Neurofysiologie
H0: Inleidng
We zijn onze hersenen
- Zenuwstelsel = anatomisch & fysiologisch divers geheel van neuronen
o Heel veel verschillende types neuronen (+glia cellen = ondersteunende cellen) (mens: 80 miljoen)
- Gedrag = gevolg van de activiteit van neuronen ih zenuwstelsel (waarneming, motoriek, emoties, motivaties,
geheugen, aandacht…)
o Neuronen vormen netwerken + communiceren met elkaar (elektrische signalen/actiepotentialen)
o Elke neuron kan connecties maken met 10 000 andere neuronen
o Signaal overdracht: cellichaam, neurites (dendriten + axonen), AP (elektrische sugnalen), synaps,
synaptische spleet, neurotransmitters (chemische signalen), receptoren, post synaptisch neuron,…
- Functie van zs berust op verschillende niveaus van complexiteit
o Schakelingen tussen perifeer en centraal zenuwstelsel
o Schakelingen tussen neuronen onderling
o Individuele neuronen hebben verschillende intrinsieke eigenschappen (elektrische en morfologische)
- Ideaal: 1 techniek die de functie vh CZS bepaalt (onmogelijk)
o Organen hebben allemaal een ‘gelijkaardige’ functie ↔ ZS heeft veel complexere functie dat opgedeeld
kan worden in verschillende niveau’s → Functie orgaan ≠ functie cel (neuron)
o Elk niveau is belangrijk! Afwijking thv 1 niveau (kleinste of grootste) = storing van heel het systeem
o Onmogelijk om de functie vh zs met 1 techniek te bepalen → verschillende niveau’s worden met
verschillende technieken onderzocht
o Beginproduct van alle technieken = moleculaire biologie (NTM, synaps,…)
o Tussenproduct van alle technieken = functie + anatomie van enkelvoudige neuronen (deze cursus)
o Eindproduct van alle technieken = gedrag (vak: psychologie)
- Verschillende niveaus vh zs
o Moleculen: neurotransmitters die chemisch signaal vormen om communicatie mogelijk te maken
tussen pre- en postsynaptische cel
o Synapsen: waar NTM zitten en waar ze worden vrijgegeven in synaptische spleet
o Neuronen: elk neuron heeft 100-1000’en synapsen
o Netwerken: spinnewebben van verchillende neuronen die samen functies uitoefenen
▪ Indien ze gelijke eigenschappen hebben, vormen ze samen een sterker netwerk om signalen
door te sturen naar andere cellen
o Mappen: kleine netwerken zijn hierin gegroepeerd
o Systeem: dit alles vormt de hersenen om zo uiteindelijk het volledige zenuwstelsel te vormen
Technieken om de verschillende niveau’s vh centraal zs te onderzoeken
- Elke techniek bevat een onder -en bovengrens op tijd en ruimtelijk vlak (horizontaal en verticaal)
- Technieken kunnen onderverdeeld worden obv
o Tijd: temporele resolutie (waarbij de ondergrens de resolutie weergeeft)
o Ruimt: spatiele resolutie (waarbij de ondergrens de resolutie weergeeft)
o Invasiviteit
, ELEKTRISCHE METINGEN
= rechtstreekse metingen van neurale activiteit
- Correlationele technieken: verband tss stimuli en activiteit vd cel
Je weet niet precies waar het signaal vandaan komt
Single unit recordings / - Beste temporele resolutie (duurt maar enkele milliseconden)
multi unit recordings/ - Zwakke spatiele resolutie
local field potentialen - Invasief
- De basistechniek voor hersenonderzoek
- Pijnloos: hersenen bevatten geen pijnreceptoren
- Nadeel: je weet wat enkelvoudige cel doet, maar niet wat die daar rond doen
- Voordeel: je wet precies welke neuron geactiveerd werd door bepalde stimulus
o Selectiviteit van de cellen bepalen: wat doen de cellen precies?
= rechtstreekse activiteit van enkelvoudige neuronen meten (extracellulair)
Werking:
- Fijne draad met elektrodes wordt in de hersenen gebracht
- Stimulus → NTM binden aan receptoren vd neuronen → ionenkanalen open → kationen
naar binnen → depolarisatie vh membraan → binnen + geladen & buiten - geladen → AP
(elektrische impuls) → Lokale tijdelijke veranderingen van elektrische veld vd neuronen
- Veranderingen van elektrische velden worden gemeten adhv elektrode
Patch clamp techniek = rechtstreekse activiteit van enkelvoudige neuronen meten (intracellulair)
Werking:
- Dmv een elektrode intracellulair in het neuron te brengen
- Meten van specifieke membraan-eigenschappen
o Gebeurtenissen die gebeuren VOOR een AP worden gegenereerd
EEG (elektro-encefalografie)/ - Hoge temporele resolutie
ERP (evoked respons - Lage spatiele resolutie
potentialen) - Niet invasief
- Goedkoop
- Nodig: EEG + versterker nodig
- Nadeel: niet wetel welke neuronen zorgen voor verandering vh elektrisch veld
= activiteit van (veel) verschillende neuronen meten die tegelijkertijd actief zijn thv de schedelhuid
Werking:
- Soort muts met elektrodes aangebracht op de schedehuid
- Neuronen in hersenschors zijn piramidaal en parallel naast elkaar gelegen
- Stimulus → NTM binden aan receptoren vd neuronen → ionenkanalen open → kationen
naar binnen → depolarisatie vh membraan → binnen + geladen & buiten – geladen → AP
(elektrische impuls) → Lokale tijdelijke veranderingen van elektrische veld vd neuronen
- Elektrische veldverandering van 1 neuron kan niet gemeten worden door de elektrode (te
klein signaal) MAAR als verschillende neuronen een AP afvuren wordt het signaal versterkt
omdat de neuronen parallel naast elkaar staan en tegelijkertijd actief zijn
ERP: elektrofysiologische reacties van de hersenen op 1 bepaalde stimulus
- Bv door een visuele stimulus, auditieve stimulus,…
MEG (magneto-encefalografie) - Hoge temporele resolutie (gelijk aan EEG)
- Betere spatiele resolutie dan EEG (maar nog altijd slechter tov andere technieken)
- Niet invasief
- Duur
- Voordeel: betere lokalisatie vh signaal dan EEG (je kan nagaan vanwaar het signaal
afkomstig is)
= verschillen in magnetische velden meten om de activiteit van verschillende neuronen te achterhalen
Werking:
- Hoofd steken in een soort machine
- Stimulus → NTM binden aan receptoren vd neuronen → ionenkanalen open → kationen
naar binnen → depolarisatie vh membraan → binnen + geladen & buiten - geladen → AP
- DUS door het stromen van ionen onstaan er dipolen (elektrisch veld) & magnetische
veldveranderingen → deze woren gemeten
Stroom → elektrische + magnetische veldveranderingen
, FUNCTIONELE METINGEN/ BEELDVORMING
= onrechstreekse metingen van neurale/hersenactiviteit (lokale doorbloeding vd hersen bepalen) (verschillende neuronen)
= hemodynamische technieken (meten vh verschil in O2 gehalte van in de bloedtoevoer)
- Cellen hebben weinig E opslag
- indien ze actief worden moet er zo snel mogelijk bloed naar hen komen om uiteindelijk kun E uit suikers en O2 te halen
- correlationele technieken: er is een verband tss stimuli en activiteit vd cel
Je weet welk gebied actief is, maar niet weke cel
PET - Zeer lage temporele resolutie
(Positron Emission Tomografie) - Spatiele resolutie ?
- Invasief (radioactiviteit)
- Voordeel: je weet precies waar welke types receptoren aanwezig zijn
= activiteit van neuronen/hersenen meten mbv radioactieve stoffen
Werking
- Hoofd van persoon in scanner leggen + radioactieve stoffen worden geïnjecteerd ih bloed
vd hersenen (radioactieve stof zal mee circuleren via bloed)
- Hoe actiever een bepaald gebied vd hersenen is, hoe meer bloedtoevoer in dat gebeid zal
zijn, hoe meer radioactief dat gebied zal zijn
- Op deze manier vergelijken welke handelingen zorgen voor een activatie van gebieden in
de hersenen (hoge radioactiviteit)
o Praten = hoge bloedtoevoer = veel radioactiviteit
o Niet praten = lage bloedtoevoer = weinig radioactiviteit
fMRI - Betere temporele resolutie
(Functional Magnetic - Betere spatiele resolutie
Resonance Imaging) - Niet Invasief
- Duur (hoe sterker de magneten, hoe betere metingen, hoe duurder)
- Nadeel: onrechtstreekse meting
= activiteit van neuronen meten door verhoudingen te meten tussen deoxy-en oxy-hemoglobine
Werking:
- Persoon ligt in grote scanner met sterk magnetisch veld
- O2 rijk bloed reageert anders dan O2 arm bloed met een magnetisch veld
- Hoe actiever een bepaald gebied is vd hersenen, hoe meer bloedtoevoer in dat gebied,
hoe meer O2 er verbruikt wordt, hoe groter de verandering aan hemoglobine zal zijn
- Verlaging van O2 gehalte van hemoglobine → verandering vd magnetische eigenschappen
van hemoglobine → gedetecteerd via de scanner
Scanner meet de verhouding tss O2 rijk en O2 arm hemoglobine
Optical imaging - Hoge temporele resolutie
- Hoge spatiele resolutie
- Invasief
- Lage sensitiviteit: je moet meerdere keren meten voor je resultaat verkrijgt
- Nadeel: het zijn enkel de oppervlakkige structuren die bellicht kunnen worden
= activiteit van neuronen meten door verschil in reflectie van licht tss deoxy-en oxyhemoglobine te
meten
Werking:
- Stukje van de hersenen wordt weggehaald
- Hersenen worden bellicht: licht wordt geabsorbeerd & gereflecteerd
- Camera vangt het gereflecteerde licht op
- O2 arm bloed = blauw – O2 rijk bloed = rood
- Stimulus → activatie van specifieke hersengebieden → hogere doorbloeding → O2
verbruikt → verandering van concentraties O2 rijk/arm bloed → zichtbaar via
kleurverandering op camera
Two-photon Calcium imaging - Hoge Temporele resolutie (maar minder goed dan single units recording)
(GCaMP) - Lage Spatiele resolutie
- Invasief
= activiteit van veel verschillende individuele neuronen meten die tegelijkertijd actief zijn door het
verschil in fluorescentie te meten op individueel celniveau
, Werking:
- Mbv Ca-microscoop
- Cellen worden bespoten met een Ca-gevoelige fluorescente kleurstof (kleurt als Ca
aanwezig is)
- Stimulus → NTM binden aan receptoren → ionen kanalen open → AP → Ca naar binnen
→ intracellulaire concentratie aan Ca stijgt → neuron zal fluoresceren → zichtbaar via de
microscoop (hoe meer fluorescentie, hoe actiever het neuron)
- Als cellen actief worden door stimulus → wordt dat deel vd hersenen gebruikt →
fluoresceert
Functionele ultrasound Niet besproken in de les
imaging (fUSI)
LETSELS
= plaatsen van letsels om oorzakelijk verband aan te tonen tss activiteit/letsel van neuronen en gedrag
- Causale technieken: er is een oorzaak gevolg verband
o Om dit aan te tonen moet de activiteit van de neuronen stopgezet worden (om dat te zien of dit een effect heeft)
▪ Belangrijk om oorzakelijk verband te vinden tss activiteit van neuronen in specifieke hersendelen & gedrag
o Invasief: letsels aanbrengen
▪ Enkel bij proefdieren: je kan hier zeer specifiek deel weghalen
o Soms niet invasief: omkeerbare stopzetting vd activiteit van neuronen/cellen
▪ Plaatselijke verdoving (bij artsen bv)
▪ Chemisch (licht), koeling (T dalen), optogenetica → activiteit neuron stopgezet
o Lage temporele resolutie
o Lage spatiele resolutie
o Letsels zijn vaak aspecifiek (je kan moeilijk een letsel aanbrengen in 1 specifiek deel vd hersenen, vaak meerdere
delen/functies aangetast)
- BV: letsel id zone van Broca → spraakneuronen aangetast → persoon kan niet praten
Transcraniale Magnetische - Niet invasief
Stimulatie (TMS) = activiteit van een bepaald deel vd hersenen controleren mbv stroom
Werking:
- Apparaat dat stroom stuurt door spoel net boven de hersenen
- Verandering vh magnetisch veld ontstaat
- Ifv hoe lang met dat apparaat boven het hoofd houdt, kan men gebieden activeren of niet
- Ifv welk gebied wordt gestimuleerd door de stroom ontstaat er een bepaald gedrag
- Verband tss activiteit van neuronen en gedrag
Microstimulatie = artificieel stimuleren van een groep neuronen
Werking:
- Elektrodes met stroom gebruikt om artificieel bepaalde neuronen te activeren of niet
- Bv: In frontale cortex gebracht (regelt oogbeweging)
- Combinatie microstimulatie & gedrag: men kan niet altijd slechts 1 neuron stimuleren,
vaak worden verschillende neuronen met verschillende functies gestimuleerd (naast
elkaar)
- Verband tss activiteit van neuronen en gedrag
Optogenetica - Beste temporele resolutie
- Beste spatiele resolutie
- Invasief
- Kan activiteit van individuele neuronen verhogen of onderdrukken
o Van enkelvoudige cellen zonder naburige cellen te veranderen
o Ook als je wakker bent (getest op muizen)
- Kan activiteit van netwerken van neuronen verhogen of onderdrukken
= artificieel stimuleren van neuronale activiteit dmv elektrische stimulatie met laserlicht
Werking:
- DNA van neuronen wordt aangepast zodat DNA codeert voor verschillende eiwitten
(opsines) die oiv licht (met bepaalde golflengte), elektrische signalen genereren of
inhiberen
- Indien licht met specifieke golflengte gestraald wordt op de neuronen worden deze actief
of inactief doordat eiwit het licht omzet in elektrische signalen of niet
- Ifv golflengte vh licht → eiwit → bepaalde kanalen open → ladingen naar binnen de cel →
AP
, o Blauw licht = + ionen naar binnen = depolarisatie = activatie
o Geel licht = - ionen naar binnen = hyperpolarisatie = inactivatie
- Gevolg: die neuronen worden geactiveerd of geinhibeerd → activatie of inhibatie vd
functie vh hersendeel dat deze neuronen bevat (bv spraak, beweging,…)
- Geen licht = geen AP = geen activiteit
Grafiek:
- y-as = activiteit
- x-as = tijd
- puntjes = actiepotentialen
- blauw = lichtimpulsen
- rijen puntjes = trials: men doet dat verschillende keren na elkaar.
Ifv type opsine + golflengte neuronen activeren/inhiberen
Combinatie Optogenetica met andere technieken
- Elektrische stimulatie
- Anatomische tractografie
- Optische stimulatie
- Ca-beeldvorming:
o neuronen met calciumgevoelige fluorescentie-eiwitten in hun cellichaam & andere
neuronen waarvan activiteit artificieel gemanipuleerd wordt via optogenetica
o kijken naar wat het effect is van activatie van neuronen mbv licht (optogenetica) op
andere neuronen daarrond (mbv calcium beeldvorming
Connecties in kaart brengen: verband aantonen tss optogenetische stimulatie van gebieden
& activiteit van neuronen (gemeten mbv andere technieken)
Netwerk van neuronen → sommige activeren/inactiveren mbv optogenetica → wat is het
effect op andere neuronen ih netwerk ? (bestuderen van een netwerk via enkelvoudige cellen)
Histologie/ tractografie
- Meten/ nagaan van
o structuur cellen
o gebieden
o connecties tussen gebieden
Moleculaire biologie
- Bestuderen van het beginproduct (de oorzaak van onze hersenactiviteiten)
- hoe informatie tot een cel geraakt, structuur van cellen,…
Psychologie
- Bestuderen van het eindproduct (het gevolg van onze hersenactiviteiten)
- Gedrag, psychofysica
Verschil tss een Elektrisch signaal & een Functioneel/Hemodynamisch signaal
Figuur
- X-as in sec
- Y-as moment waarop visuele stimulus aan en uit wordt gezet
- Eerste grafiek: stimulus die KORT aan en uit wordt gezet
- Tweede grafiek: stimulus die LANG aan en uit wordt gezet
- Grijs = neurale activiteit gemeten dmv. Elektrode van enkelvoudige neuronen (realiteit)
- Elektrisch signaal: komt zeer snel na stimulus
- Hemodynamisch signaal: stimulus → traag proces om AP te vormen
o doordat de verandering van O2 rijk en O2 arm niet direct gebeurt
o piek komt pas na de stimulus
o Metingen gebeuren vertraagd tov realiteit
Het begrip Selectiviteit/Tuning
= hoe actief is een neuron/cel bij een specifieke stimulus? (aantal AP per tijdseenheid)
- Ionenkanalen kunnen selectief zijn voor bepaalde ionen (ifv de lading, grootte, binding,..)
- De selectiviteit van deze kanalen bepaalt hoe snel een AP zal veroorzaakt worden
o Hoe sneller de AP ontstaat, hoe actiever
- Y-as: activiteit
- X-as: stimulus-parameter
- Soms staat het horizontaal, dan veranderen naar verticaal, terug horizontaal...
- Bepaalde neuronen gaan reageren als lijntje horizontaal is maar reageren niet als het verticaal is en omgekeerd.
- Vooral bij technieken van elektrische signalen (+ ook Ca2+ beeldvorming)
o Vooral bij technieken waarbij het elektrisch veld buiten de cel verandert
- BV: een cel kan vorm selectief zijn: indien je naar een sterretje kijkt, zal de cel
actief worden, maar indien je naar bolletje kijkt, wort de cel niet actief
Selectiviteit van 1 cel !!!
Correlatie tss activiteit en stimulus
, Soorten elektrodes
- Enkelvoudige elektrodes
o Extracellulair elektrode plaatsen vlakbij cellichaam v neuron
o Meten van veranderingen van het elektrisch en machistisch veld van 1 neuron
o Informatie over 1 neuron tegelijkertijd onderzoeken
- Elektrode arrays
o Extracellulair electrode plaatsen + versterker
o Meten van veranderingen vh elektrisch en magnetisch veld van veel neuronen tegelijkertijd
o Informatie van veel enkelvoudige neuronen tegelijkertijd onderzoeken
Correlatie ≠ Causaliteit
- Correlatie: er is een verband tss 2 variabelen (het is niet omdat het ene gebeurt dat het andere sws gebeurt)
o Algemeen: hoe meer je studeert hoe beter punten je behaalt (maar is niet altijd zo)
- Causaliteit: er is een oorzakelijk verband tss 2 variabelen(als het ene verandert, dan verandert het andere
sws)
o Als het regent word je nat – als het stpt met regenen word je niet meer nat
Belangrijke begrippen
- INPUT vh CZS:
o Wat: sensoriele informatie (externe energie)
o Hoe: via zintuigen
o Gevolg: receptoren bepalen welke informatie verder verwerkt zal worden door de hersenen
(afhankelijk van diersoort) (zetten externe energie om in bruikbare energie voor de hersenen)
▪ Bv: mens kan enkel zichtbaar licht interpreteren en verwerken (andere dieren ook
infrarood)
- OUTPUT vh CZS: motoriek (spierbweging
- Perceptie = hoe de hersenen de binnenkomende informatie interpreteren
o Soms subjectief (bv kleuren, visuele illusies)
- Manieren waarop we naar lichaam kunnen kijken: coronale vlakken, horizontale vlakken & saggitale vlakken
- Dorsaal, ventraal, mediaal, lateraal, anterior (rostraal), posterior (caudaal)
- Blauw = Cerebrm, cerebrale hersenschors
- Groen = cerebellum, kleine hersenen
- Pons en medulla
- Verschillende lobben
Hoe werken de hersenen
- Bauwstenen = neuronen
- cellichaam waarin kern gelegen is
- dendrieten: korte uitlopers dichtbij cellichaam
- axonen: langere uitlopers waarmee neuron kan communiceren met andere neuronen
o soms lang soms kort
- synaps: contactplaats tss verschillende neuronen
o presynaptisch neuron – synaptische spleet – postsynaptisch neuron
- Elk neuron kan communiceren met 10.000’en andere neuronen, we hebben er ongeveer 80 miljard
H0: Inleidng
We zijn onze hersenen
- Zenuwstelsel = anatomisch & fysiologisch divers geheel van neuronen
o Heel veel verschillende types neuronen (+glia cellen = ondersteunende cellen) (mens: 80 miljoen)
- Gedrag = gevolg van de activiteit van neuronen ih zenuwstelsel (waarneming, motoriek, emoties, motivaties,
geheugen, aandacht…)
o Neuronen vormen netwerken + communiceren met elkaar (elektrische signalen/actiepotentialen)
o Elke neuron kan connecties maken met 10 000 andere neuronen
o Signaal overdracht: cellichaam, neurites (dendriten + axonen), AP (elektrische sugnalen), synaps,
synaptische spleet, neurotransmitters (chemische signalen), receptoren, post synaptisch neuron,…
- Functie van zs berust op verschillende niveaus van complexiteit
o Schakelingen tussen perifeer en centraal zenuwstelsel
o Schakelingen tussen neuronen onderling
o Individuele neuronen hebben verschillende intrinsieke eigenschappen (elektrische en morfologische)
- Ideaal: 1 techniek die de functie vh CZS bepaalt (onmogelijk)
o Organen hebben allemaal een ‘gelijkaardige’ functie ↔ ZS heeft veel complexere functie dat opgedeeld
kan worden in verschillende niveau’s → Functie orgaan ≠ functie cel (neuron)
o Elk niveau is belangrijk! Afwijking thv 1 niveau (kleinste of grootste) = storing van heel het systeem
o Onmogelijk om de functie vh zs met 1 techniek te bepalen → verschillende niveau’s worden met
verschillende technieken onderzocht
o Beginproduct van alle technieken = moleculaire biologie (NTM, synaps,…)
o Tussenproduct van alle technieken = functie + anatomie van enkelvoudige neuronen (deze cursus)
o Eindproduct van alle technieken = gedrag (vak: psychologie)
- Verschillende niveaus vh zs
o Moleculen: neurotransmitters die chemisch signaal vormen om communicatie mogelijk te maken
tussen pre- en postsynaptische cel
o Synapsen: waar NTM zitten en waar ze worden vrijgegeven in synaptische spleet
o Neuronen: elk neuron heeft 100-1000’en synapsen
o Netwerken: spinnewebben van verchillende neuronen die samen functies uitoefenen
▪ Indien ze gelijke eigenschappen hebben, vormen ze samen een sterker netwerk om signalen
door te sturen naar andere cellen
o Mappen: kleine netwerken zijn hierin gegroepeerd
o Systeem: dit alles vormt de hersenen om zo uiteindelijk het volledige zenuwstelsel te vormen
Technieken om de verschillende niveau’s vh centraal zs te onderzoeken
- Elke techniek bevat een onder -en bovengrens op tijd en ruimtelijk vlak (horizontaal en verticaal)
- Technieken kunnen onderverdeeld worden obv
o Tijd: temporele resolutie (waarbij de ondergrens de resolutie weergeeft)
o Ruimt: spatiele resolutie (waarbij de ondergrens de resolutie weergeeft)
o Invasiviteit
, ELEKTRISCHE METINGEN
= rechtstreekse metingen van neurale activiteit
- Correlationele technieken: verband tss stimuli en activiteit vd cel
Je weet niet precies waar het signaal vandaan komt
Single unit recordings / - Beste temporele resolutie (duurt maar enkele milliseconden)
multi unit recordings/ - Zwakke spatiele resolutie
local field potentialen - Invasief
- De basistechniek voor hersenonderzoek
- Pijnloos: hersenen bevatten geen pijnreceptoren
- Nadeel: je weet wat enkelvoudige cel doet, maar niet wat die daar rond doen
- Voordeel: je wet precies welke neuron geactiveerd werd door bepalde stimulus
o Selectiviteit van de cellen bepalen: wat doen de cellen precies?
= rechtstreekse activiteit van enkelvoudige neuronen meten (extracellulair)
Werking:
- Fijne draad met elektrodes wordt in de hersenen gebracht
- Stimulus → NTM binden aan receptoren vd neuronen → ionenkanalen open → kationen
naar binnen → depolarisatie vh membraan → binnen + geladen & buiten - geladen → AP
(elektrische impuls) → Lokale tijdelijke veranderingen van elektrische veld vd neuronen
- Veranderingen van elektrische velden worden gemeten adhv elektrode
Patch clamp techniek = rechtstreekse activiteit van enkelvoudige neuronen meten (intracellulair)
Werking:
- Dmv een elektrode intracellulair in het neuron te brengen
- Meten van specifieke membraan-eigenschappen
o Gebeurtenissen die gebeuren VOOR een AP worden gegenereerd
EEG (elektro-encefalografie)/ - Hoge temporele resolutie
ERP (evoked respons - Lage spatiele resolutie
potentialen) - Niet invasief
- Goedkoop
- Nodig: EEG + versterker nodig
- Nadeel: niet wetel welke neuronen zorgen voor verandering vh elektrisch veld
= activiteit van (veel) verschillende neuronen meten die tegelijkertijd actief zijn thv de schedelhuid
Werking:
- Soort muts met elektrodes aangebracht op de schedehuid
- Neuronen in hersenschors zijn piramidaal en parallel naast elkaar gelegen
- Stimulus → NTM binden aan receptoren vd neuronen → ionenkanalen open → kationen
naar binnen → depolarisatie vh membraan → binnen + geladen & buiten – geladen → AP
(elektrische impuls) → Lokale tijdelijke veranderingen van elektrische veld vd neuronen
- Elektrische veldverandering van 1 neuron kan niet gemeten worden door de elektrode (te
klein signaal) MAAR als verschillende neuronen een AP afvuren wordt het signaal versterkt
omdat de neuronen parallel naast elkaar staan en tegelijkertijd actief zijn
ERP: elektrofysiologische reacties van de hersenen op 1 bepaalde stimulus
- Bv door een visuele stimulus, auditieve stimulus,…
MEG (magneto-encefalografie) - Hoge temporele resolutie (gelijk aan EEG)
- Betere spatiele resolutie dan EEG (maar nog altijd slechter tov andere technieken)
- Niet invasief
- Duur
- Voordeel: betere lokalisatie vh signaal dan EEG (je kan nagaan vanwaar het signaal
afkomstig is)
= verschillen in magnetische velden meten om de activiteit van verschillende neuronen te achterhalen
Werking:
- Hoofd steken in een soort machine
- Stimulus → NTM binden aan receptoren vd neuronen → ionenkanalen open → kationen
naar binnen → depolarisatie vh membraan → binnen + geladen & buiten - geladen → AP
- DUS door het stromen van ionen onstaan er dipolen (elektrisch veld) & magnetische
veldveranderingen → deze woren gemeten
Stroom → elektrische + magnetische veldveranderingen
, FUNCTIONELE METINGEN/ BEELDVORMING
= onrechstreekse metingen van neurale/hersenactiviteit (lokale doorbloeding vd hersen bepalen) (verschillende neuronen)
= hemodynamische technieken (meten vh verschil in O2 gehalte van in de bloedtoevoer)
- Cellen hebben weinig E opslag
- indien ze actief worden moet er zo snel mogelijk bloed naar hen komen om uiteindelijk kun E uit suikers en O2 te halen
- correlationele technieken: er is een verband tss stimuli en activiteit vd cel
Je weet welk gebied actief is, maar niet weke cel
PET - Zeer lage temporele resolutie
(Positron Emission Tomografie) - Spatiele resolutie ?
- Invasief (radioactiviteit)
- Voordeel: je weet precies waar welke types receptoren aanwezig zijn
= activiteit van neuronen/hersenen meten mbv radioactieve stoffen
Werking
- Hoofd van persoon in scanner leggen + radioactieve stoffen worden geïnjecteerd ih bloed
vd hersenen (radioactieve stof zal mee circuleren via bloed)
- Hoe actiever een bepaald gebied vd hersenen is, hoe meer bloedtoevoer in dat gebeid zal
zijn, hoe meer radioactief dat gebied zal zijn
- Op deze manier vergelijken welke handelingen zorgen voor een activatie van gebieden in
de hersenen (hoge radioactiviteit)
o Praten = hoge bloedtoevoer = veel radioactiviteit
o Niet praten = lage bloedtoevoer = weinig radioactiviteit
fMRI - Betere temporele resolutie
(Functional Magnetic - Betere spatiele resolutie
Resonance Imaging) - Niet Invasief
- Duur (hoe sterker de magneten, hoe betere metingen, hoe duurder)
- Nadeel: onrechtstreekse meting
= activiteit van neuronen meten door verhoudingen te meten tussen deoxy-en oxy-hemoglobine
Werking:
- Persoon ligt in grote scanner met sterk magnetisch veld
- O2 rijk bloed reageert anders dan O2 arm bloed met een magnetisch veld
- Hoe actiever een bepaald gebied is vd hersenen, hoe meer bloedtoevoer in dat gebied,
hoe meer O2 er verbruikt wordt, hoe groter de verandering aan hemoglobine zal zijn
- Verlaging van O2 gehalte van hemoglobine → verandering vd magnetische eigenschappen
van hemoglobine → gedetecteerd via de scanner
Scanner meet de verhouding tss O2 rijk en O2 arm hemoglobine
Optical imaging - Hoge temporele resolutie
- Hoge spatiele resolutie
- Invasief
- Lage sensitiviteit: je moet meerdere keren meten voor je resultaat verkrijgt
- Nadeel: het zijn enkel de oppervlakkige structuren die bellicht kunnen worden
= activiteit van neuronen meten door verschil in reflectie van licht tss deoxy-en oxyhemoglobine te
meten
Werking:
- Stukje van de hersenen wordt weggehaald
- Hersenen worden bellicht: licht wordt geabsorbeerd & gereflecteerd
- Camera vangt het gereflecteerde licht op
- O2 arm bloed = blauw – O2 rijk bloed = rood
- Stimulus → activatie van specifieke hersengebieden → hogere doorbloeding → O2
verbruikt → verandering van concentraties O2 rijk/arm bloed → zichtbaar via
kleurverandering op camera
Two-photon Calcium imaging - Hoge Temporele resolutie (maar minder goed dan single units recording)
(GCaMP) - Lage Spatiele resolutie
- Invasief
= activiteit van veel verschillende individuele neuronen meten die tegelijkertijd actief zijn door het
verschil in fluorescentie te meten op individueel celniveau
, Werking:
- Mbv Ca-microscoop
- Cellen worden bespoten met een Ca-gevoelige fluorescente kleurstof (kleurt als Ca
aanwezig is)
- Stimulus → NTM binden aan receptoren → ionen kanalen open → AP → Ca naar binnen
→ intracellulaire concentratie aan Ca stijgt → neuron zal fluoresceren → zichtbaar via de
microscoop (hoe meer fluorescentie, hoe actiever het neuron)
- Als cellen actief worden door stimulus → wordt dat deel vd hersenen gebruikt →
fluoresceert
Functionele ultrasound Niet besproken in de les
imaging (fUSI)
LETSELS
= plaatsen van letsels om oorzakelijk verband aan te tonen tss activiteit/letsel van neuronen en gedrag
- Causale technieken: er is een oorzaak gevolg verband
o Om dit aan te tonen moet de activiteit van de neuronen stopgezet worden (om dat te zien of dit een effect heeft)
▪ Belangrijk om oorzakelijk verband te vinden tss activiteit van neuronen in specifieke hersendelen & gedrag
o Invasief: letsels aanbrengen
▪ Enkel bij proefdieren: je kan hier zeer specifiek deel weghalen
o Soms niet invasief: omkeerbare stopzetting vd activiteit van neuronen/cellen
▪ Plaatselijke verdoving (bij artsen bv)
▪ Chemisch (licht), koeling (T dalen), optogenetica → activiteit neuron stopgezet
o Lage temporele resolutie
o Lage spatiele resolutie
o Letsels zijn vaak aspecifiek (je kan moeilijk een letsel aanbrengen in 1 specifiek deel vd hersenen, vaak meerdere
delen/functies aangetast)
- BV: letsel id zone van Broca → spraakneuronen aangetast → persoon kan niet praten
Transcraniale Magnetische - Niet invasief
Stimulatie (TMS) = activiteit van een bepaald deel vd hersenen controleren mbv stroom
Werking:
- Apparaat dat stroom stuurt door spoel net boven de hersenen
- Verandering vh magnetisch veld ontstaat
- Ifv hoe lang met dat apparaat boven het hoofd houdt, kan men gebieden activeren of niet
- Ifv welk gebied wordt gestimuleerd door de stroom ontstaat er een bepaald gedrag
- Verband tss activiteit van neuronen en gedrag
Microstimulatie = artificieel stimuleren van een groep neuronen
Werking:
- Elektrodes met stroom gebruikt om artificieel bepaalde neuronen te activeren of niet
- Bv: In frontale cortex gebracht (regelt oogbeweging)
- Combinatie microstimulatie & gedrag: men kan niet altijd slechts 1 neuron stimuleren,
vaak worden verschillende neuronen met verschillende functies gestimuleerd (naast
elkaar)
- Verband tss activiteit van neuronen en gedrag
Optogenetica - Beste temporele resolutie
- Beste spatiele resolutie
- Invasief
- Kan activiteit van individuele neuronen verhogen of onderdrukken
o Van enkelvoudige cellen zonder naburige cellen te veranderen
o Ook als je wakker bent (getest op muizen)
- Kan activiteit van netwerken van neuronen verhogen of onderdrukken
= artificieel stimuleren van neuronale activiteit dmv elektrische stimulatie met laserlicht
Werking:
- DNA van neuronen wordt aangepast zodat DNA codeert voor verschillende eiwitten
(opsines) die oiv licht (met bepaalde golflengte), elektrische signalen genereren of
inhiberen
- Indien licht met specifieke golflengte gestraald wordt op de neuronen worden deze actief
of inactief doordat eiwit het licht omzet in elektrische signalen of niet
- Ifv golflengte vh licht → eiwit → bepaalde kanalen open → ladingen naar binnen de cel →
AP
, o Blauw licht = + ionen naar binnen = depolarisatie = activatie
o Geel licht = - ionen naar binnen = hyperpolarisatie = inactivatie
- Gevolg: die neuronen worden geactiveerd of geinhibeerd → activatie of inhibatie vd
functie vh hersendeel dat deze neuronen bevat (bv spraak, beweging,…)
- Geen licht = geen AP = geen activiteit
Grafiek:
- y-as = activiteit
- x-as = tijd
- puntjes = actiepotentialen
- blauw = lichtimpulsen
- rijen puntjes = trials: men doet dat verschillende keren na elkaar.
Ifv type opsine + golflengte neuronen activeren/inhiberen
Combinatie Optogenetica met andere technieken
- Elektrische stimulatie
- Anatomische tractografie
- Optische stimulatie
- Ca-beeldvorming:
o neuronen met calciumgevoelige fluorescentie-eiwitten in hun cellichaam & andere
neuronen waarvan activiteit artificieel gemanipuleerd wordt via optogenetica
o kijken naar wat het effect is van activatie van neuronen mbv licht (optogenetica) op
andere neuronen daarrond (mbv calcium beeldvorming
Connecties in kaart brengen: verband aantonen tss optogenetische stimulatie van gebieden
& activiteit van neuronen (gemeten mbv andere technieken)
Netwerk van neuronen → sommige activeren/inactiveren mbv optogenetica → wat is het
effect op andere neuronen ih netwerk ? (bestuderen van een netwerk via enkelvoudige cellen)
Histologie/ tractografie
- Meten/ nagaan van
o structuur cellen
o gebieden
o connecties tussen gebieden
Moleculaire biologie
- Bestuderen van het beginproduct (de oorzaak van onze hersenactiviteiten)
- hoe informatie tot een cel geraakt, structuur van cellen,…
Psychologie
- Bestuderen van het eindproduct (het gevolg van onze hersenactiviteiten)
- Gedrag, psychofysica
Verschil tss een Elektrisch signaal & een Functioneel/Hemodynamisch signaal
Figuur
- X-as in sec
- Y-as moment waarop visuele stimulus aan en uit wordt gezet
- Eerste grafiek: stimulus die KORT aan en uit wordt gezet
- Tweede grafiek: stimulus die LANG aan en uit wordt gezet
- Grijs = neurale activiteit gemeten dmv. Elektrode van enkelvoudige neuronen (realiteit)
- Elektrisch signaal: komt zeer snel na stimulus
- Hemodynamisch signaal: stimulus → traag proces om AP te vormen
o doordat de verandering van O2 rijk en O2 arm niet direct gebeurt
o piek komt pas na de stimulus
o Metingen gebeuren vertraagd tov realiteit
Het begrip Selectiviteit/Tuning
= hoe actief is een neuron/cel bij een specifieke stimulus? (aantal AP per tijdseenheid)
- Ionenkanalen kunnen selectief zijn voor bepaalde ionen (ifv de lading, grootte, binding,..)
- De selectiviteit van deze kanalen bepaalt hoe snel een AP zal veroorzaakt worden
o Hoe sneller de AP ontstaat, hoe actiever
- Y-as: activiteit
- X-as: stimulus-parameter
- Soms staat het horizontaal, dan veranderen naar verticaal, terug horizontaal...
- Bepaalde neuronen gaan reageren als lijntje horizontaal is maar reageren niet als het verticaal is en omgekeerd.
- Vooral bij technieken van elektrische signalen (+ ook Ca2+ beeldvorming)
o Vooral bij technieken waarbij het elektrisch veld buiten de cel verandert
- BV: een cel kan vorm selectief zijn: indien je naar een sterretje kijkt, zal de cel
actief worden, maar indien je naar bolletje kijkt, wort de cel niet actief
Selectiviteit van 1 cel !!!
Correlatie tss activiteit en stimulus
, Soorten elektrodes
- Enkelvoudige elektrodes
o Extracellulair elektrode plaatsen vlakbij cellichaam v neuron
o Meten van veranderingen van het elektrisch en machistisch veld van 1 neuron
o Informatie over 1 neuron tegelijkertijd onderzoeken
- Elektrode arrays
o Extracellulair electrode plaatsen + versterker
o Meten van veranderingen vh elektrisch en magnetisch veld van veel neuronen tegelijkertijd
o Informatie van veel enkelvoudige neuronen tegelijkertijd onderzoeken
Correlatie ≠ Causaliteit
- Correlatie: er is een verband tss 2 variabelen (het is niet omdat het ene gebeurt dat het andere sws gebeurt)
o Algemeen: hoe meer je studeert hoe beter punten je behaalt (maar is niet altijd zo)
- Causaliteit: er is een oorzakelijk verband tss 2 variabelen(als het ene verandert, dan verandert het andere
sws)
o Als het regent word je nat – als het stpt met regenen word je niet meer nat
Belangrijke begrippen
- INPUT vh CZS:
o Wat: sensoriele informatie (externe energie)
o Hoe: via zintuigen
o Gevolg: receptoren bepalen welke informatie verder verwerkt zal worden door de hersenen
(afhankelijk van diersoort) (zetten externe energie om in bruikbare energie voor de hersenen)
▪ Bv: mens kan enkel zichtbaar licht interpreteren en verwerken (andere dieren ook
infrarood)
- OUTPUT vh CZS: motoriek (spierbweging
- Perceptie = hoe de hersenen de binnenkomende informatie interpreteren
o Soms subjectief (bv kleuren, visuele illusies)
- Manieren waarop we naar lichaam kunnen kijken: coronale vlakken, horizontale vlakken & saggitale vlakken
- Dorsaal, ventraal, mediaal, lateraal, anterior (rostraal), posterior (caudaal)
- Blauw = Cerebrm, cerebrale hersenschors
- Groen = cerebellum, kleine hersenen
- Pons en medulla
- Verschillende lobben
Hoe werken de hersenen
- Bauwstenen = neuronen
- cellichaam waarin kern gelegen is
- dendrieten: korte uitlopers dichtbij cellichaam
- axonen: langere uitlopers waarmee neuron kan communiceren met andere neuronen
o soms lang soms kort
- synaps: contactplaats tss verschillende neuronen
o presynaptisch neuron – synaptische spleet – postsynaptisch neuron
- Elk neuron kan communiceren met 10.000’en andere neuronen, we hebben er ongeveer 80 miljard
