Organisatie van het centrale zenuwstelsel

Het zenuwstelsel bestaat zowel uit een sensorische (input) als motorische (output) systemen. Beide systemen zijn met elkaar verbonden middels complexe intergratieve systemen. De kleinste fundamentele eenheid van het zenuwstelsel is het neuron.

Het Neuron

Een neuron bestaat uit het cellichaam Soma, verschillende dendrieten en 1 axon. Bijna alle neuronen bestaan uit deze drie componenten. Er is echter een grote verscheidenheid in morfologie tussen verschillende neuronen. Het centrale zenuwstelsel bestaat uit meer dan 100 miljard neuronen.

De meeste activiteit in het zenuwstelsel ontstaat doordat sensorische receptoren (is een uiteinde van een sensorisch neuron) worden gestimuleerd. Signalen worden over de perifere zenuwen voortgeleid richting het ruggenmerg. Vanuit het ruggenmerg kunnen signalen richting de hersenen gaan. Sensorische boodschappen worden verwerkt en geïntegreerd met informatie uit verschillende bronnen neuronen, zodat er een geschikte motorische respons kan plaatsvinden. Het motorische deel van het centrale zenuwstelsel is verantwoordelijk voor controle van een variëteit aan activiteiten, zoals contractie van dwarsgestreept en glad spierweefsel en secretie van exo- en endocriene klieren. Een relatief kleine hoeveelheid sensorische informatie die wordt ontvangen door de hersenen wordt gebruikt voor een directe motorische reactie. De meeste informatie is irrelevant. Sensorische input kan opgeslagen worden in het geheugen.

Informatie die is opgeslagen in het geheugen kan gebruikt worden om te beoordelen of nieuwe sensorische input relevant is. Het brein vergelijkt nieuwe sensorische input met opgeslagen informatie en ontwikkelt zo succesvolle motorische output

Functie van het centrale zenuwstelsel

De functie van het centrale zenuwstelsel wordt bepaald door interacties tussen neuronen over specialistische spleten die synapsen worden genoemd. Op het einde van een synaps vormt het synaps vertakkingen die verwijde gebieden bevatten. Deze gebieden worden synaptische boutons genoemd. De synaptische bouton ligt tegenover een postsynaptische structuur (dendriet of soma), maar wordt wel gescheiden door een kleine ruimte (10 tot 30 nanometer). Deze kleine ruimte wordt de synaptische spleet genoemd. Synaptische boutons bevatten een grote hoeveelheid organellen, zoals mitochondria en een grote hoeveelheid bolletjes welke synaptische blaasjes worden genoemd. Deze synaptische blaasjes bevatten een stof die neurotransmitter wordt genoemd. Wanneer de neurotransmitter wordt uitgestoten, bindt deze aan receptoren van het postsynaptische neuron en veranderd de permeabiliteit van het membraan voor bepaalde ionen.

In de hersenen komen chemische en electrische synapsen het meest voor. Van deze twee synapsen in de hersenen komen de chemische synapsen weer het meeste voor. Het presynaptische element, maakt een neurotransmitter bindt aan de postsynaptische neuron. Het postsynaptische neuron wordt geëxciteerd, of geinhibeerd. Het signaal van het presynaptische axon naar het postsynaptische is eenrichtingsvrkeer.

Het minst voorkomende type synaps, is het electrische synaps. Deze synapsen bestaan uit kanalen met een lage weerstand tussen de pre- en postsynaptische neuron. Tussen deze synapsen kunnen verschillende ionen vrij bewegen. Signalen kunnen zo snel verschillende neuronen bereiken.

Wanneer een actiepotentiaal een synaptische bouton, wordt de neurotransmitter in de synaptische spleet gestort. In de synaptische spleet kan het binden aan verschillende receptoren die in het membraan van het postsynaptische dendriet of soma. De excitatoire of inhibatoire actie van de transmitter wordt bepaald door de reactie van het postsynaptische neuron.

Vrijmaken van een neurotransmitter is afhankelijk van calcium

  • Wanneer een actiepotentiaal bij een neuron aankomt, openen geladen calciumkanalen in het membraan van de synaptische bouton en calcium stroomt in de terminus.
  • Instromen van calcium heeft tot gevolg dat synaptische blaasjes naar het presynaptische membraan bewegen. De blaasjes vloeien samen met het presynaptische membraan en door middel van exocytose komt de neurotransmitter vrij in de synaptische spleet. De hoeveelheid transmitter die wordt afgegeven is afhankelijk van de hoeveelheid calcium die de terminus in stroomt.

Actie van een neurotransmitter wordt bepaald door de postsynaptische receptor

Receptoren zijn complexe eiwitstructuren met (1) een bindingsplaats die tot in de synaptische spleet doorloopt en (2) een ionofoor die door het membraan loopt en uitkomt bij het postsynaptische neuron. De ionofoor kan een ionkanaal voor een specifiek ion zijn, of het kan een “second messenger-activator” vormen. In beide gevallen zijn de receptoren gebonden aan een ligand-ion-kanaal.

  • Ligand-ion-kanalen kunnen kationisch zijn -en natrium, kalium, of calcium doorlaten-, of anionisch –en voornamelijk chloride doorlaten-.

Over het algemeen zijn ligand-ion-kanalen die natrium doorlaten richting het postsynaptische neuron excitatoir. Ligand-ion-kanalen die chloride of kalium doorlaten zijn meestal inhibatoir. Kanalen openen en sluiten binnen een milliseconde en daarom zorgen deze mechanismen voor een snelle interactie tussen neuronen.

Second messenger-activatoren zijn meestal G-proteinen die vast zitten aan een deel van de receptor die in het postsynaptische membraan binnendringt. Wanneer een receptor geactiveerd wordt, komt een deel van het G-proteïne vrij en beweegt in het cytoplasma van de postsynaptische neuron en voert 1 van de vier volgende acties uit; (1) openen van een membraankanaal die gevoelig is voor een ion, zoals natrium of kalium. Hierdoor blijft het kanaal langer geopend. (2) activatie van cyclisch Adenosine monofosfaat (cAMP), of cyclisch guanosine monofosfaat (cGMP). Deze stoffen stimuleren het metabolisme in het neuron. (3) Activatie van enzymen, welke biochemische reacties in het postsynaptische neuron initiëren. (4) Activatie van gentranscriptie en eiwitsynthese. Deze reacties kunnen het metabolisme, of de morfologie van een cel veranderen. Elke bovenbeschreven is zeer nuttig om langdurige veranderingen op het gebied van excatibiliteit, biochemie, of functionele activiteit van het postsynaptische neuron te bewerkstelligen.

Chemische stoffen fungeren als een neurotransmitter

Op dit moment (2006) zijn er meer dan 50 stoffen beschreven die voldoen aan de criteria voor een neurotransmitter. Over het algemeen kunnen deze stoffen gescheiden worden in twee groepen: klein moleculaire transmitters en neuro-actieve peptiden.

Klein moleculaire transmitters zijn doorgaans snel reagerende transmitters, die gesynthetiseerd en verpakt kunnen in synaptische blaasjes in het terminale axon.

Het effect van deze transmitters is doorgaans kort (1 milliseconde of korter) en heeft meestal het openen, of sluiten van een ionkanaal tot gevolg. De klein moleculaire transmitters kunnen receptorgeactiveerde enzymen stimuleren en het metabolisme van het postsynaptische neuron veranderen. De synaptische blaasjes die door de ze transmitters worden gebruikt, kunnen hergebruikt worden. Dit gebeurd op het terminale axon. De blaasjes vloeien samen met het presynaptische membraan. Acetylcholine is een veelvoorkomende klein moleculaire transmitter. Acetylcholine wordt gemaakt van coenzym A en choline in aanwezigheid van het enzym choline acetyltransferase. De laatste stof wordt in het soma gemaakt en via axonaal transport aan de synaptische bouton geleverd. Wanneer acetylcholine wordt gestort door de blaasjes in de synaptische spleet, bindt het aan receptoren van het postsynaptische membraan. Binnen milliseconden wordt acetylcholine afgebroken tot acetaat en choline door het enzym acetylcholinesterase. Acetylcholinesterase komt ook voor in de synaptische spleet. Over het algemeen worden klein moleculaire transmitters snel afgebroken.

Neuropeptiden van de tweede groep transmitters worden gesynthetiseerd in het soma als integrale componenten van grote eiwitten. Deze grote eiwitten worden gesplitst in het cellichaam en verpakt in blaasjes door het Golgi-apparaat als actieve peptiden of als een precursor van de neuro-actieve stof. De blaasjes worden aan de terminus van het axon geleverd en de transmitter wordt in de synaptische spleet vrijgegeven, zoals eerder staat beschreven. Over het algemeen worden echter kleinere hoeveelheden neuro-actieve peptiden vrijgegeven, dan van klein moleculaire transmitter. Ook blijven de neuropeptiden langer actief. De peptiden kunnen de functie van het ionkanaal veranderen en het metabolisme en genexpressie veranderen. Deze veranderingen kunnen minuten, uren, dagen of langer aanhouden.

In de meeste gevallen, maken de neuronen maar 1 neurotransmitter. In sommige synaptische boutons worden echter een klein moleculaire neurotransmitter en neuropeptiden gevonden.

Sommige electrische situaties zijn karakteristiek aan een Excitatoire Synaptische interactie

  • Het neuronale membraan heeft rustpotentiaal van -65 millivolts. Het meer positief worden van deze waarde (depolarisatie) maakt de cel meer exciteerbaar. Het meer negatief worden van deze waarde (hyperpolarisatie) maakt de cel minder exciteerbaar.

In rust zijn de extracellulaire en intracellulaire ionconcentraties verschillend. De extracellulaire natriumconcentratie is veel hoger dan de extracellulaire natriumconcentratie. Voor kalium is het tegengestelde het geval. De verdeling van chloride is hetzelfde als voor natrium. De concentratiegradient is echter veel lager voor chloride.

De  Nernstpotentiaal voor een ion is het electrische potentiaal wat tegengesteld is aan de beweging van een ion door zijn concentratiegradient. Nernstpotentiaal (millivolts) = 61xlog(ionconcentratie intracellulair/ionconcentratie extracellulair). Het Nernst potentiaal van Natrium is 61 millivolt. Omdat het rustpotentiaal in neuronen ongeveer -65 millivolt is. Er zou verwacht worden dat Natrium de cel binnen stroomt in rust. Dit gebeurd echter niet, omdat de Natriumkanalen gesloten zijn. Een kleine hoeveelheid lekt in de cel en een kleine hoeveelheid Kalium lekt de cel uit. Een Natrium/Kalium-pomp pompt echter de gelekte ionen weer in en uit de cel.

Het neuronale membraan wordt in rust op -65 millivolt gehouden, omdat het meer permeabel is voor Kalium, dan Natriumionen. Het nettoresultaat is het uitstromen van Kalium uit de cel. Hierdoor wordt de cel negatief in vergelijking met de omgeving. Het interieur van het soma (en de dendrieten) bestaat uit een zeer goed geleidende vloeistof met vrijwel geen electrische weerstand. Daarom verspreiden electrische potentialen in een bepaald deel van de cel zeer snel over de rest van de cel.

Wanneer een transmitter-receptor interactie resulteert in het openen van ligand-Natriumkanaal in het postsynaptisch membraan, stroomt Natrium het postsynaptische neuron binnen en depolariseert het Nernstpotentiaal voor Natrium (+61 millivolt). Dit nieuwe, meer positieve wordt het excitatoire postsynaptische potentiaal (EPSP) genoemd. Wanneer het membraanpotentiaal van het postsynaptsische neuron boven de drempel uit komt van het intiele axonsegment wordt er een actiepotentiaal gegenereerd. Het actiepotentiaal wordt in het initiele axonsegment gegenereerd, omdat hier zeven keer zoveel geladen membraankanalen worden gevonden, dan in andere delen van het neuron. In de meeste gevallen kan alleen de gelijktijdige ontlading van veel axontermini het postsynaptische neuron boven de prikkeldrempel uit laten komen. Dit wordt summatie genoemd.

Sommige electrische situaties zijn karakteristiek aan een Inhibitoire Synaptische interactie

  • Neurotransmitters die selectief ligand chloridekanalen openen staan aan de basis van een inhibatoire postsynaptische potentiaal (IPSP).

Het Nernstpotentiaal van chloride is -70 millivolt. Over het algemeen is dit meer negatief dan het rustpotentiaal van het postsynaptische neuron. Het resultaat is het instromen van Chloride in de cel. Het membraanpotentiaal wordt meer negatief (hyperpolarisatie) en de cel is minder exciteerbaar. Als gelijktijdig een transmitter selectief een geladen Kaliumkanaal pont, verlaten Kaliumionen de cel. Hierdoor wordt het celinterieur meer negatief.

Een ander inhibatoir mechanisme heeft plaats op het celmembraan. In sommige neuronen is het rustpotentiaal  bijna gelijk aan het Nernstpotentiaal van chloride. Wanneer er geen chloridekanalen openen, bewegen Chloride-ionen zeer snel op en neer. Wanneer een EPSP ontstaat, zorgt de Chloride-ionenflux ervoor dat de instroom van Natriumionen 5 tot 20 keer zo hoog moet zijn om het Nernstpotentiaal van het Chloridepotentiaal af te laten wijken. Dit maakt de cel minder exciteerbaar tijdens een periode van Chloride-ionen flux.

EPSP’s en IPSP’s kunnen in tijd en ruimte worden opgeteld

  • Temporele summatie komt voor wanneer een tweede postsynaptsich potentiaal (excitatoir of inhibitoir) aankomt, voordat het membraan terugkeert naar het rustpotentiaal. Omdat een postsynaptisch potentiaal ongeveer 15 milliseconden aanhoudt en de ionkanalen maar 1 milliseconde geopend zijn, is er gewoonlijk genoeg tijd voor het opnieuw openen van ionkanalen tijdens de duur van een postsynaptisch potentiaal. De effecten van twee potentialen die elkaar in de tijd opvolgen kunnen worden gesommeerd.
  • Spatiele summatie komt voor wanneer meerder axon termini op het oppervlakte van een neuron gelijktijdig actief zijn. Hun samengestelde effect kan worden gesommeerd. Het gecombineerde postsynaptische potentiaal is groter dan 1 potentiaal. Over het algemeen is 1 EPSP ongeveer 0,5 tot 1 millivolt –veel minder dan 10 tot 20 millivolt, die nodig is om de prikkeldrempel te overschrijden-. Spatiele summatie zorgt ervoor dat de gecombineerde EPSP de prikkeldrempel kunnen overschrijden.

Op elk moment combineert een neuron de effecten van alle IPSP’s en EPSP’s welke aankomen op de oppervlakte. Het postsynaptische neuron kan (1) meer exciteerbaar raken en zijn meer impulsen vuren, of (2) minder exciteerbaar raken en minder impulsen vuren.

Dendrieten hebben speciale functies tijdens excitatie en inhibitie van neuronen

Omdat de oppervlakte van de dendrieten een groot deel van de totale oppervlakte van een innemen, eindigen 80 tot 95% van alle synaptische boutons op een dendriet. Dendrieten hebben relatief weinig geladen ionkanalen op hun oppervlakte en zijn dus slecht in staat om actiepotentialen te propageren. Ze kunnen echter door electrotonische geleiding de electrische stroom geleiden. Dit systeem is echter wel onderhevig aan vertraging in tijd en ruimte. Excitatoire of inhibitoire postsynaptische signalen die op het uiteinde van een dendriet worden opgewekt, kunnen zoveel vertraging oplopen dat ze op het initiële segment van het soma niet de prikkeldrempel kunnen overschrijden. Als het electrische signaal op het dendriet dichter bij het initiële segment aankomt, loopt het signaal minder vertraging op.

Snelheid van vuren is afhankelijk van exciteerbaarheid

Veel factoren dragen bij de prikkeldrempel. Sommige neuronen zijn beter exciteerbaar, dan andere neuronen. Andere neuronen kunnen echter sneller gaan vuren wanneer de prikkeldrempel eenmaal is overschreden. De snelheid van vuren van een neuron staat in verhouding met de overschrijding van de prikkeldrempel.

Synaptische geleiding heeft speciale kenmerken

  • Wanneer synapsen repetitief snel worden gestimuleerd, neemt de reactie van een postsynaptisch neuron af. Het neuron raakt vermoeid. Vermoeidheid is het gevolg van minder calcium in het postsynaptische bouton en het onvermogen om snel transmitter te maken.
  • Wanneer excitatoire synapsen onderhevig zijn aan repetitieve (tetanische) stimulatie en gevolgd worden door een korte rust, is voor een volgende activatie van het synaps minder stimulatie nodig. Dit fenomeen wordt post-synaptische facilitatie genoemd.
  • De pH van de extracellulaire synaptische omgeving is van invloed op de synaptische functie. Een verlaagde pH (zure omgeving) verhoogd de exciteerbaarheid. Een verhoogde pH (alkalische omgeving) verlaagd de exciteerbaarheid.
  • Een afname van de zuurstofconcentratie verlaagd de synaptische activiteit.
  • De effecten van medicijnen en andere chemische stoffen op de exciteerbaarheid van neuronen is zeer divers en complex. Cafeïne verhoogd de exciteerbaarheid van veel neuronen. Strychnine verlaagd indirect de exciteerbaarheid door bepaalde interneuronen te inhiberen.
  • Het stromen van een electrische lading over een synaps vereist tijd. Deze tijd varieert per neuronenpool. Deze vertraging wordt synaptische vertraging genoemd. De synaptische vertraging wordt beïnvloed door (1) de tijd voordat een neurotransmitter vrijkomt, (2) de tijd voordat een neurotransmitter diffundeert, (3) de tijd voordat de neurotransmitter aan de receptor bindt, (4) de tijd voordat de receptor actie ondernemen en (5) de tijd voordat ionen in de postsynaptische cel diffunderen en het membraanpotentiaal veranderen.

Lees ook:

Loop geen inkomsten mis, schrijf over hobby, werk of studie en verdien extra inkomsten!

Maak je eigen geldmachine in 8 stappen en wordt financieel onafhankelijk

Inleiding in de fysiologie van het zenuwstelsel

Zenuwstelsel: sensorische receptoren

Bouw, onderdelen (organellen) en functie van de cel

Tien (10) manieren om slimmer te worden

Bronnen:

JE. Hall, 2006, Pocket Companion to Textbook of Medical Physiology,  Elsevier Inc
GA Thibodeau, Patton KT 2007, Anatomy & Physiology, Mosby/Elsevier
EN Marieb, Hoehn K 2007, Human Anatomy & Physiology, Pearson/Benjamin Cummings