Inleiding en onderzoekstechnieken (1)
Neurofysiologie
Neurofysiologie inleiding
Neurofysiologie = studie van de werking en functie(s) van zenuwstelsel
1. Centraal zenuwstelsel
└ Hersenen (grote, kleine)
└ Hersenstam
└ Ruggenmerg
2. Perifeer zenuwstelsel
└ Somatisch zenuwstelsel (perifere zenuwen)
→ Sensorische zenuwen: input naar CZS
→ Motorische zenuwen: output van CZS
└ Autonoom zenuwstelsel: werking organen, klieren, bloedvaten, spijsvertering, ademhaling
Hersenen produceren gedrag:
- Alle waarnemingen, emoties, herinneringen, motoriek, dromen, ambities, toekomstplannen komen
tot stand in de hersenen
1) Prikkels uit omgeving (of intern) worden opgevangen door receptoren (zicht, reuk, smaak, gehoor,
tast)
└ Sensatie = transformatie van fysische stimuli in elektrische (neuronale) signalen
2) Hersenen verwerken (een deel van) deze info = integratie
└ Perceptie = het resultaat van het selecteren (interne filter: ‘aandacht’), organiseren en
interpreteren (afhankelijk van context, ervaring, …) van deze informatie
3) Motor output: interactie met omgeving
- Perceptie is steeds interpretatie, niet alleen passieve registratie van informatie door de zintuigen
- Conclusie: zelfde soort sensorische info kan verschillend verwerkt worden in het brein
Hersenen bestuderen
Cel theorie
= basiseenheid van levende organismen is de cel
- Van toepassing op alle organen, maar niet duidelijk voor hersenen
- Basiseenheid van de hersenen
└ Reticulum = doorlopend net van hersencellen
of
└ Individuele cellen die met elkaar communiceren
- Nissl kleuring: kleuring celkernen en Nissl lichamen rond de kern van neuronen niet ganse ZC
- Golgi kleuring: kleuring cellichamen, dendrieten en axonen
- Elektronenmicroscopie: visualisatie synaps
,Neuron doctrine
= neuronen zijn de anatomische en fysiologische basiseenheid van het zenuwstelsel → werking van de
hersenen is terug te brengen tot elektrische activiteit van neuronen
- Begrijpen samenhang neuronen begrijpen van fenomenen op wereldschaal obv gedrag van
individuen
└ Reductionisme: kan gedrag begrepen worden door uitgebreide kennis van 1/enkele
neuronen?
└ Bv. kleurperceptie, depressie en verslaving → rol van andere celtypes
Werking hersenen vloeit voort uit:
1. De intrinsieke eigenschappen van neuronen: moleculair, elektrisch, morfologisch
2. Schakelingen van neuronen met
└ Periferie: receptor-epithelen (huid, netvlies)
└ Effectororganen (spieren, klieren)
└ Andere neuronen: belang van netwerken en connecties (=bedrading) tussen hersengebieden
→ Zoogdieren: bedrading uniek voor elk individu, niet gecodeerd door genoom (itt. C. elegans)
Connectoom
= in kaart brengen van netwerk van alle (of belangrijkste) verbindingen in hersenen
- Gebeurt bij
└ Gezonde personen
└ Personen met hersenstoornissen (vb. Alzheimer, schizofrenie, autisme, depressie, …)
- Doel: diagnose van allerlei hersen-aandoening/stoornissen obv afwijkend hersennetwerk + mogelijks
gerichte therapie/medicatie
- C. Elegans: 302 of 285 neuronen → volledig connectoom in kaart gebracht
Glia cellen (Glia = lijm)
- Spelen belangrijke rol in werking (ondersteuning) van neuronen
Astrocyten Energie metabolisme van neuronen
Microglia Immuunrespons
(macrofagen) Bv. ruimen dode cellen, bacteriën, … op
Oligodendrocyten Geleiding actiepotentialen
Ependymcellen Productie hersenvocht
Astrocyten Regulatie werking synapsen
→ Communicatie door astrocyten via Calcium golven
→ Visualisatie met voltage-gevoelige kleurstoffen = optical
imaging
- Rol van glia cellen in cognitie niet (volledig) gekend
- Lange tijd gedacht dat gliacellen niet actief communiceren met elkaar
,Complexiteit hersenen
Relatie structuur en functie = veel complexer dan andere organen
1. Enorme structurele en functionele diversiteit
└ Meer celtypes dan in andere organen
2. Veel niveaus in de organisatie
└ Studie op meerdere organisatieniveaus belangrijk
→ Bv. visueel systeem van mens beter begrijpen via rhesusaap
→ Retinale ganglion cel = startcel
3. Oorzaak en gevolg moeilijk te ontwarren
└ Algemeen: gen → structuur → functie
→ Niet zo bij de hersenen
└ Bv. slechtwerkend spiegelsysteem
= neuronen worden actief bij het zelf meemaken/ zien gebeuren van een bepaalde actie
→ Slecht werkend spiegelsysteem autisme stoornis
→ Autisme stoornis defect spiegelsysteem
- Cognitieve of gedragsaspecten kunnen verklaard worden adhv eigenschappen en verbindingen tussen
neuronen
└ Bv. waarneming beweging/kleur
└ Maar: wat is de link tussen werking neuronen en cognitieve aspecten of karaktertrekken?
→ Bv. Wat was de basis van Einstein’s intelligentie?
Verschillende niveaus organisatie zenuwstelsel
→ Afwijking op elk niveau storing ganse systeem
- Hersenaandoeningen/ziekten meestal door veranderingen op meerdere niveaus
- System = visueel systeem
- Mappen = aparte gebieden met specifieke
functie
, Onderzoekstechnieken
- Structuur
= anatomie of connecties tussen gebieden - Functie
(witte stof banen) = werking
- Directe meting neuronale activiteit - Indirecte meting
= meten van actiepotentialen, = via metabole of vasculaire koppeling
geïntegreerde potentialen van groter
gebied, massapotentialen
- Lokale meting - Gans de hersenen
- Invasief - Niet invasief
- Hoge spatiale resolutie - Lage spatiale resolutie
= veel pixels = weinig pixels
preciezer minder precies
- Hoge temporele resolutie - Lage temporele resolutie
= snel gebeurtenissen detecteren = traag gebeurtenissen detecteren
- Correlatie - Causatie
= verband = oorzakelijk verband
- Mens - Proefdier
Magnetische resonantie beeldvorming (MRI)
- Structurele MRI
└ Onderscheid tussen verschillende weefsels: grijze stof, witte stof, CSV, bloedvaten
- Diffusie metingen mbv MRI
└ Verbindingen tussen gebieden (witte stof banen)
└ DTI, DSI
Diffusie tensor imaging = meten van verplaatsing van watermoleculen in richtingen in elke voxel
(DTI)
- Niet invasief
- Berekenen van ‘stroomlijnen’ vanuit bepaald startgebied
- Watermoleculen bewegen makkelijker parallel met het axon
└ Hoofdrichting meten richting witte stof baan
- FA = fractionele anisotropie = index voor hvh van diffusie asymmetrie in een voxel
→ diffusie heeft duidelijk een hoofdrichting
└ FA map toont alle FA waarden in hersenscan
└ Lichte gebieden = meer anisotroop
└ Donkere gebieden = minder anisotroop
- Isotropie = geen hoofdrichting geen witte stof baan
Geen conclusies over richting van informatieflow
Neurofysiologie
Neurofysiologie inleiding
Neurofysiologie = studie van de werking en functie(s) van zenuwstelsel
1. Centraal zenuwstelsel
└ Hersenen (grote, kleine)
└ Hersenstam
└ Ruggenmerg
2. Perifeer zenuwstelsel
└ Somatisch zenuwstelsel (perifere zenuwen)
→ Sensorische zenuwen: input naar CZS
→ Motorische zenuwen: output van CZS
└ Autonoom zenuwstelsel: werking organen, klieren, bloedvaten, spijsvertering, ademhaling
Hersenen produceren gedrag:
- Alle waarnemingen, emoties, herinneringen, motoriek, dromen, ambities, toekomstplannen komen
tot stand in de hersenen
1) Prikkels uit omgeving (of intern) worden opgevangen door receptoren (zicht, reuk, smaak, gehoor,
tast)
└ Sensatie = transformatie van fysische stimuli in elektrische (neuronale) signalen
2) Hersenen verwerken (een deel van) deze info = integratie
└ Perceptie = het resultaat van het selecteren (interne filter: ‘aandacht’), organiseren en
interpreteren (afhankelijk van context, ervaring, …) van deze informatie
3) Motor output: interactie met omgeving
- Perceptie is steeds interpretatie, niet alleen passieve registratie van informatie door de zintuigen
- Conclusie: zelfde soort sensorische info kan verschillend verwerkt worden in het brein
Hersenen bestuderen
Cel theorie
= basiseenheid van levende organismen is de cel
- Van toepassing op alle organen, maar niet duidelijk voor hersenen
- Basiseenheid van de hersenen
└ Reticulum = doorlopend net van hersencellen
of
└ Individuele cellen die met elkaar communiceren
- Nissl kleuring: kleuring celkernen en Nissl lichamen rond de kern van neuronen niet ganse ZC
- Golgi kleuring: kleuring cellichamen, dendrieten en axonen
- Elektronenmicroscopie: visualisatie synaps
,Neuron doctrine
= neuronen zijn de anatomische en fysiologische basiseenheid van het zenuwstelsel → werking van de
hersenen is terug te brengen tot elektrische activiteit van neuronen
- Begrijpen samenhang neuronen begrijpen van fenomenen op wereldschaal obv gedrag van
individuen
└ Reductionisme: kan gedrag begrepen worden door uitgebreide kennis van 1/enkele
neuronen?
└ Bv. kleurperceptie, depressie en verslaving → rol van andere celtypes
Werking hersenen vloeit voort uit:
1. De intrinsieke eigenschappen van neuronen: moleculair, elektrisch, morfologisch
2. Schakelingen van neuronen met
└ Periferie: receptor-epithelen (huid, netvlies)
└ Effectororganen (spieren, klieren)
└ Andere neuronen: belang van netwerken en connecties (=bedrading) tussen hersengebieden
→ Zoogdieren: bedrading uniek voor elk individu, niet gecodeerd door genoom (itt. C. elegans)
Connectoom
= in kaart brengen van netwerk van alle (of belangrijkste) verbindingen in hersenen
- Gebeurt bij
└ Gezonde personen
└ Personen met hersenstoornissen (vb. Alzheimer, schizofrenie, autisme, depressie, …)
- Doel: diagnose van allerlei hersen-aandoening/stoornissen obv afwijkend hersennetwerk + mogelijks
gerichte therapie/medicatie
- C. Elegans: 302 of 285 neuronen → volledig connectoom in kaart gebracht
Glia cellen (Glia = lijm)
- Spelen belangrijke rol in werking (ondersteuning) van neuronen
Astrocyten Energie metabolisme van neuronen
Microglia Immuunrespons
(macrofagen) Bv. ruimen dode cellen, bacteriën, … op
Oligodendrocyten Geleiding actiepotentialen
Ependymcellen Productie hersenvocht
Astrocyten Regulatie werking synapsen
→ Communicatie door astrocyten via Calcium golven
→ Visualisatie met voltage-gevoelige kleurstoffen = optical
imaging
- Rol van glia cellen in cognitie niet (volledig) gekend
- Lange tijd gedacht dat gliacellen niet actief communiceren met elkaar
,Complexiteit hersenen
Relatie structuur en functie = veel complexer dan andere organen
1. Enorme structurele en functionele diversiteit
└ Meer celtypes dan in andere organen
2. Veel niveaus in de organisatie
└ Studie op meerdere organisatieniveaus belangrijk
→ Bv. visueel systeem van mens beter begrijpen via rhesusaap
→ Retinale ganglion cel = startcel
3. Oorzaak en gevolg moeilijk te ontwarren
└ Algemeen: gen → structuur → functie
→ Niet zo bij de hersenen
└ Bv. slechtwerkend spiegelsysteem
= neuronen worden actief bij het zelf meemaken/ zien gebeuren van een bepaalde actie
→ Slecht werkend spiegelsysteem autisme stoornis
→ Autisme stoornis defect spiegelsysteem
- Cognitieve of gedragsaspecten kunnen verklaard worden adhv eigenschappen en verbindingen tussen
neuronen
└ Bv. waarneming beweging/kleur
└ Maar: wat is de link tussen werking neuronen en cognitieve aspecten of karaktertrekken?
→ Bv. Wat was de basis van Einstein’s intelligentie?
Verschillende niveaus organisatie zenuwstelsel
→ Afwijking op elk niveau storing ganse systeem
- Hersenaandoeningen/ziekten meestal door veranderingen op meerdere niveaus
- System = visueel systeem
- Mappen = aparte gebieden met specifieke
functie
, Onderzoekstechnieken
- Structuur
= anatomie of connecties tussen gebieden - Functie
(witte stof banen) = werking
- Directe meting neuronale activiteit - Indirecte meting
= meten van actiepotentialen, = via metabole of vasculaire koppeling
geïntegreerde potentialen van groter
gebied, massapotentialen
- Lokale meting - Gans de hersenen
- Invasief - Niet invasief
- Hoge spatiale resolutie - Lage spatiale resolutie
= veel pixels = weinig pixels
preciezer minder precies
- Hoge temporele resolutie - Lage temporele resolutie
= snel gebeurtenissen detecteren = traag gebeurtenissen detecteren
- Correlatie - Causatie
= verband = oorzakelijk verband
- Mens - Proefdier
Magnetische resonantie beeldvorming (MRI)
- Structurele MRI
└ Onderscheid tussen verschillende weefsels: grijze stof, witte stof, CSV, bloedvaten
- Diffusie metingen mbv MRI
└ Verbindingen tussen gebieden (witte stof banen)
└ DTI, DSI
Diffusie tensor imaging = meten van verplaatsing van watermoleculen in richtingen in elke voxel
(DTI)
- Niet invasief
- Berekenen van ‘stroomlijnen’ vanuit bepaald startgebied
- Watermoleculen bewegen makkelijker parallel met het axon
└ Hoofdrichting meten richting witte stof baan
- FA = fractionele anisotropie = index voor hvh van diffusie asymmetrie in een voxel
→ diffusie heeft duidelijk een hoofdrichting
└ FA map toont alle FA waarden in hersenscan
└ Lichte gebieden = meer anisotroop
└ Donkere gebieden = minder anisotroop
- Isotropie = geen hoofdrichting geen witte stof baan
Geen conclusies over richting van informatieflow
