Hoofdstuk 1: Algemene inleiding en onderzoekstechnieken
1. Algemene inleiding
Neurofysiologie: studie van de werking van de neuronen en functies van het zenuwstelsel
Centraal zenuwstelsel: hersenen (grote en kleine), hersenstam en ruggenmerg
Perifeer zenuwstelsel: gemengd zenuwstelsel
- Somatisch zenuwstelsel: perifere zenuwen
- Sensorische neuronen: info naar CZS/hersenen
- Motorische neuronen: signalen vanuit de hersenen naar de spieren
- Autonoom zenuwstelsel: bezenuwing en werking organen, klieren, bloedvaten,
spijsvertering, ademhaling
Grote hersenen: verwerken info
- Hersenen: produceren gedrag, dus alle waarnemingen, emoties, herinneringen,
motoriek dromen, ambities, toekomstplannen komen tot stand door de
grote hersenen en de samenwerking van neuronen in de grote hersenen
- Zintuigen: sensoren die prikkels/sensorische info uit de omgeving of intern kunnen
opvangen door receptoren en dat doorsturen naar de hersenen
Sensatie: transformatie van fysische stimuli naar elektrische (neuronale)
signalen, zodat de hersenen de input kan begrijpen
- Hersenen: verwerken een deel van de info (integraties)
Perceptie: resultaat van het selecteren, organiseren en interpreteren van
de info hersenen geven een invulling aan de info, een interpretatie,
niet louter passieve registratie van info door zintuigen
- Motor output: via motorcortex kunnen we voor interactie zorgen met de omgeving
Voorbeeld: foto zwart-wit illusie
- Sensatie: iedereen kijkt naar dezelfde figuur
- Perceptie: wat hersenen ervan maken is afhankelijk van persoon tot
persoon, kan verschillend zijn
- Sensatie ≠ perceptie: hersenen kunnen info/stimuli soms anders interpreteren
Werking hersenen bestuderen:
- Celtheorie: basiseenheid van levende organismen is de cel geldt voor alle organen,
maar was lang niet duidelijk voor de hersenen
- Basiseenheid hersenen: doorlopend net van hersencellen (reticulum) of individuele
cellen die met elkaar communiceren?
- Nissl kleuring: je ziet wel kleuring van celkernen en Nissl lichamen rond kern van
neuronen, maar je ziet geen kleuring van ganse zenuwcellen
- Golgi kleuring: op basis van zilvernitraat, wat neerslaat op het hele neuron
reticulum/doorlopende structuur gevonden, en vond de ‘neuronen’
structuur en dat er dus aparte cellen zijn in hersenen (elektronen microsc.)
1
,Werking hersenen bestuderen:
- Neuron doctrine: kunnen we het gedrag begrijpen, als we weten wat neuronen doen
- Neuronen zijn de anatomische en fysiologische basiseenheid van het zenuwstelsel
werking van hersenen is terug te brengen tot elektrische activiteit van neuronen
- Door samenhang te begrijpen tussen gedrag en neuronen, kunnen we ook
fenomenen op wereldschaal (bv. politiek) begrijpen op basis van gedrag individuen
- Reductionisme: kan gedrag begrepen worden door uitgebreide kennis van 1 of enkele
neuron(en)? bv. depressie: moeilijk te onderzoeken, want is een complexe
vorm van gedachte, en kom je dus niet te weten door 1 of enkele neuronen te
onderzoeken ook bv. kleurperceptie en verslaving onderzoeken is complex
- Niet enkel neuronen in de hersenen, maar ook andere celtypes
bv. Glia cellen: ondersteunende rol + waarschijnlijk rol in gedrag en cognitie
Werking hersenen vloeit voort uit:
- Intrinsieke eigenschappen van neuronen: waarop reageren ze, moleculair, elektrisch,
morfologische opbouw
- Schakelingen tussen neuronen met:
- Periferie: receptor-epithelen (huid, netvlies, …)
- Effectororganen (spieren, klieren, …)
- Andere neuronen: belang van netwerken en connecties (bedrading) tussen
hersengebieden
- Schakeling van neuronen en onderlinge verbinding moet je onderzoeken en
begrijpen, om ook hun communicatie en functie te kunnen begrijpen
- Zoogdieren: bedrading neuronen en schakeling/connecties is uniek voor elk individu,
niet gedicteerd door genoom uitgebreide connecties die tijdens de
ontwikkeling verfijnen
Connectoom project: de belangrijkste witte stof banen met niet invasieve technieken in
beeld brengen bij de mens zo te weten komen hoe connecties lopen om te zien
wat de gezonde neurotypes zijn, en dit vergelijken met zieke personen bv. je ziet
dat een bepaalde persoon bepaalde connecties mist, dan kan je misschien in een
vroeg stadia de ziekte al behandelen met gerichte therapie en medicatie
C. elegans: 302-385 neuronen waarvan volledig connectoom in kaart is gebracht
Gliacellen: ondersteunende cel
- Men dacht dat die zorgden voor de samenhang van de hersenen en zodat
neuronen samengeplakt blijven om te kunnen communiceren hebben meer
functies dan dat
- Astrocyten: energiemetabolisme van neuronen + regulatie werking synapsen
Astrocyten zitten met uitstulpingvoet rond de synapsen voor AP
- Microglia/macrofagen: opruimen van afval en virussen/bacteriën (immuunrespons)
- Oligodendrocyten: geleiding van de AP (~ Schwann cellen) door myeline te vormen
- Ependymcellen: productie hersenvocht in de hersenkamers
2
, - Maar de rol van gliacellen is nog niet volledig gekend
Communicatie door astrocyten: Ca2+ golven visualisatie met voltage gevoelige kleurstoffen
(optical imaging)
Complexiteit hersenen:
- Zeer veel soorten structuren en cellen met een eigen functie
- Enorme structurele en functionele diversiteit: er zijn veel meer celtypes in de
hersenen dan in andere organen veel connecties, NT en dus grote complexiteit
- Er zijn veel niveaus in organisatie van de hersenen belang van studie op meerdere
organisatieniveaus al de gebieden zijn ook geconnecteerd met elkaar
- Niet alle neuronen kunnen alle info verwerken, dus er wordt een onderverdeling
gemaakt bv. temporale stroom (vormen), dorsale stroom (plaats object), kleur, …
- Algemeen thema in biologie: gen structuur functie (niet zo in de hersenen)
Temporale: verwerking van kleur, vormen, identificatie
Dorsale: waar objecten zich bevinden, integratie in de ruimte
Oorzaak en gevolg: moeilijk te ontwarren in de hersenen bv. is een slecht werkend
spiegelsysteem de oorzaak of het gevolg van autisme?
Spiegelsysteem: neuronen actief als we zelf iets ervaren, maar ook als we iemand iets zien
ervaren (als iemand pijn heeft, dan worden bepaalde neuronen actief empathie)
Autisme: slecht werkend spiegelsysteem kan de oorzaak zijn van autisme, of autisme kan
komen door slecht werkende witte stof banen, waardoor het spiegelsysteem niet
genoeg info binnenkrijgt
Bepaalde cognitieve of gedragsaspecten kunnen verklaard worden door eigenschappen en
verbindingen tussen neuronen bv. de waarneming van beweging of kleur
Kan de basis van bepaalde intelligentie te verklaren zijn aan de hand van bepaalde structuren
in de hersenen? vooral anatomisch onderzoek bij Einstein, maar men is niet te weten
gekomen of je bepaalde intelligentie kan linken aan bepaalde structuren in de hersenen
National institute for neurological diseases and disorders: 400 neurologische aandoeningen
Zenuwstelsel onderzoeken:
- Veel niveaus van organisatie, dus je kan die op veel niveaus in detail gaan bekijken,
die elk een andere techniek vereisen (bv. psychofysica, functionele beeldvorming, …)
- Verslaving: verschillende niveaus onderzoeken waar verslaving effect op kan hebben
2. Neurofysiologische onderzoekstechnieken
Indeling neurofysiologische onderzoekstechnieken:
- Structuur/anatomie (bv. connecties bekijken) vs. functie
3
, - Directe meting neuronale activiteit: AP, geïntegreerde potentialen van groter gebied
- Indirecte meting: via metabole/vasculaire koppeling kijken naar O 2 en suiker gehalte
- Zeer lokale meting vs. meting van gans de hersenen
- Invasieve vs. niet-invasieve metingen
- Metingen met hoge vs. lage spatiale/temporele resolutie
- Correlatie (verband) vs. causatie (oorzakelijk verband) we zijn geïnteresseerd in de
causatie bv. is een bepaald hersengebied de oorzaak van iets
- Mens vs. proefdier
De ideale techniek bestaat niet, omdat je met veel parameters rekening moet houden
2.1. Magnetische resonantie beeldvorming (MRI)
MRI: geeft de densiteit van de protonen in ons weefsel weer meest gebruikt
Structurele MRI:
- Onderscheid tussen verschillende weefsels: grijze stof, witte stof, CSV, bloedvaten
- Diffusiemetingen: op niet-invasieve manier de verbindingen tussen
gebieden en de witte stof banen in beeld brengen
- Rood: witte stof banen lopen links/rechts
- Groen: banen lopen van voor naar achter en omgekeerd
- Blauw: banen lopen in de diepte
Tract-tracing technieken: invasief
- Om connecties in hersenen te bekijken gebruikt men invasieve technieken
- Bepaalde stoffen inspuiten in gebied die worden actief getransporteerd via de
axonen naar gebieden die verbonden zijn met de geïnjecteerde gebieden
- Zo kom je dingen te weten over anterograde en retrograde verbindingen
- Anterograad: na inspuiting opname door cellichamen en gaat via axon naar terminale
gebieden labelen die info ontvangt van het gebied waar je vertrokken bent
onderzoeken waarmee je doelgebied verbonden is en of het info doorgeeft
- Retrograad: je spuit iets in, dat wordt opgenomen door de voetjes en dat gaat dan via
axon naar de cellichamen in dat gebied onderzoeken vanwaar het
doelgebied info krijgt van andere gebieden in de hersenen
Diffusiemetingen met MRI: diffusion tensor imaging DTI
- Diffusiemeting: meten van verplaatsing van watermoleculen (diffusie) in verschillende
richtingen in elke voxel watermoleculen bewegen makkelijker in
de richting van je axon dan loodrecht erop (dan is er botsing)
- Fractionele anisotropie FA: index voor diffusie hoeveelheid asymmetrie in een voxel
- Waar water het makkelijkst beweegt in het axon, daar is dan waarschijnlijk een witte
stof baan je gaat dus naar de anisotropie kijken in de 3 hoofdrichtingen, om te
kijken of er in een richting een witte stof baan zit
- Isotropie: water beweegt in alle richtingen even makkelijk geen witte stof baan
4
1. Algemene inleiding
Neurofysiologie: studie van de werking van de neuronen en functies van het zenuwstelsel
Centraal zenuwstelsel: hersenen (grote en kleine), hersenstam en ruggenmerg
Perifeer zenuwstelsel: gemengd zenuwstelsel
- Somatisch zenuwstelsel: perifere zenuwen
- Sensorische neuronen: info naar CZS/hersenen
- Motorische neuronen: signalen vanuit de hersenen naar de spieren
- Autonoom zenuwstelsel: bezenuwing en werking organen, klieren, bloedvaten,
spijsvertering, ademhaling
Grote hersenen: verwerken info
- Hersenen: produceren gedrag, dus alle waarnemingen, emoties, herinneringen,
motoriek dromen, ambities, toekomstplannen komen tot stand door de
grote hersenen en de samenwerking van neuronen in de grote hersenen
- Zintuigen: sensoren die prikkels/sensorische info uit de omgeving of intern kunnen
opvangen door receptoren en dat doorsturen naar de hersenen
Sensatie: transformatie van fysische stimuli naar elektrische (neuronale)
signalen, zodat de hersenen de input kan begrijpen
- Hersenen: verwerken een deel van de info (integraties)
Perceptie: resultaat van het selecteren, organiseren en interpreteren van
de info hersenen geven een invulling aan de info, een interpretatie,
niet louter passieve registratie van info door zintuigen
- Motor output: via motorcortex kunnen we voor interactie zorgen met de omgeving
Voorbeeld: foto zwart-wit illusie
- Sensatie: iedereen kijkt naar dezelfde figuur
- Perceptie: wat hersenen ervan maken is afhankelijk van persoon tot
persoon, kan verschillend zijn
- Sensatie ≠ perceptie: hersenen kunnen info/stimuli soms anders interpreteren
Werking hersenen bestuderen:
- Celtheorie: basiseenheid van levende organismen is de cel geldt voor alle organen,
maar was lang niet duidelijk voor de hersenen
- Basiseenheid hersenen: doorlopend net van hersencellen (reticulum) of individuele
cellen die met elkaar communiceren?
- Nissl kleuring: je ziet wel kleuring van celkernen en Nissl lichamen rond kern van
neuronen, maar je ziet geen kleuring van ganse zenuwcellen
- Golgi kleuring: op basis van zilvernitraat, wat neerslaat op het hele neuron
reticulum/doorlopende structuur gevonden, en vond de ‘neuronen’
structuur en dat er dus aparte cellen zijn in hersenen (elektronen microsc.)
1
,Werking hersenen bestuderen:
- Neuron doctrine: kunnen we het gedrag begrijpen, als we weten wat neuronen doen
- Neuronen zijn de anatomische en fysiologische basiseenheid van het zenuwstelsel
werking van hersenen is terug te brengen tot elektrische activiteit van neuronen
- Door samenhang te begrijpen tussen gedrag en neuronen, kunnen we ook
fenomenen op wereldschaal (bv. politiek) begrijpen op basis van gedrag individuen
- Reductionisme: kan gedrag begrepen worden door uitgebreide kennis van 1 of enkele
neuron(en)? bv. depressie: moeilijk te onderzoeken, want is een complexe
vorm van gedachte, en kom je dus niet te weten door 1 of enkele neuronen te
onderzoeken ook bv. kleurperceptie en verslaving onderzoeken is complex
- Niet enkel neuronen in de hersenen, maar ook andere celtypes
bv. Glia cellen: ondersteunende rol + waarschijnlijk rol in gedrag en cognitie
Werking hersenen vloeit voort uit:
- Intrinsieke eigenschappen van neuronen: waarop reageren ze, moleculair, elektrisch,
morfologische opbouw
- Schakelingen tussen neuronen met:
- Periferie: receptor-epithelen (huid, netvlies, …)
- Effectororganen (spieren, klieren, …)
- Andere neuronen: belang van netwerken en connecties (bedrading) tussen
hersengebieden
- Schakeling van neuronen en onderlinge verbinding moet je onderzoeken en
begrijpen, om ook hun communicatie en functie te kunnen begrijpen
- Zoogdieren: bedrading neuronen en schakeling/connecties is uniek voor elk individu,
niet gedicteerd door genoom uitgebreide connecties die tijdens de
ontwikkeling verfijnen
Connectoom project: de belangrijkste witte stof banen met niet invasieve technieken in
beeld brengen bij de mens zo te weten komen hoe connecties lopen om te zien
wat de gezonde neurotypes zijn, en dit vergelijken met zieke personen bv. je ziet
dat een bepaalde persoon bepaalde connecties mist, dan kan je misschien in een
vroeg stadia de ziekte al behandelen met gerichte therapie en medicatie
C. elegans: 302-385 neuronen waarvan volledig connectoom in kaart is gebracht
Gliacellen: ondersteunende cel
- Men dacht dat die zorgden voor de samenhang van de hersenen en zodat
neuronen samengeplakt blijven om te kunnen communiceren hebben meer
functies dan dat
- Astrocyten: energiemetabolisme van neuronen + regulatie werking synapsen
Astrocyten zitten met uitstulpingvoet rond de synapsen voor AP
- Microglia/macrofagen: opruimen van afval en virussen/bacteriën (immuunrespons)
- Oligodendrocyten: geleiding van de AP (~ Schwann cellen) door myeline te vormen
- Ependymcellen: productie hersenvocht in de hersenkamers
2
, - Maar de rol van gliacellen is nog niet volledig gekend
Communicatie door astrocyten: Ca2+ golven visualisatie met voltage gevoelige kleurstoffen
(optical imaging)
Complexiteit hersenen:
- Zeer veel soorten structuren en cellen met een eigen functie
- Enorme structurele en functionele diversiteit: er zijn veel meer celtypes in de
hersenen dan in andere organen veel connecties, NT en dus grote complexiteit
- Er zijn veel niveaus in organisatie van de hersenen belang van studie op meerdere
organisatieniveaus al de gebieden zijn ook geconnecteerd met elkaar
- Niet alle neuronen kunnen alle info verwerken, dus er wordt een onderverdeling
gemaakt bv. temporale stroom (vormen), dorsale stroom (plaats object), kleur, …
- Algemeen thema in biologie: gen structuur functie (niet zo in de hersenen)
Temporale: verwerking van kleur, vormen, identificatie
Dorsale: waar objecten zich bevinden, integratie in de ruimte
Oorzaak en gevolg: moeilijk te ontwarren in de hersenen bv. is een slecht werkend
spiegelsysteem de oorzaak of het gevolg van autisme?
Spiegelsysteem: neuronen actief als we zelf iets ervaren, maar ook als we iemand iets zien
ervaren (als iemand pijn heeft, dan worden bepaalde neuronen actief empathie)
Autisme: slecht werkend spiegelsysteem kan de oorzaak zijn van autisme, of autisme kan
komen door slecht werkende witte stof banen, waardoor het spiegelsysteem niet
genoeg info binnenkrijgt
Bepaalde cognitieve of gedragsaspecten kunnen verklaard worden door eigenschappen en
verbindingen tussen neuronen bv. de waarneming van beweging of kleur
Kan de basis van bepaalde intelligentie te verklaren zijn aan de hand van bepaalde structuren
in de hersenen? vooral anatomisch onderzoek bij Einstein, maar men is niet te weten
gekomen of je bepaalde intelligentie kan linken aan bepaalde structuren in de hersenen
National institute for neurological diseases and disorders: 400 neurologische aandoeningen
Zenuwstelsel onderzoeken:
- Veel niveaus van organisatie, dus je kan die op veel niveaus in detail gaan bekijken,
die elk een andere techniek vereisen (bv. psychofysica, functionele beeldvorming, …)
- Verslaving: verschillende niveaus onderzoeken waar verslaving effect op kan hebben
2. Neurofysiologische onderzoekstechnieken
Indeling neurofysiologische onderzoekstechnieken:
- Structuur/anatomie (bv. connecties bekijken) vs. functie
3
, - Directe meting neuronale activiteit: AP, geïntegreerde potentialen van groter gebied
- Indirecte meting: via metabole/vasculaire koppeling kijken naar O 2 en suiker gehalte
- Zeer lokale meting vs. meting van gans de hersenen
- Invasieve vs. niet-invasieve metingen
- Metingen met hoge vs. lage spatiale/temporele resolutie
- Correlatie (verband) vs. causatie (oorzakelijk verband) we zijn geïnteresseerd in de
causatie bv. is een bepaald hersengebied de oorzaak van iets
- Mens vs. proefdier
De ideale techniek bestaat niet, omdat je met veel parameters rekening moet houden
2.1. Magnetische resonantie beeldvorming (MRI)
MRI: geeft de densiteit van de protonen in ons weefsel weer meest gebruikt
Structurele MRI:
- Onderscheid tussen verschillende weefsels: grijze stof, witte stof, CSV, bloedvaten
- Diffusiemetingen: op niet-invasieve manier de verbindingen tussen
gebieden en de witte stof banen in beeld brengen
- Rood: witte stof banen lopen links/rechts
- Groen: banen lopen van voor naar achter en omgekeerd
- Blauw: banen lopen in de diepte
Tract-tracing technieken: invasief
- Om connecties in hersenen te bekijken gebruikt men invasieve technieken
- Bepaalde stoffen inspuiten in gebied die worden actief getransporteerd via de
axonen naar gebieden die verbonden zijn met de geïnjecteerde gebieden
- Zo kom je dingen te weten over anterograde en retrograde verbindingen
- Anterograad: na inspuiting opname door cellichamen en gaat via axon naar terminale
gebieden labelen die info ontvangt van het gebied waar je vertrokken bent
onderzoeken waarmee je doelgebied verbonden is en of het info doorgeeft
- Retrograad: je spuit iets in, dat wordt opgenomen door de voetjes en dat gaat dan via
axon naar de cellichamen in dat gebied onderzoeken vanwaar het
doelgebied info krijgt van andere gebieden in de hersenen
Diffusiemetingen met MRI: diffusion tensor imaging DTI
- Diffusiemeting: meten van verplaatsing van watermoleculen (diffusie) in verschillende
richtingen in elke voxel watermoleculen bewegen makkelijker in
de richting van je axon dan loodrecht erop (dan is er botsing)
- Fractionele anisotropie FA: index voor diffusie hoeveelheid asymmetrie in een voxel
- Waar water het makkelijkst beweegt in het axon, daar is dan waarschijnlijk een witte
stof baan je gaat dus naar de anisotropie kijken in de 3 hoofdrichtingen, om te
kijken of er in een richting een witte stof baan zit
- Isotropie: water beweegt in alle richtingen even makkelijk geen witte stof baan
4
