Anouk Antonissen
Thema 5: The Neural Basis of Memory and Memory Disorders
Literatuur:
- Gluck et al. (2007) pp. 72-78.
- Gluck et al. (2007) pp. 102-118.
- Maguire et al. (2006).
- Radvansky (2011). Chapters 16 (pp. 318-335) and 17 (pp. 336-349).
Studievragen:
1. Name some important characteristics of Alzheimer’s disease.
2. What brain structures are involved in spatial memory?
Gluck, M.A., Mercado, E., & Myers, C.E. (2007). The neuroscience of learning and memory (chapter 2, only
the part on ‘Synaptic plasticity’). In Learning and memory: From brain to behavior (pp. 72-78). New York, NY:
Worth.
Synaptische Plasticiteit
Het leren van informatie kan leiden tot talrijke fysieke veranderingen in een neuron. De meest makkelijk
observeerbare veranderingen betrekken wijzigingen in de vorm of de grootte van de cel, maar er kunnen
ook veranderingen zijn in ondersteunende structuren (zoals de gliacellen, of de bloedsomloop).
- Al deze fysieke veranderingen kunnen beïnvloeden hoe neuronen communiceren, en hoe systemen van
het brein functioneren
Echter, geheugenonderzoekers focussen vooral op het begrijpen van synaptic plasticity (= het vermogen
van synapsen om te veranderen als resultaat van ervaring).
Het idee dat connecties tussen neuronen veranderen tijdens het leren, werd populair gemaakt door Santiago
Ramón y Cajal, een beroemde Spaanse anatomist. Op dezelfde tijd heeft een Italiaanse wetenschapper een
nieuwe techniek bedacht: The Golgi Stain Een klein gedeelte van hersenweefsel wordt behandeld met
een oplossing van zilverchromaat, en een klein gedeelte van de neuronen (random) nemen dit op.
- Hierdoor kunnen er foto’s gemaakt worden van het brein, waar neurale structuur tot in de details te zien
is. De neuronen zijn zo op elkaar gepakt in de hersenen, dat als zij de oplossing allemaal zouden
opnemen, de gehele foto zwart zou zijn!
Cajal kon door deze nieuwe techniek verder onderzoek doen. Hieruit concludeerde hij dat neuronen elkaar
niet daadwerkelijk aanraken, maar dat deze op een andere manier met elkaar communiceren, namelijk op
gespecialiseerde kruispunten genaamd synapsen. Ook concludeerde Cajal dat leren veranderingen in de
synapsen veroorzaakt, het versterken of verzwakken van het vermogen om berichten van het ene neuron
naar het andere neuron te sturen.
Maar hoe weet het brein welke connecties versterkt moeten worden en welke verzwakt? Een belangrijk punt
in de neurowetenschap kwam vanuit Hebb Zijn basisidee was dat neuronen die samen vuren, ook
samenhangen (fire together, wire together).
- Meer formeel besproken, stel we hebben twee neuronen (A en B). Zij vuren vaak op hetzelfde moment,
dus de synaps tussen hen zou sterker moeten zijn, waardoor deze neuronen beter samenhangen
(wiring). Dit vergroot de mogelijkheid dat wanneer neuron A geactiveerd wordt, dit ook leidt tot activatie
van neuron B, in de toekomst.
Volgens Hebb, kunnen neuronen hun synaptische connecties automatisch veranderen, als een functie van
de wederzijdse activiteit. We weten vandaag de dag dat Hebb op de goede weg zat mijn zijn theorieën,
maar het duurde nog vele jaren voordat de technologie ver genoeg was voor een student om de eerste
persoon te zijn om ervaring gerelateerde verandering te zien in neuronale activiteit.
1
, Anouk Antonissen
Long Term Potentiation
Begin 1960 deed Lømo onderzoek naar twee neuronen die een synaps deelden. Hij wilde een
stimulerende elektrode in het presynaptische neuron (neuron A) voegen, en een opname elektrode in het
post synaptische neuron (neuron B).
- Vervolgens stimuleert hij neuron A en neemt hij de respons in neuron B op. Tot Lømo’s verassing leidde
de hoge frequentie stimulatie van neuron A, ook tot een blijvende verandering in neuron B (zodat neuron
B zou overreageren op latere, zwakke stimulatie van A. Deze verandering kon uren duren).
- Voorbeeld: Stel je jongere broertje is je de hele week al aan het plagen, en je reageert er de hele tijd niet
op. Dan is de woede op een gegeven moment een beetje opgebouwd, en wanneer hij echt iets
vervelends zegt, ontplof je dan. Als hij dan binnen een paar minuten weer iets vervelends zegt, terwijl je
nog niet bent afgekoeld, kan je weer ontploffen. De eerste boosheid heeft de reactie naar een zwakke
respons versterkt (= potentiated).
o Zo werkt het ook met neuronen. Een sterke stimulatie kan een neuron versterken, waardoor het
waarschijnlijker zal reageren op elke volgende stimulus. Dit effect, waarin synaptische transmissie
meer effectief wordt als een resultaat van recente activiteit, wordt long-term potentiation (LTP)
genoemd.
Lømo was de eerste die deze verandering liet zien. Sinds die tijd is LTP een van de meest bestudeerde
fenomenen in de neurowetenschap.
- Het begon met het experimenteren in de hippocampus van een konijn, maar verder onderzoek heeft
aangetoond dat het in veel meer brein regionen voorkomt. Ook bleek dat de elektrische stimulatie van het
presynaptische neuron niet per se nodig was, zo lang het presynaptische neuron en het post synaptische
neuron tegelijkertijd geactiveerd zijn, kan er LTP optreden.
Sommige vormen van LTP hebben alleen effect op de synaps tussen twee co actieve neuronen, en andere
synapsen op hetzelfde post synaptische neuron (die niet actief waren op hetzelfde moment) veranderen dan
niet.
- Dit type van LTP, wordt associative LTP genoemd. Dit biedt een manier waarin specifieke synapsen
veranderen als resultaat van gezamenlijke (= conjoint) activatie.
In andere woorden: “neurons that fire together, wire together” net zoals Hebb al eerder had gezegd.
How is LTP Implemented in a Neuron?
Er zijn nog veel vragen over wat er nu precies gebeurd in een neuron tijdens een LTP. Er kunnen ten minste
drie afzonderlijke componenten zijn:
1) Post synaptische receptoren kunnen veranderen waardoor zij meer ontvankelijk zijn voor verdere
input. Dit zou betekenen dat neuron A opnieuw vuurt, waardoor er neurotransmitters in de synaps
vrijkomen, neuron B heeft een verhoogde sensitiviteit voor die neurotransmitter, waardoor er een
versterkte respons plaatsvindt.
2) Een tweede component van LTP kan het presynaptisch neuron veranderen. Dit idee is nog
controversieel, omdat het nog niet duidelijk is hoe signalen achteruit kunnen reizen over de synaps. Het
kan dat er een soort van chemische (retrograde messenger) vrijgelaten wordt door het post synaptische
neuron dat zich verspreid over de synapsen en de hoeveelheid neurotransmitters die worden vrijgelaten
in de toekomst, verhoogd. Ook dit zou betekenen dat het vuren van neuron A leidt tot een versterkte
respons in neuron B.
3) De presynaptische en post synaptische veranderingen komen voor binnen een paar minuten, en
kunnen urenlang aanhouden. Daarom geloven onderzoekers op het moment dat er een derde
component van LTP is die plaatsvindt over meerdere uren en die een leven lang kan duren. Dit zou
structurele veranderingen van het post synaptische neuron erbij betrokken. De details hiervan zijn echter
onduidelijk.
What is de Relationship of LTP and Learning?
In de originele experimenten was LTP niet geassocieerd met leren of geheugenprocessen. Zo ver is het
beste bewijs dat LTP aan het geheugen linkt, van studies die aantonen dat:
- Drugs die LTP blokkeren het leervermogen van dieren kan aantasten
- Ratten die genetisch gemodificeerd zijn om sterkere LTP te tonen, ook beter kunnen leren dan normale
ratten.
Echter, een significante minderheid van onderzoekers blijft niet overtuigd dat een linkt van LTP naar leren en
geheugen, echt is bewezen.
2
Thema 5: The Neural Basis of Memory and Memory Disorders
Literatuur:
- Gluck et al. (2007) pp. 72-78.
- Gluck et al. (2007) pp. 102-118.
- Maguire et al. (2006).
- Radvansky (2011). Chapters 16 (pp. 318-335) and 17 (pp. 336-349).
Studievragen:
1. Name some important characteristics of Alzheimer’s disease.
2. What brain structures are involved in spatial memory?
Gluck, M.A., Mercado, E., & Myers, C.E. (2007). The neuroscience of learning and memory (chapter 2, only
the part on ‘Synaptic plasticity’). In Learning and memory: From brain to behavior (pp. 72-78). New York, NY:
Worth.
Synaptische Plasticiteit
Het leren van informatie kan leiden tot talrijke fysieke veranderingen in een neuron. De meest makkelijk
observeerbare veranderingen betrekken wijzigingen in de vorm of de grootte van de cel, maar er kunnen
ook veranderingen zijn in ondersteunende structuren (zoals de gliacellen, of de bloedsomloop).
- Al deze fysieke veranderingen kunnen beïnvloeden hoe neuronen communiceren, en hoe systemen van
het brein functioneren
Echter, geheugenonderzoekers focussen vooral op het begrijpen van synaptic plasticity (= het vermogen
van synapsen om te veranderen als resultaat van ervaring).
Het idee dat connecties tussen neuronen veranderen tijdens het leren, werd populair gemaakt door Santiago
Ramón y Cajal, een beroemde Spaanse anatomist. Op dezelfde tijd heeft een Italiaanse wetenschapper een
nieuwe techniek bedacht: The Golgi Stain Een klein gedeelte van hersenweefsel wordt behandeld met
een oplossing van zilverchromaat, en een klein gedeelte van de neuronen (random) nemen dit op.
- Hierdoor kunnen er foto’s gemaakt worden van het brein, waar neurale structuur tot in de details te zien
is. De neuronen zijn zo op elkaar gepakt in de hersenen, dat als zij de oplossing allemaal zouden
opnemen, de gehele foto zwart zou zijn!
Cajal kon door deze nieuwe techniek verder onderzoek doen. Hieruit concludeerde hij dat neuronen elkaar
niet daadwerkelijk aanraken, maar dat deze op een andere manier met elkaar communiceren, namelijk op
gespecialiseerde kruispunten genaamd synapsen. Ook concludeerde Cajal dat leren veranderingen in de
synapsen veroorzaakt, het versterken of verzwakken van het vermogen om berichten van het ene neuron
naar het andere neuron te sturen.
Maar hoe weet het brein welke connecties versterkt moeten worden en welke verzwakt? Een belangrijk punt
in de neurowetenschap kwam vanuit Hebb Zijn basisidee was dat neuronen die samen vuren, ook
samenhangen (fire together, wire together).
- Meer formeel besproken, stel we hebben twee neuronen (A en B). Zij vuren vaak op hetzelfde moment,
dus de synaps tussen hen zou sterker moeten zijn, waardoor deze neuronen beter samenhangen
(wiring). Dit vergroot de mogelijkheid dat wanneer neuron A geactiveerd wordt, dit ook leidt tot activatie
van neuron B, in de toekomst.
Volgens Hebb, kunnen neuronen hun synaptische connecties automatisch veranderen, als een functie van
de wederzijdse activiteit. We weten vandaag de dag dat Hebb op de goede weg zat mijn zijn theorieën,
maar het duurde nog vele jaren voordat de technologie ver genoeg was voor een student om de eerste
persoon te zijn om ervaring gerelateerde verandering te zien in neuronale activiteit.
1
, Anouk Antonissen
Long Term Potentiation
Begin 1960 deed Lømo onderzoek naar twee neuronen die een synaps deelden. Hij wilde een
stimulerende elektrode in het presynaptische neuron (neuron A) voegen, en een opname elektrode in het
post synaptische neuron (neuron B).
- Vervolgens stimuleert hij neuron A en neemt hij de respons in neuron B op. Tot Lømo’s verassing leidde
de hoge frequentie stimulatie van neuron A, ook tot een blijvende verandering in neuron B (zodat neuron
B zou overreageren op latere, zwakke stimulatie van A. Deze verandering kon uren duren).
- Voorbeeld: Stel je jongere broertje is je de hele week al aan het plagen, en je reageert er de hele tijd niet
op. Dan is de woede op een gegeven moment een beetje opgebouwd, en wanneer hij echt iets
vervelends zegt, ontplof je dan. Als hij dan binnen een paar minuten weer iets vervelends zegt, terwijl je
nog niet bent afgekoeld, kan je weer ontploffen. De eerste boosheid heeft de reactie naar een zwakke
respons versterkt (= potentiated).
o Zo werkt het ook met neuronen. Een sterke stimulatie kan een neuron versterken, waardoor het
waarschijnlijker zal reageren op elke volgende stimulus. Dit effect, waarin synaptische transmissie
meer effectief wordt als een resultaat van recente activiteit, wordt long-term potentiation (LTP)
genoemd.
Lømo was de eerste die deze verandering liet zien. Sinds die tijd is LTP een van de meest bestudeerde
fenomenen in de neurowetenschap.
- Het begon met het experimenteren in de hippocampus van een konijn, maar verder onderzoek heeft
aangetoond dat het in veel meer brein regionen voorkomt. Ook bleek dat de elektrische stimulatie van het
presynaptische neuron niet per se nodig was, zo lang het presynaptische neuron en het post synaptische
neuron tegelijkertijd geactiveerd zijn, kan er LTP optreden.
Sommige vormen van LTP hebben alleen effect op de synaps tussen twee co actieve neuronen, en andere
synapsen op hetzelfde post synaptische neuron (die niet actief waren op hetzelfde moment) veranderen dan
niet.
- Dit type van LTP, wordt associative LTP genoemd. Dit biedt een manier waarin specifieke synapsen
veranderen als resultaat van gezamenlijke (= conjoint) activatie.
In andere woorden: “neurons that fire together, wire together” net zoals Hebb al eerder had gezegd.
How is LTP Implemented in a Neuron?
Er zijn nog veel vragen over wat er nu precies gebeurd in een neuron tijdens een LTP. Er kunnen ten minste
drie afzonderlijke componenten zijn:
1) Post synaptische receptoren kunnen veranderen waardoor zij meer ontvankelijk zijn voor verdere
input. Dit zou betekenen dat neuron A opnieuw vuurt, waardoor er neurotransmitters in de synaps
vrijkomen, neuron B heeft een verhoogde sensitiviteit voor die neurotransmitter, waardoor er een
versterkte respons plaatsvindt.
2) Een tweede component van LTP kan het presynaptisch neuron veranderen. Dit idee is nog
controversieel, omdat het nog niet duidelijk is hoe signalen achteruit kunnen reizen over de synaps. Het
kan dat er een soort van chemische (retrograde messenger) vrijgelaten wordt door het post synaptische
neuron dat zich verspreid over de synapsen en de hoeveelheid neurotransmitters die worden vrijgelaten
in de toekomst, verhoogd. Ook dit zou betekenen dat het vuren van neuron A leidt tot een versterkte
respons in neuron B.
3) De presynaptische en post synaptische veranderingen komen voor binnen een paar minuten, en
kunnen urenlang aanhouden. Daarom geloven onderzoekers op het moment dat er een derde
component van LTP is die plaatsvindt over meerdere uren en die een leven lang kan duren. Dit zou
structurele veranderingen van het post synaptische neuron erbij betrokken. De details hiervan zijn echter
onduidelijk.
What is de Relationship of LTP and Learning?
In de originele experimenten was LTP niet geassocieerd met leren of geheugenprocessen. Zo ver is het
beste bewijs dat LTP aan het geheugen linkt, van studies die aantonen dat:
- Drugs die LTP blokkeren het leervermogen van dieren kan aantasten
- Ratten die genetisch gemodificeerd zijn om sterkere LTP te tonen, ook beter kunnen leren dan normale
ratten.
Echter, een significante minderheid van onderzoekers blijft niet overtuigd dat een linkt van LTP naar leren en
geheugen, echt is bewezen.
2
