een elektrische stroom
• Een elektromagneet + spoel wordt op schedel geplaatst en genereert korte, intense stroompuls
—> Dit creëert een magneetveld dat tot 2 cm diep in de hersenen doordringt —> het induceert een elektrische stroom in onderliggend
hersenweefsel —> dit veroorzaakt een tijdelijke verandering in lokale neurale activiteit
• TMS heeft een goede temporele resolutie
• De spatiale resolutie is grof en de techniek is enkel focaal en oppervlakkig bruikbaar en de activatieradius bedraagt ongeveer 1 cm
• tDCS (transcraniële direct current stimulation) gebruikt zwakke gelijk-stoom tussen 2 elektroden op de hoofdhuid
,2.7 Optogenetica
• Via virale vectoren worden genen voor lichtgevoelige eiwitten in neuronen ingebracht
• Voorbeelden van zulke eiwitten zijn channelrhodopsin en halorhodopsin
• De eiwitten worden geactiveerd met licht via glasvezels of LED’s
• Hierdoor ontstaat een directe koppeling tussen lichtinval en neuronvuren
• Neuronen kunnen zo selectief geactiveerd of geïnactiveerd worden
• Dit laat toe om specifieke fysiologische of pathologische netwerken te bestuderen
• De techniek heeft een hoge temporele en hoge spatiale resolutie
,H3 Sensoriële codering
3.1 De sensoriële eenheid
Sensoriële eenheid = het geheel gevormd door het sensoriële neuron van de eerste orde en de daarmee verbonden receptoren
—> Functie: uitwendige energie (werkt in op receptor) omzetten in reeks APs
Indeling naargelang soort energie waarvoor ze gevoelig zijn: mechanisch, thermisch, chemisch, fororeceptoren
Bevat 3 structuren:
• Prereceptorstructuur: alles tussen buitenwereld en receptor
• Receptorpotentiaal: output van de receptor (langzame potentiaal)
—> Moet omgezet w in een reeks APs in het axon —> volgende neuron
• Amplitudo: proportioneel aan de inwerkende energie (geen drempel, wel summatie)
—> Amplitudomodulatie w omgezet in de frequentie van APs (wel drempel, wel saturatie en relatieve refractaire periode)
Stimulus = een speciale energieverdeling, beperkt in ruimte en tijd
Receptieve veld: deel vh receptoroppervlak waaruit de sensoriële
eenheid kan w gestimuleerd
—> Voor neuronen van hogere orde (knn ook inhibitorische gebieden
hebben): deel vh receptoroppervlak waaruit het beïnvloed wordt
Innervatiedensiteit = aantal sensoriële eenheden per opp eenheid
van het receptoroppervlak
—> Hoge innervatiedensiteit = hogere spatiale resolutie vh systeem
—> Veel sensoriële eenheden hebben een specialisatie: bepaalde delen
w densen bezenuwd dan andere
Sensoriële eenheden coderen bepaalde aspecten vd energiedistributie:
Codering van modaliteit: labeled lines
• Soort energie w gecodeerd door specificiteit vd sensoriële eenheid
—> Specificiteit w verkregen door relatieve specificiteit vd receptor die door de drempel vh
neuron w omgezet in een absolute specificiteit
—> Elke receptor is gevoelig voor een beperkt bereik van stimulus energie (bangbreedte)
—> Wet vd specifieke zenuwenergieën: activiteit in het neuron van de eerste orde aanduidt welke
soort energie aanwezig is
• Klassieke zintuigen + pijn, temperatuur, jeuk, proprioceptie en evenwicht
—> Submodaliteiten: vb zout, zuur, zoet en bitter
Codering van de locatie: topografie
• Plaats gecodeerd door de topografische organisatie: spatiale relaties tussen receptoren
blijven bewaard in de kernen of banen van hogere orde
• 3 systemen duidelijk topografisch georganiseerd: somatisch, auditief en visueel
, Codering van intensiteit:
• Gecodeerd in de frequentie van APs
—> Langzame receptorpotentiaal (verband tussen intensiteit vd energie en amplitude vd receptorpotentiaal) w omgezet in een aantal APs
• Ook gecodeerd door het aantal actieve neuronen
Codering van duur:
• Tijdsverloop gecodeerd door het variabele activiteitspatroon van bep receptoren
en neuronen
• Sensoriële eenheden kunnen adapteren: antwoord houdt op maar stimulus blijft
• Neuronen kunnen fasisch (totale adaptatie), tonisch (geen adaptatie) of fasico-
tonisch (vroeg fasisch, laat tonisch) zijn
—> Bij tonische neuronen even lange activatie als de duur van energieinwerking
H4 Het visueel systeem
• Groot belang bij allerlei taken: het zien en herkennen van voorwerpen in het gezichtsveld, houding, evenwicht, voortbeweging, fijne
motoriek, controle van de oogbewegingen, regelen van circadiaanse ritmen etc…
—> In cortex is visueel systeem het grootste van alle sensoriële systemen (resusaap 50% vd corticale gebieden, bij de mens 30% door
expansie van prefrontale cortex)
• Visuele stimuli kunnen goed w bepaald (kleur, lichtsterkte, contrast, snelheid en richting v beweging) —> ideaal onderwerp voor
neurochemische en neurofysiologische studie vd hersenen
• Embryologisch is retina deel vd hersenen —> veel informatieverwerking al thv de retina
4.1 Het oog
Licht
Licht = elektromagnetische straling die zichtbaar is met het oog
• Golflengte van licht: 400 nm (blauw) en 700 nm (rood)
• Licht kan reflectie (weerkaatsing), absorptie of refractie (afbuiging) ondergaan
—> In oog beelden gevormd door refractie (hangt af van vertraging vh licht tussen 2 media)
—> Als licht door lens passeert vormt het een geïnverteerd beeld dat L-R gespiegeld is
, Belangrijk: oog doet meer dan enkel passief lichtenergie omzetten in elektrische energie
—> Embryologisch is retina deel vd hersenen: heel wat informatieverwerking al in de retina
—> Visuele cortex krijgt al deels verwerkte informatie binnen
Retina bestaat uit 2 overlappende retina’s: retina gespecialiseerd voor nachtzicht (lage
lichtintensiteit) en een voor dagzicht (hoge lichtintensiteit)
Anatomie van het oog
• Uitwendig te herkennen: pupil, iris
(=regenboogvlies, met m sphincter
pupillae en m dilatator pupillae),
cornea (= hoornvlies,
doorschijnend deel vh oog, geen
bloedvaten, wel zenuwvezels),
sclera en uitwendige oogspieren
• Op doorsnede van het oog herkennen we: lens (opgehangen met dunne vezels aan ciliaire
spieren die kromming vd lens regelen (accomodatie)), voorste oogkamer met kamervocht en het
corpus vitreum met glasvocht tussen de lens en de retina
• Nervus opticus verlaat oog ad achterzijde, thv de papil
—> Blinde vlek hier door afwezigheid van receptoren op deze plaats
• Oogbewegingen door 3 paar extra-oculaire spieren
—> Primaten maken ongeveer 3 snelle oogbewegingen (saccades) per seconde —> uitgebreid systeem van corticale en subcorticale
structuren hiervoor
• Fovea: kleine inzinking, vormt het centrale deel van de retina (netvlies), de zone van hoge gezichtsscherpte
—> In visueel systeem bijna alles gerefereerd tov de fovea (receptieve velden, plaats van stimuli, effect van letsels…)
• Beeld door oftalmoscoop toont bloedvaten die uit de papil komen
—> Zowel thv vd papil als achter de grote bloedvaten komt geen visuele info binnen (geen fotoreceptoren, of door schaduw bloedvat)
—> Toch geen blinde regio’s: hersenen doen aan filling in
• Thv de macula weinig bloedvaten, in de fovea helemaal geen —> hoge gezichtsscherpte
Frequente oogaandoeningen:
• Strabismus: kan op jonge leeftijd aanleiding geven tot amblyopie (lui oog), verlies van acuïteit door centrale suppressie van het beeld
• Cataract: troebel w van de lens
• Glaucoom: chronisch verhoogde oogdruk —> afsterven axonen in n opticus
—> Vaak onopgemerkt, daarom screenen vanaf 40j
, Beeldvorming in het oog
• Lichtstralen vallen parallel in en w gebroken door de cornea —> convergeren op een
punt op de retina
• Afstand tussen brekingsoppervlak en punt van convergentie = focusafstand
—> Refractieve vermogen uitgedrukt in dioptrie (1/focusafstand)
• Breking van cornea is +42D —> lichtstralen convergeren op een afstand van 24mm
van het brekingsoppervlakte
• Breking van lens is +18D
—> Lichtbronnen dichter bij oog zenden divergerende stralen uit = moeten meer gebroken w
Alternatief om refractiestoornissen te
in het oog
corrigeren: LASIK
—> Beeldvorming in het oog door een convexe lens —> beeld staat omgekeerd op de retina
= laser assisted in situ keratomileusis
Accomodatie: lens kan bijkomende lichtbreking voorzien tot +32D door boller te worden • Onder lokale verdoving een
• Ciliaire spieren trekken samen —> minder spanning op ligamenten —> lens w boller corneaflap gemaakt
door natuurlijke elasticiteit • Laser brandt in het onderliggende
• Treedt samen op met convergentie van de ogen naar een punt dat dichterbij ligt stroma —> kromming van de oogbol
= accomodatie-convergentiesynkinese wordt aangepast
• Elasticiteit van de lens vermindert met leeftijd —> presbyopie
—> Als oogbol te lang: beelden w voor de retina geprojecteerd —> bijziendheid (myopie)
—> Als oogbol te kort: beelden w achter de retina geprojecteerd —> verziendheid
(hypermetropie)
• Oplossing: divergerende lens bij myopie en convergerende lens bij hypermetropie
• Pupilgrootte regelt hoeveelheid licht die binnenvalt
—> Vernauwing (miosis) en dilatatie (mydriasis) van de pupil
• Pupilreflex belangrijke test voor integriteit van hersenstam/craniale zenuwen te
testen bij comateuze pten
—> Verloopt onafhankelijk van de cortex
—> Loopt uit retina —> axonen van ganglioncellen takken af naar tractus opticus
—> pretectale kernen in hersenstam —> bilateraal naar de kernen van Edinger-
Westphal met hierin neuronen die spieren in iris bezenuwen via n oculomotorius
—> Reflex is consensueel: licht in het ene oog gaat naast ipsilaterale miosis ook in
andere oog miosis doen
—> Speelt ook rol in scherptediepte (focussen op vwpen op verschillende afstanden)
en bij corrigeren voor sferische abberaties (licht dat op randen van de lens vallen en
geen perfecte lichtbreking doen)
• Afwezige directe en indirecte pupilreflex kan wijzen op letsel vd efferente baan
(n oculomotorius) terwijl afferente baan intact is
,• Grootte van de stimulus (thv de retina) w uitgedrukt in visuele graden
—> 140 micron op retina komt overeen met hoek van 0.5 graden (dit
bijna nooit gebruikt want niet praktisch
—> Belangrijkste maat van het visueel systeem (in neurofysiologie en
oftalmologie): afmetingen knn w uitgedrukt onafhankelijk van de afstand tot
de waarnemer
• Belangrijke vuistregel: vwp van 1 cm groot op afstand van 57cm
projecteert onder een hoek van 1 visuele graad (1 deg = arctan (1/57))
—> Dus ook vwp van 2 cm groot op 114 cm is 1 visuele graad
• Visuele veld van 1 oog: bedraagt ongeveer 150 graden in horizontale vlak (kleiner aan nasale zijde dan temporale)
—> Groot deel vh visueel veld door 2 ogen gezien
Microscopische anatomie van de retina
• Retina gevormd door uitstulping van de hersenen —> fotoreceptoren en neuronale elementen (voor gedeeltelijke verwerking vd
visuele informatie)
• Axonen van ganglioncellen lopen in meest naar binnen gelegen laag vd retina naar de papil —> krijgen daar een myelineschede
en vormen de n opticus
• Retina bevat macroscopische een centrale zone, de gele vlek (macula lutea, met minder bloedvaatjes) met middenin een dunne
inzinking = fovea centralis
—> Binnenste lagen wijken uit naar lateraal en waar het centraal zicht projecteert (zone van maximale visuele acuïteit)
—> Vormt centrum van de retina, scheidt nasale-temporale en superieure-inferieure retina
• Papilla nervi optici = ovaal gebied zonder fotoreceptoren, vormen blinde vlek
• Visuele info w geleid van fotoreceptoren —> bipolaire cellen —> ganglioncellen
• Ook interneuronen: horizontale cellen (laterale synapsen tussen fotoreceptoren en bipolaire
cellen) en amacriene cellen (laterale synapsen tussen ganglioncellen en bipolaire cellen)
• Fotoreceptoren (bevatten sacculi met fotopigmentmoleculen) bestaan in 2 soorten
—> Staafjes: lang cilindrisch buitenste segment met talrijke sacculi en hogere conc fotopigment
—> Kegeltjes: korter buitenste segment met minder sacculi
=> Staafjes duizendmaal gevoeliger voor licht!
• Duplex retina met een scotopische (staafjesretina voor lage lichtintensiteiten) en een fotopische
(kegeltjesretina voor hogere lichtintensiteiten)
—> Als staafjes en kegeltjes actief zijn spreken we van mesopisch zicht
, Mechanismen voor centraal zicht hoge resolutie en perifere retina hoge gevoeligheid
• Kegeltjes komen vooral centraal (10 graden) voor, geen staafjes in fovea en perifeer
overwegen de staafjes
• Totale densiteit van receptoren neemt af met de afstand tot de fovea
• In fovea is ganglioncellaag lateraal verplaatst —> licht kan directer invallen op de
fotoreceptoren
• 2 ganglioncellen per kegeltje in de fovea (elke ganglioncel krijgt slechts info van 1
kegeltje) <—> 600 staafjes per ganglioncel perifeer
—> Aangezien alle info in hersenen van ganglioncellen komt leidt de sterke convergentie
van fotoreceptoren op ganglioncellen in de perifere retina tot lage gezichtsscherpte
—> In perifere retina zullen hersenen niet weten of licht meer links of rechts invalt omdat
dezelfde ganglioncel antwoordt
—> In centrale retina wel want dan reageren verschillende ganglioncellen
• Bijkomende factoren die bijdragen aan hogere gevoeligheid van staafjessysteem tov kegeltjes: hogere amplificatie tijdens transductieproces
en lagere temporele resolutie in de staafjes (waardoor langere integratietijd)
• Staafjessysteem heeft dus een hoge gevoeligheid, lage acuïteit (door convergentie
meerdere staafjes op 1 ganglioncel) en is achromatisch (aanwezigheid van 1 type
fotopigment)
• Kegeltjessysteem is minder gevoelig, hoge acuïteit (elke ganglioncel ontvangt info van 1
kegeltje) en is chromatisch (3 types fotopigment)
• Hoge gevoeligheid van perifere retina tov centrale retina aantonen door heldere ster
te fixeren en een zwakke ster in je perifeer gezichtsveld te zoeken —> als je dan
ernaar kijkt, valt de ster op je fovea met minder gevoeligheid en de ster verdwijnt
• Lagere acuïteit van perifere retina kan je tonen door te proberen letters te lezen
terwijl je naast het woord fixeert
Waarom is retina zo opgebouwd?
• In visuele cortex heel grote gebieden nodig om info van centraal zicht te analyseren en volume van hersenen is beperkt (door
diameter van de schedel)
• Organisatie van de retina heeft gevolgen voor organisatie van visuele cortex
• Als oplossing voor dit kleine gebied met scherp zicht —> systeem van snelle oogbewegingen, we scannen onze omgeving
voortdurend (3 oogbewegingen per seconde)
Spatiotemporele vermogen van het oog
Spatiale resolutie
• Spatiale resolutie = limiet van het spatiale vermogen,
gezichtsscherpte of acuïteit w gemeten als de kleinste afstand
tussen 2 lichtpunten die nog als verschillend w gezien
• W bepaald door: kwaliteit van lenzensysteem, densiteit van
receptoroppervlak en neuronale factor (mate van convergentie van
fotoreceptor op ganglioncel)
H2 Technieken om hersenfuncties te bestuderen
2.1 Inleiding
Technieken om hersenen te bestuderen hebben een specifieke spatiale en temporele resolutie
2.2 Letselstudies
• Laesies kunnen ontdekt worden via autopsie of beeldvormingstechnieken zoals CT en MRI
• Deze laesies worden gecorreleerd aan functieverlies in het brein
• Historische casussen zoals H.M., Leborgne en Phineas Gage illustreren dit principe
• Bij proefdieren kunnen selectieve letsels experimenteel
worden aangebracht via resectie, hitte of toxines zoals MPTP
• Tijdelijke en reversibele (in)activatie is mogelijk met
farmacologische injecties
• Muscimol (GABAA-agonist) veroorzaakt inhibitie van neuronen
• Bicuculline (GABAA-antagonist) veroorzaakt excitatie van neuronen
• Koeling kan ook gebruikt worden om hersengebieden tijdelijk te inactiveren
2.3 EEG en MEG
• EEG wordt klinisch gebruikt bij slaaponderzoek en epilepsiediagnose EEG (elektro-
—> Elektroden worden geplaatst op standaardposities op de schedel encephalografie) = niet
• Het meet microvolt-fluctuaties door elektrische activiteit van grote groepen neuronen (vooral neuronen in invasieve meting van
cortex dichtbij schedel dragen bij aan signaal, neuronen in sulci/diepere hersenkernen dragen weinig/niet bij) hersenactiviteit waarbij
—> Individuele neuronen dragen weinig bij aan het signaal elektrodes w aangebracht
• EEG-amplitude hangt af van synchroniciteit van neuronale activiteit op de scalp
—> Asynchrone activiteit geeft klein, onregelmatig signaal, synchrone activiteit geeft groot, regelmatig signaal —> timing van neuronale
activiteit is dus cruciaal
• Meerdere dipolen rond aanliggende neuronen veroorzaken een potentiaal meetbaar aan het oppervlak
—> EEG registreert activiteit van meerdere cm² cortex
• EEG heeft slechte spatiale maar hoge temporele resolutie
• Met EEG kunnen geëvoceerde potentialen (EP’s) worden gemeten door stimuli herhaald aan te bieden en de respons te middelen
, • MEG is een alternatieve niet-invasieve techniek met hoge temporele én spatiale resolutie
• MEG meet zwakke magnetische velden van miljoenen actieve neuronen
• MEG kan de bron van signalen beter lokaliseren dan EEG
• MEG meet vooral activiteit van piramidale neuronen in de sulci
2.4 Invasieve elektrode-registraties
• EEG-signalen kunnen ook intracranieel worden gemeten (iEEG) —> gebeurt met macro-elektroden op de
hersenschors (ECoG) of met diepte-elektroden
• Spikes zoals single-unit activity (SUA) en multi-unit activity (MUA) worden gemeten met EC micro-elektroden
—> Deze elektroden worden geplaatst in het hersenparenchym
• Registraties kunnen acuut of chronisch gebeuren —> kan via een enkele elektrode of via meerdere
(multi-)elektroden
• Lokale veldpotentialen (LFP) zijn in wezen lokale EEG-metingen binnen de hersenen —> geeft informatie over neuronale activiteit in een
gebied van enkele millimeters rond de elektrode
• LFP weerspiegelt gesynchroniseerde synaptische activiteit van naburige neuronen => het is een nuttige maat voor lokale netwerkactiviteit
2.5 PET en fMRI
• fMRI en PET zijn beeldvormingstechnieken met lage temporele resolutie (seconden), ze hebben een spatiale resolutie in de orde van
millimeters (de spatiale resolutie is beter dan EEG, maar slechter dan single-cell-registraties)
• Ze geven een overzicht van hersenactiviteit over het hele brein tijdens taken
• Het zijn indirecte technieken omdat ze veranderingen in bloedvoorziening meten
• Verhoogde neurale activiteit veroorzaakt verhoogde zuurstofnood en dus meer bloedtoevoer
• PET meet regionale bloedtoevoer via een geïnjecteerde radioactieve merker (PET heeft een eerder lage spatiale resolutie)
• fMRI meet het BOLD-signaal (Blood Oxygen Level Dependent)
—> Het BOLD-signaal hangt af van de verhouding tussen oxyhemoglobine (diamagnetisch) en deoxyhemoglobine (paramagnetisch)
—> Tijdens cognitieve taken wordt het BOLD-signaal per voxel berekend en vergeleken
• fMRI heeft een relatief goede spatiale resolutie, maar een minder goede temporele resolutie
2.6 TMS en tDCS
• Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is een niet-invasieve techniek toepasbaar bij
gezonde vrijwilligers
• Een verandering in magnetische veldsterkte induceert een elektrische stroom
• Een elektromagneet + spoel wordt op schedel geplaatst en genereert korte, intense stroompuls
—> Dit creëert een magneetveld dat tot 2 cm diep in de hersenen doordringt —> het induceert een elektrische stroom in onderliggend
hersenweefsel —> dit veroorzaakt een tijdelijke verandering in lokale neurale activiteit
• TMS heeft een goede temporele resolutie
• De spatiale resolutie is grof en de techniek is enkel focaal en oppervlakkig bruikbaar en de activatieradius bedraagt ongeveer 1 cm
• tDCS (transcraniële direct current stimulation) gebruikt zwakke gelijk-stoom tussen 2 elektroden op de hoofdhuid
,2.7 Optogenetica
• Via virale vectoren worden genen voor lichtgevoelige eiwitten in neuronen ingebracht
• Voorbeelden van zulke eiwitten zijn channelrhodopsin en halorhodopsin
• De eiwitten worden geactiveerd met licht via glasvezels of LED’s
• Hierdoor ontstaat een directe koppeling tussen lichtinval en neuronvuren
• Neuronen kunnen zo selectief geactiveerd of geïnactiveerd worden
• Dit laat toe om specifieke fysiologische of pathologische netwerken te bestuderen
• De techniek heeft een hoge temporele en hoge spatiale resolutie
,H3 Sensoriële codering
3.1 De sensoriële eenheid
Sensoriële eenheid = het geheel gevormd door het sensoriële neuron van de eerste orde en de daarmee verbonden receptoren
—> Functie: uitwendige energie (werkt in op receptor) omzetten in reeks APs
Indeling naargelang soort energie waarvoor ze gevoelig zijn: mechanisch, thermisch, chemisch, fororeceptoren
Bevat 3 structuren:
• Prereceptorstructuur: alles tussen buitenwereld en receptor
• Receptorpotentiaal: output van de receptor (langzame potentiaal)
—> Moet omgezet w in een reeks APs in het axon —> volgende neuron
• Amplitudo: proportioneel aan de inwerkende energie (geen drempel, wel summatie)
—> Amplitudomodulatie w omgezet in de frequentie van APs (wel drempel, wel saturatie en relatieve refractaire periode)
Stimulus = een speciale energieverdeling, beperkt in ruimte en tijd
Receptieve veld: deel vh receptoroppervlak waaruit de sensoriële
eenheid kan w gestimuleerd
—> Voor neuronen van hogere orde (knn ook inhibitorische gebieden
hebben): deel vh receptoroppervlak waaruit het beïnvloed wordt
Innervatiedensiteit = aantal sensoriële eenheden per opp eenheid
van het receptoroppervlak
—> Hoge innervatiedensiteit = hogere spatiale resolutie vh systeem
—> Veel sensoriële eenheden hebben een specialisatie: bepaalde delen
w densen bezenuwd dan andere
Sensoriële eenheden coderen bepaalde aspecten vd energiedistributie:
Codering van modaliteit: labeled lines
• Soort energie w gecodeerd door specificiteit vd sensoriële eenheid
—> Specificiteit w verkregen door relatieve specificiteit vd receptor die door de drempel vh
neuron w omgezet in een absolute specificiteit
—> Elke receptor is gevoelig voor een beperkt bereik van stimulus energie (bangbreedte)
—> Wet vd specifieke zenuwenergieën: activiteit in het neuron van de eerste orde aanduidt welke
soort energie aanwezig is
• Klassieke zintuigen + pijn, temperatuur, jeuk, proprioceptie en evenwicht
—> Submodaliteiten: vb zout, zuur, zoet en bitter
Codering van de locatie: topografie
• Plaats gecodeerd door de topografische organisatie: spatiale relaties tussen receptoren
blijven bewaard in de kernen of banen van hogere orde
• 3 systemen duidelijk topografisch georganiseerd: somatisch, auditief en visueel
, Codering van intensiteit:
• Gecodeerd in de frequentie van APs
—> Langzame receptorpotentiaal (verband tussen intensiteit vd energie en amplitude vd receptorpotentiaal) w omgezet in een aantal APs
• Ook gecodeerd door het aantal actieve neuronen
Codering van duur:
• Tijdsverloop gecodeerd door het variabele activiteitspatroon van bep receptoren
en neuronen
• Sensoriële eenheden kunnen adapteren: antwoord houdt op maar stimulus blijft
• Neuronen kunnen fasisch (totale adaptatie), tonisch (geen adaptatie) of fasico-
tonisch (vroeg fasisch, laat tonisch) zijn
—> Bij tonische neuronen even lange activatie als de duur van energieinwerking
H4 Het visueel systeem
• Groot belang bij allerlei taken: het zien en herkennen van voorwerpen in het gezichtsveld, houding, evenwicht, voortbeweging, fijne
motoriek, controle van de oogbewegingen, regelen van circadiaanse ritmen etc…
—> In cortex is visueel systeem het grootste van alle sensoriële systemen (resusaap 50% vd corticale gebieden, bij de mens 30% door
expansie van prefrontale cortex)
• Visuele stimuli kunnen goed w bepaald (kleur, lichtsterkte, contrast, snelheid en richting v beweging) —> ideaal onderwerp voor
neurochemische en neurofysiologische studie vd hersenen
• Embryologisch is retina deel vd hersenen —> veel informatieverwerking al thv de retina
4.1 Het oog
Licht
Licht = elektromagnetische straling die zichtbaar is met het oog
• Golflengte van licht: 400 nm (blauw) en 700 nm (rood)
• Licht kan reflectie (weerkaatsing), absorptie of refractie (afbuiging) ondergaan
—> In oog beelden gevormd door refractie (hangt af van vertraging vh licht tussen 2 media)
—> Als licht door lens passeert vormt het een geïnverteerd beeld dat L-R gespiegeld is
, Belangrijk: oog doet meer dan enkel passief lichtenergie omzetten in elektrische energie
—> Embryologisch is retina deel vd hersenen: heel wat informatieverwerking al in de retina
—> Visuele cortex krijgt al deels verwerkte informatie binnen
Retina bestaat uit 2 overlappende retina’s: retina gespecialiseerd voor nachtzicht (lage
lichtintensiteit) en een voor dagzicht (hoge lichtintensiteit)
Anatomie van het oog
• Uitwendig te herkennen: pupil, iris
(=regenboogvlies, met m sphincter
pupillae en m dilatator pupillae),
cornea (= hoornvlies,
doorschijnend deel vh oog, geen
bloedvaten, wel zenuwvezels),
sclera en uitwendige oogspieren
• Op doorsnede van het oog herkennen we: lens (opgehangen met dunne vezels aan ciliaire
spieren die kromming vd lens regelen (accomodatie)), voorste oogkamer met kamervocht en het
corpus vitreum met glasvocht tussen de lens en de retina
• Nervus opticus verlaat oog ad achterzijde, thv de papil
—> Blinde vlek hier door afwezigheid van receptoren op deze plaats
• Oogbewegingen door 3 paar extra-oculaire spieren
—> Primaten maken ongeveer 3 snelle oogbewegingen (saccades) per seconde —> uitgebreid systeem van corticale en subcorticale
structuren hiervoor
• Fovea: kleine inzinking, vormt het centrale deel van de retina (netvlies), de zone van hoge gezichtsscherpte
—> In visueel systeem bijna alles gerefereerd tov de fovea (receptieve velden, plaats van stimuli, effect van letsels…)
• Beeld door oftalmoscoop toont bloedvaten die uit de papil komen
—> Zowel thv vd papil als achter de grote bloedvaten komt geen visuele info binnen (geen fotoreceptoren, of door schaduw bloedvat)
—> Toch geen blinde regio’s: hersenen doen aan filling in
• Thv de macula weinig bloedvaten, in de fovea helemaal geen —> hoge gezichtsscherpte
Frequente oogaandoeningen:
• Strabismus: kan op jonge leeftijd aanleiding geven tot amblyopie (lui oog), verlies van acuïteit door centrale suppressie van het beeld
• Cataract: troebel w van de lens
• Glaucoom: chronisch verhoogde oogdruk —> afsterven axonen in n opticus
—> Vaak onopgemerkt, daarom screenen vanaf 40j
, Beeldvorming in het oog
• Lichtstralen vallen parallel in en w gebroken door de cornea —> convergeren op een
punt op de retina
• Afstand tussen brekingsoppervlak en punt van convergentie = focusafstand
—> Refractieve vermogen uitgedrukt in dioptrie (1/focusafstand)
• Breking van cornea is +42D —> lichtstralen convergeren op een afstand van 24mm
van het brekingsoppervlakte
• Breking van lens is +18D
—> Lichtbronnen dichter bij oog zenden divergerende stralen uit = moeten meer gebroken w
Alternatief om refractiestoornissen te
in het oog
corrigeren: LASIK
—> Beeldvorming in het oog door een convexe lens —> beeld staat omgekeerd op de retina
= laser assisted in situ keratomileusis
Accomodatie: lens kan bijkomende lichtbreking voorzien tot +32D door boller te worden • Onder lokale verdoving een
• Ciliaire spieren trekken samen —> minder spanning op ligamenten —> lens w boller corneaflap gemaakt
door natuurlijke elasticiteit • Laser brandt in het onderliggende
• Treedt samen op met convergentie van de ogen naar een punt dat dichterbij ligt stroma —> kromming van de oogbol
= accomodatie-convergentiesynkinese wordt aangepast
• Elasticiteit van de lens vermindert met leeftijd —> presbyopie
—> Als oogbol te lang: beelden w voor de retina geprojecteerd —> bijziendheid (myopie)
—> Als oogbol te kort: beelden w achter de retina geprojecteerd —> verziendheid
(hypermetropie)
• Oplossing: divergerende lens bij myopie en convergerende lens bij hypermetropie
• Pupilgrootte regelt hoeveelheid licht die binnenvalt
—> Vernauwing (miosis) en dilatatie (mydriasis) van de pupil
• Pupilreflex belangrijke test voor integriteit van hersenstam/craniale zenuwen te
testen bij comateuze pten
—> Verloopt onafhankelijk van de cortex
—> Loopt uit retina —> axonen van ganglioncellen takken af naar tractus opticus
—> pretectale kernen in hersenstam —> bilateraal naar de kernen van Edinger-
Westphal met hierin neuronen die spieren in iris bezenuwen via n oculomotorius
—> Reflex is consensueel: licht in het ene oog gaat naast ipsilaterale miosis ook in
andere oog miosis doen
—> Speelt ook rol in scherptediepte (focussen op vwpen op verschillende afstanden)
en bij corrigeren voor sferische abberaties (licht dat op randen van de lens vallen en
geen perfecte lichtbreking doen)
• Afwezige directe en indirecte pupilreflex kan wijzen op letsel vd efferente baan
(n oculomotorius) terwijl afferente baan intact is
,• Grootte van de stimulus (thv de retina) w uitgedrukt in visuele graden
—> 140 micron op retina komt overeen met hoek van 0.5 graden (dit
bijna nooit gebruikt want niet praktisch
—> Belangrijkste maat van het visueel systeem (in neurofysiologie en
oftalmologie): afmetingen knn w uitgedrukt onafhankelijk van de afstand tot
de waarnemer
• Belangrijke vuistregel: vwp van 1 cm groot op afstand van 57cm
projecteert onder een hoek van 1 visuele graad (1 deg = arctan (1/57))
—> Dus ook vwp van 2 cm groot op 114 cm is 1 visuele graad
• Visuele veld van 1 oog: bedraagt ongeveer 150 graden in horizontale vlak (kleiner aan nasale zijde dan temporale)
—> Groot deel vh visueel veld door 2 ogen gezien
Microscopische anatomie van de retina
• Retina gevormd door uitstulping van de hersenen —> fotoreceptoren en neuronale elementen (voor gedeeltelijke verwerking vd
visuele informatie)
• Axonen van ganglioncellen lopen in meest naar binnen gelegen laag vd retina naar de papil —> krijgen daar een myelineschede
en vormen de n opticus
• Retina bevat macroscopische een centrale zone, de gele vlek (macula lutea, met minder bloedvaatjes) met middenin een dunne
inzinking = fovea centralis
—> Binnenste lagen wijken uit naar lateraal en waar het centraal zicht projecteert (zone van maximale visuele acuïteit)
—> Vormt centrum van de retina, scheidt nasale-temporale en superieure-inferieure retina
• Papilla nervi optici = ovaal gebied zonder fotoreceptoren, vormen blinde vlek
• Visuele info w geleid van fotoreceptoren —> bipolaire cellen —> ganglioncellen
• Ook interneuronen: horizontale cellen (laterale synapsen tussen fotoreceptoren en bipolaire
cellen) en amacriene cellen (laterale synapsen tussen ganglioncellen en bipolaire cellen)
• Fotoreceptoren (bevatten sacculi met fotopigmentmoleculen) bestaan in 2 soorten
—> Staafjes: lang cilindrisch buitenste segment met talrijke sacculi en hogere conc fotopigment
—> Kegeltjes: korter buitenste segment met minder sacculi
=> Staafjes duizendmaal gevoeliger voor licht!
• Duplex retina met een scotopische (staafjesretina voor lage lichtintensiteiten) en een fotopische
(kegeltjesretina voor hogere lichtintensiteiten)
—> Als staafjes en kegeltjes actief zijn spreken we van mesopisch zicht
, Mechanismen voor centraal zicht hoge resolutie en perifere retina hoge gevoeligheid
• Kegeltjes komen vooral centraal (10 graden) voor, geen staafjes in fovea en perifeer
overwegen de staafjes
• Totale densiteit van receptoren neemt af met de afstand tot de fovea
• In fovea is ganglioncellaag lateraal verplaatst —> licht kan directer invallen op de
fotoreceptoren
• 2 ganglioncellen per kegeltje in de fovea (elke ganglioncel krijgt slechts info van 1
kegeltje) <—> 600 staafjes per ganglioncel perifeer
—> Aangezien alle info in hersenen van ganglioncellen komt leidt de sterke convergentie
van fotoreceptoren op ganglioncellen in de perifere retina tot lage gezichtsscherpte
—> In perifere retina zullen hersenen niet weten of licht meer links of rechts invalt omdat
dezelfde ganglioncel antwoordt
—> In centrale retina wel want dan reageren verschillende ganglioncellen
• Bijkomende factoren die bijdragen aan hogere gevoeligheid van staafjessysteem tov kegeltjes: hogere amplificatie tijdens transductieproces
en lagere temporele resolutie in de staafjes (waardoor langere integratietijd)
• Staafjessysteem heeft dus een hoge gevoeligheid, lage acuïteit (door convergentie
meerdere staafjes op 1 ganglioncel) en is achromatisch (aanwezigheid van 1 type
fotopigment)
• Kegeltjessysteem is minder gevoelig, hoge acuïteit (elke ganglioncel ontvangt info van 1
kegeltje) en is chromatisch (3 types fotopigment)
• Hoge gevoeligheid van perifere retina tov centrale retina aantonen door heldere ster
te fixeren en een zwakke ster in je perifeer gezichtsveld te zoeken —> als je dan
ernaar kijkt, valt de ster op je fovea met minder gevoeligheid en de ster verdwijnt
• Lagere acuïteit van perifere retina kan je tonen door te proberen letters te lezen
terwijl je naast het woord fixeert
Waarom is retina zo opgebouwd?
• In visuele cortex heel grote gebieden nodig om info van centraal zicht te analyseren en volume van hersenen is beperkt (door
diameter van de schedel)
• Organisatie van de retina heeft gevolgen voor organisatie van visuele cortex
• Als oplossing voor dit kleine gebied met scherp zicht —> systeem van snelle oogbewegingen, we scannen onze omgeving
voortdurend (3 oogbewegingen per seconde)
Spatiotemporele vermogen van het oog
Spatiale resolutie
• Spatiale resolutie = limiet van het spatiale vermogen,
gezichtsscherpte of acuïteit w gemeten als de kleinste afstand
tussen 2 lichtpunten die nog als verschillend w gezien
• W bepaald door: kwaliteit van lenzensysteem, densiteit van
receptoroppervlak en neuronale factor (mate van convergentie van
fotoreceptor op ganglioncel)
