Informatie

35.2: Hoe neuronen communiceren - Biologie


Vaardigheden om te ontwikkelen

  • Beschrijf de basis van de rustmembraanpotentiaal
  • Leg de stadia van een actiepotentiaal uit en hoe actiepotentialen worden gepropageerd
  • Leg de overeenkomsten en verschillen uit tussen chemische en elektrische synapsen
  • Beschrijf langetermijnpotentiëring en langdurige depressie

Alle functies die door het zenuwstelsel worden uitgevoerd - van een eenvoudige motorreflex tot meer geavanceerde functies zoals het maken van een herinnering of een beslissing - vereisen dat neuronen met elkaar communiceren. Terwijl mensen woorden en lichaamstaal gebruiken om te communiceren, gebruiken neuronen elektrische en chemische signalen. Net als een persoon in een commissie, ontvangt en synthetiseert één neuron meestal berichten van meerdere andere neuronen voordat hij "de beslissing neemt" om het bericht naar andere neuronen te sturen.

Zenuwimpulstransmissie binnen een neuron

Om het zenuwstelsel te laten functioneren, moeten neuronen signalen kunnen verzenden en ontvangen. Deze signalen zijn mogelijk omdat elk neuron een geladen celmembraan heeft (een spanningsverschil tussen de binnenkant en de buitenkant), en de lading van dit membraan kan veranderen als reactie op neurotransmittermoleculen die vrijkomen uit andere neuronen en omgevingsstimuli. Om te begrijpen hoe neuronen communiceren, moet men eerst de basis begrijpen van de basislijn of 'rustende' membraanlading.

Neuronaal geladen membranen

Het lipide dubbellaags membraan dat een neuron omringt, is ondoordringbaar voor geladen moleculen of ionen. Om het neuron binnen te gaan of te verlaten, moeten ionen door speciale eiwitten gaan, ionenkanalen genaamd, die het membraan overspannen. Ionenkanalen hebben verschillende configuraties: open, gesloten en inactief, zoals geïllustreerd in afbeelding (PageIndex{1}). Sommige ionenkanalen moeten worden geactiveerd om te openen en ionen de cel in of uit te laten gaan. Deze ionenkanalen zijn gevoelig voor de omgeving en kunnen dienovereenkomstig van vorm veranderen. Ionenkanalen die hun structuur veranderen als reactie op spanningsveranderingen, worden spanningsafhankelijke ionenkanalen genoemd. Spanningsafhankelijke ionenkanalen regelen de relatieve concentraties van verschillende ionen binnen en buiten de cel. Het verschil in totale lading tussen de binnenkant en de buitenkant van de cel wordt de membraanpotentiaal genoemd.

Link naar leren

Deze video bespreekt de basis van de rustmembraanpotentiaal.

Rustmembraanpotentieel

Een neuron in rust is negatief geladen: de binnenkant van een cel is ongeveer 70 millivolt negatiever dan de buitenkant (−70 mV, merk op dat dit aantal verschilt per neurontype en per soort). Deze spanning wordt de rustmembraanpotentiaal genoemd; het wordt veroorzaakt door verschillen in de concentraties van ionen binnen en buiten de cel. Als het membraan even permeabel zou zijn voor alle ionen, zou elk type ion door het membraan stromen en zou het systeem een ​​evenwicht bereiken. Omdat ionen niet zomaar het membraan kunnen passeren, zijn er verschillende concentraties van verschillende ionen binnen en buiten de cel, zoals weergegeven in de onderstaande tabel. Het verschil in het aantal positief geladen kaliumionen (K+) binnen en buiten de cel domineert de rustmembraanpotentiaal (Figuur (PageIndex{2})). Wanneer het membraan in rust is, K+ ionen hopen zich op in de cel als gevolg van een netto beweging met de concentratiegradiënt. De negatieve rustmembraanpotentiaal wordt gecreëerd en gehandhaafd door de concentratie van kationen buiten de cel (in de extracellulaire vloeistof) te verhogen ten opzichte van binnen de cel (in het cytoplasma). De negatieve lading in de cel wordt gecreëerd doordat het celmembraan meer doorlaatbaar is voor kaliumionenbeweging dan voor natriumionenbewegingen. In neuronen worden kaliumionen in hoge concentraties in de cel gehouden, terwijl natriumionen in hoge concentraties buiten de cel worden gehouden. De cel bezit kalium- en natriumlekkagekanalen waardoor de twee kationen door hun concentratiegradiënt kunnen diffunderen. De neuronen hebben echter veel meer kaliumlekkanalen dan natriumlekkanalen. Daarom diffundeert kalium veel sneller de cel uit dan natrium naar binnen lekt. Omdat er meer kationen de cel verlaten dan er binnenkomen, wordt het binnenste van de cel negatief geladen ten opzichte van de buitenkant van de cel. De acties van de natriumkaliumpomp helpen om het rustpotentieel te behouden, als het eenmaal is vastgesteld. Bedenk dat natriumkaliumpompen twee K . opleveren+ ionen de cel in terwijl drie Na . worden verwijderd+ ionen per verbruikt ATP. Omdat er meer kationen uit de cel worden verdreven dan opgenomen, blijft de binnenkant van de cel negatief geladen ten opzichte van de extracellulaire vloeistof. Opgemerkt moet worden dat calciumionen (Cl) hebben de neiging zich buiten de cel op te hopen omdat ze worden afgestoten door negatief geladen eiwitten in het cytoplasma.

Tabel (PageIndex{1}): Ionenconcentratie binnen en buiten neuronen. De rustmembraanpotentiaal is het resultaat van verschillende concentraties binnen en buiten de cel.

IonExtracellulaire concentratie (mM)Intracellulaire concentratie (mM)Verhouding buiten/binnen
Na+1451212
K+41550.026
Cl−120430
Organische anionen (A−)100

Actiepotentiaal

Een neuron kan input ontvangen van andere neuronen en, als deze input sterk genoeg is, het signaal naar stroomafwaartse neuronen sturen. Overdracht van een signaal tussen neuronen wordt over het algemeen gedragen door een chemische stof die een neurotransmitter wordt genoemd. Overdracht van een signaal binnen een neuron (van dendriet naar axonuiteinde) wordt gedragen door een korte omkering van het rustmembraanpotentiaal dat een actiepotentiaal wordt genoemd. Wanneer neurotransmittermoleculen binden aan receptoren die zich op de dendrieten van een neuron bevinden, gaan ionenkanalen open. Bij exciterende synapsen zorgt deze opening ervoor dat positieve ionen het neuron binnendringen en resulteert in depolarisatie van het membraan - een afname van het verschil in spanning tussen de binnenkant en de buitenkant van het neuron. Een stimulus van een sensorische cel of een ander neuron depolariseert het doelneuron tot zijn drempelpotentiaal (-55 mV). nee+ kanalen in de axonheuvel gaan open, waardoor positieve ionen de cel kunnen binnendringen (Figuur (PageIndex{3}) en Figuur (PageIndex{4})). Zodra de natriumkanalen openen, depolariseert het neuron volledig tot een membraanpotentiaal van ongeveer +40 mV. Actiepotentialen worden beschouwd als een "alles-of-niets"-gebeurtenis, in die zin dat, zodra de drempelpotentiaal is bereikt, het neuron altijd volledig depolariseert. Als de depolarisatie eenmaal is voltooid, moet de cel nu zijn membraanspanning terugstellen naar de rustpotentiaal. Om dit te bereiken, de Na+ kanalen sluiten en kunnen niet worden geopend. Dit begint de refractaire periode van het neuron, waarin het geen nieuwe actiepotentiaal kan produceren omdat zijn natriumkanalen niet openen. Tegelijkertijd, spanningsafhankelijke K+ kanalen open, waardoor K+ de cel te verlaten. Vragen+ ionen de cel verlaten, wordt de membraanpotentiaal weer negatief. De diffusie van K+ uit de cel hyperpolariseert de cel in feite, in die zin dat de membraanpotentiaal negatiever wordt dan de normale rustpotentiaal van de cel. Op dit punt keren de natriumkanalen terug naar hun rusttoestand, wat betekent dat ze klaar zijn om weer te openen als de membraanpotentiaal opnieuw de drempelpotentiaal overschrijdt. Uiteindelijk de extra K+ ionen diffunderen uit de cel via de kaliumlekkanalen, waardoor de cel uit zijn hypergepolariseerde toestand teruggaat naar zijn rustmembraanpotentiaal.

Kunstverbinding

Kaliumkanaalblokkers, zoals amiodaron en procaïnamide, die worden gebruikt voor de behandeling van abnormale elektrische activiteit in het hart, hartritmestoornissen genaamd, belemmeren de beweging van K+ door spanningsafhankelijke K+-kanalen. Welk deel van de actiepotentiaal zou je verwachten dat kaliumkanalen beïnvloeden?

Link naar leren

Deze video geeft een overzicht van actiepotentiaal.

Myeline en de verspreiding van het actiepotentieel

Opdat een actiepotentiaal informatie aan een ander neuron kan doorgeven, moet het langs het axon reizen en de axonuiteinden bereiken waar het de afgifte van neurotransmitters kan initiëren. De geleidingssnelheid van een actiepotentiaal langs een axon wordt beïnvloed door zowel de diameter van het axon als de weerstand van het axon tegen stroomlek. Myeline werkt als een isolator die voorkomt dat stroom het axon verlaat; dit verhoogt de snelheid van actiepotentiaalgeleiding. Bij demyeliniserende ziekten zoals multiple sclerose vertraagt ​​de geleiding van actiepotentiaal omdat stroom lekt uit voorheen geïsoleerde axongebieden. De knopen van Ranvier, geïllustreerd in figuur (PageIndex{5}) zijn gaten in de myelineschede langs het axon. Deze niet-gemyeliniseerde ruimten zijn ongeveer een micrometer lang en bevatten spanningsafhankelijke Na+ en K+ kanalen. Stroom van ionen door deze kanalen, met name de Na+ kanalen, regenereert het actiepotentiaal keer op keer langs het axon. Dit 'springen' van de actiepotentiaal van de ene knoop naar de andere wordt saltatorische geleiding genoemd. Als er geen knopen van Ranvier langs een axon aanwezig waren, zou de actiepotentiaal zich zeer langzaam voortplanten omdat Na+ en K+ kanalen zouden continu actiepotentialen moeten regenereren op elk punt langs het axon in plaats van op specifieke punten. Knopen van Ranvier besparen ook energie voor het neuron, omdat de kanalen alleen aanwezig hoeven te zijn bij de knopen en niet langs het hele axon.

Synaptische transmissie

De synaps of "gap" is de plaats waar informatie van het ene neuron naar het andere wordt overgedragen. Synapsen vormen zich meestal tussen axonuiteinden en dendritische stekels, maar dit is niet overal waar. Er zijn ook axon-naar-axon-, dendriet-naar-dendriet- en axon-naar-cellichaamsynapsen. Het neuron dat het signaal doorgeeft, wordt het presynaptische neuron genoemd en het neuron dat het signaal ontvangt, wordt het postsynaptische neuron genoemd. Merk op dat deze aanduidingen betrekking hebben op een bepaalde synaps - de meeste neuronen zijn zowel presynaptisch als postsynaptisch. Er zijn twee soorten synapsen: chemische en elektrische.

Chemische synaps

Wanneer een actiepotentiaal de axonterminal bereikt, depolariseert het het membraan en opent het spanningsafhankelijke Na+ kanalen. nee+ ionen komen de cel binnen en depolariseren het presynaptische membraan verder. Deze depolarisatie veroorzaakt spanningsafhankelijke Ca2+ kanalen te openen. Calciumionen die de cel binnenkomen, initiëren een signaalcascade die ervoor zorgt dat kleine membraangebonden blaasjes, synaptische blaasjes genaamd, die neurotransmittermoleculen bevatten, fuseren met het presynaptische membraan. Synaptische blaasjes worden getoond in figuur (PageIndex{6}), een afbeelding van een scanning elektronenmicroscoop.

Fusie van een blaasje met het presynaptische membraan zorgt ervoor dat neurotransmitter vrijkomt in de synaptische spleet, de extracellulaire ruimte tussen de presynaptische en postsynaptische membranen, zoals geïllustreerd in figuur (PageIndex{7}). De neurotransmitter diffundeert door de synaptische spleet en bindt zich aan receptoreiwitten op het postsynaptische membraan.

De binding van een specifieke neurotransmitter zorgt ervoor dat bepaalde ionenkanalen, in dit geval ligand-gated kanalen, op het postsynaptische membraan opengaan. Neurotransmitters kunnen een stimulerend of remmend effect hebben op het postsynaptische membraan, zoals beschreven in de onderstaande tabel. Wanneer bijvoorbeeld acetylcholine wordt afgegeven aan de synaps tussen een zenuw en spier (de neuromusculaire junctie genoemd) door een presynaptisch neuron, veroorzaakt het postsynaptische Na+ kanalen te openen. nee+ gaat de postsynaptische cel binnen en zorgt ervoor dat het postsynaptische membraan depolariseert. Deze depolarisatie wordt een excitatoire postsynaptische potentiaal (EPSP) genoemd en zorgt ervoor dat de postsynaptische neuron meer kans heeft om een ​​actiepotentiaal af te vuren. Afgifte van neurotransmitter bij remmende synapsen veroorzaakt remmende postsynaptische potentialen (IPSP's), een hyperpolarisatie van het presynaptische membraan. Wanneer bijvoorbeeld de neurotransmitter GABA (gamma-aminoboterzuur) vrijkomt uit een presynaptisch neuron, bindt het zich aan en opent Cl- kanalen. kl- ionen komen de cel binnen en hyperpolariseren het membraan, waardoor het neuron minder snel een actiepotentiaal afvuurt.

Zodra neurotransmissie heeft plaatsgevonden, moet de neurotransmitter uit de synaptische spleet worden verwijderd, zodat het postsynaptische membraan kan "resetten" en klaar is om een ​​ander signaal te ontvangen. Dit kan op drie manieren worden bereikt: de neurotransmitter kan weg diffunderen van de synaptische spleet, het kan worden afgebroken door enzymen in de synaptische spleet, of het kan worden gerecycled (soms heropname genoemd) door het presynaptische neuron. Verschillende medicijnen werken bij deze stap van neurotransmissie. Sommige geneesmiddelen die aan Alzheimerpatiënten worden gegeven, werken bijvoorbeeld door het remmen van acetylcholinesterase, het enzym dat acetylcholine afbreekt. Deze remming van het enzym verhoogt in wezen de neurotransmissie bij synapsen die acetylcholine afgeven. Eenmaal vrijgegeven, blijft de acetylcholine in de spleet en kan continu binden en losmaken van postsynaptische receptoren.

Tabel (PageIndex{2}): Neurotransmitterfunctie en locatie
NeurotransmitterVoorbeeldPlaats
AcetylcholineCNS en/of PNS
Biogene amineDopamine, serotonine, noradrenalineCNS en/of PNS
AminozuurGlycine, glutamaat, aspartaat, gamma-aminoboterzuurCNS
neuropeptideStof P, endorfineCNS en/of PNS

Elektrische synaps

Hoewel er minder elektrische synapsen zijn dan chemische synapsen, worden ze in alle zenuwstelsels aangetroffen en spelen ze een belangrijke en unieke rol. De wijze van neurotransmissie in elektrische synapsen is heel anders dan die in chemische synapsen. In een elektrische synaps zijn de presynaptische en postsynaptische membranen zeer dicht bij elkaar en zijn ze feitelijk fysiek verbonden door kanaaleiwitten die gap junctions vormen. Gap junctions zorgen ervoor dat stroom rechtstreeks van de ene cel naar de andere kan gaan. Naast de ionen die deze stroom voeren, kunnen andere moleculen, zoals ATP, door de grote gap junction-poriën diffunderen.

Er zijn belangrijke verschillen tussen chemische en elektrische synapsen. Omdat chemische synapsen afhankelijk zijn van de afgifte van neurotransmittermoleculen uit synaptische blaasjes om hun signaal door te geven, is er een vertraging van ongeveer één milliseconde tussen het moment waarop de axonpotentiaal het presynaptische uiteinde bereikt en wanneer de neurotransmitter leidt tot het openen van postsynaptische ionkanalen. Bovendien is deze signalering eenrichtingsverkeer. Signalering in elektrische synapsen is daarentegen vrijwel onmiddellijk (wat belangrijk is voor synapsen die betrokken zijn bij sleutelreflexen), en sommige elektrische synapsen zijn bidirectioneel. Elektrische synapsen zijn ook betrouwbaarder omdat ze minder snel worden geblokkeerd, en ze zijn belangrijk voor het synchroniseren van de elektrische activiteit van een groep neuronen. Er wordt bijvoorbeeld gedacht dat elektrische synapsen in de thalamus de slow-wave-slaap reguleren, en verstoring van deze synapsen kan epileptische aanvallen veroorzaken.

Signaal sommatie

Soms is een enkele EPSP sterk genoeg om een ​​actiepotentiaal in het postsynaptische neuron te induceren, maar vaak moeten meerdere presynaptische inputs rond dezelfde tijd EPSP's creëren om het postsynaptische neuron voldoende te depolariseren om een ​​actiepotentiaal af te vuren. Dit proces wordt sommatie genoemd en vindt plaats op de axonheuvel, zoals geïllustreerd in figuur (PageIndex{8}). Bovendien heeft één neuron vaak input van veel presynaptische neuronen - sommige prikkelend en sommige remmend - zodat IPSP's EPSP's kunnen opheffen en vice versa. Het is de netto verandering in postsynaptische membraanspanning die bepaalt of de postsynaptische cel de excitatiedrempel heeft bereikt die nodig is om een ​​actiepotentiaal af te vuren. Samen fungeren synaptische sommatie en de drempel voor excitatie als een filter, zodat willekeurige "ruis" in het systeem niet als belangrijke informatie wordt verzonden.

Dagelijkse verbinding: Brain-computer interface

Amyotrofische laterale sclerose (ALS, ook wel de ziekte van Lou Gehrig genoemd) is een neurologische ziekte die wordt gekenmerkt door de degeneratie van de motorneuronen die vrijwillige bewegingen controleren. De ziekte begint met spierverzwakking en gebrek aan coördinatie en vernietigt uiteindelijk de neuronen die spraak, ademhaling en slikken beheersen; uiteindelijk kan de ziekte leiden tot verlamming. Op dat moment hebben patiënten hulp van machines nodig om te kunnen ademen en te communiceren. Er zijn verschillende speciale technologieën ontwikkeld om “opgesloten” patiënten te laten communiceren met de rest van de wereld. Met één technologie kunnen patiënten bijvoorbeeld zinnen typen door met hun wang te trillen. Deze zinnen kunnen vervolgens hardop worden voorgelezen door een computer.

Een relatief nieuwe onderzoekslijn om verlamde patiënten, waaronder patiënten met ALS, te helpen communiceren en een zekere mate van zelfvoorziening te behouden, wordt brain-computer interface (BCI)-technologie genoemd en wordt geïllustreerd in figuur (PageIndex{9}) . Deze technologie klinkt als iets uit sciencefiction: het stelt verlamde patiënten in staat om een ​​computer te besturen met alleen hun gedachten. Er zijn verschillende vormen van BCI. Sommige vormen gebruiken EEG-opnames van elektroden die op de schedel zijn geplakt. Deze opnames bevatten informatie van grote populaties neuronen die door een computer kunnen worden gedecodeerd. Andere vormen van BCI vereisen de implantatie van een reeks elektroden die kleiner zijn dan een postzegel in het arm- en handgebied van de motorische cortex. Deze vorm van BCI, hoewel invasiever, is zeer krachtig omdat elke elektrode werkelijke actiepotentialen van een of meer neuronen kan registreren. Deze signalen worden vervolgens naar een computer gestuurd, die is getraind om het signaal te decoderen en naar een hulpmiddel te sturen, zoals een cursor op een computerscherm. Dit betekent dat een patiënt met ALS e-mail kan gebruiken, internet kan lezen en met anderen kan communiceren door te denken aan het bewegen van zijn of haar hand of arm (ook al kan de verlamde patiënt die lichaamsbeweging niet maken). Dankzij recente ontwikkelingen heeft een verlamde, opgesloten patiënt die 15 jaar geleden een beroerte heeft gehad, een robotarm kunnen besturen en zelfs zichzelf koffie kunnen geven met behulp van BCI-technologie.

Ondanks de verbazingwekkende vooruitgang in BCI-technologie, heeft het ook beperkingen. De technologie kan vele uren training en lange periodes van intense concentratie van de patiënt vergen; het kan ook een hersenoperatie vereisen om de apparaten te implanteren.

Link naar leren

Bekijk deze video waarin een verlamde vrouw een hersengestuurde robotarm gebruikt om een ​​drankje naar haar mond te brengen, naast andere beelden van hersen-computerinterfacetechnologie in actie.

​​​​​Synaptische plasticiteit

Synapsen zijn geen statische structuren. Ze kunnen worden verzwakt of versterkt. Ze kunnen worden verbroken en er kunnen nieuwe synapsen worden gemaakt.Synaptische plasticiteit zorgt voor deze veranderingen, die allemaal nodig zijn voor een functionerend zenuwstelsel. In feite is synaptische plasticiteit de basis van leren en geheugen. Twee processen in het bijzonder, langetermijnpotentiëring (LTP) en langetermijndepressie (LTD) zijn belangrijke vormen van synaptische plasticiteit die voorkomen in synapsen in de hippocampus, een hersengebied dat betrokken is bij het opslaan van herinneringen.

Versterking op lange termijn (LTP)

Langetermijnpotentiëring (LTP) is een aanhoudende versterking van een synaptische verbinding. LTP is gebaseerd op het Hebbian-principe: cellen die samen vuren bekabelen elkaar. Er zijn verschillende mechanismen, waarvan er geen volledig wordt begrepen, achter de synaptische versterking die wordt gezien met LTP. Een bekend mechanisme omvat een type postsynaptische glutamaatreceptor, NMDA-receptoren (N-methyl-D-aspartaat) genoemd, weergegeven in figuur 35.2.10. Deze receptoren worden normaal gesproken geblokkeerd door magnesiumionen; wanneer het postsynaptische neuron echter snel achter elkaar wordt gedepolariseerd door meerdere presynaptische inputs (van één neuron of meerdere neuronen), worden de magnesiumionen naar buiten gedwongen waardoor Ca-ionen de postsynaptische cel kunnen passeren. Volgende, Ca2+ ionen die de cel binnenkomen, initiëren een signaalcascade die ervoor zorgt dat een ander type glutamaatreceptor, AMPA-receptoren (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolpropionzuur) genaamd, in het postsynaptische membraan wordt ingebracht, aangezien AMPA wordt geactiveerd receptoren laten positieve ionen de cel binnen. Dus de volgende keer dat glutamaat vrijkomt uit het presynaptische membraan, zal het een groter exciterend effect (EPSP) hebben op de postsynaptische cel omdat de binding van glutamaat aan deze AMPA-receptoren meer positieve ionen in de cel zal toestaan. Het inbrengen van extra AMPA-receptoren versterkt de synaps en betekent dat het postsynaptische neuron meer kans heeft om te vuren als reactie op de afgifte van presynaptische neurotransmitters. Sommige drugsmisbruiken coöpteren de LTP-route en deze synaptische versterking kan tot verslaving leiden.

Langdurige depressie (LTD)

Langdurige depressie (LTD) is in wezen het omgekeerde van LTP: het is een langdurige verzwakking van een synaptische verbinding. Een mechanisme waarvan bekend is dat het LTD veroorzaakt, omvat ook AMPA-receptoren. In deze situatie initieert calcium dat binnenkomt via NMDA-receptoren een andere signaalcascade, wat resulteert in de verwijdering van AMPA-receptoren uit het postsynaptische membraan, zoals geïllustreerd in figuur (PageIndex{10}). De afname van AMPA-receptoren in het membraan zorgt ervoor dat het postsynaptische neuron minder reageert op glutamaat dat vrijkomt uit het presynaptische neuron. Hoewel het misschien contra-intuïtief lijkt, kan LTD net zo belangrijk zijn voor leren en geheugen als LTP. Het verzwakken en snoeien van ongebruikte synapsen zorgt ervoor dat onbelangrijke verbindingen verloren gaan en maakt de synapsen die LTP hebben ondergaan in vergelijking daarmee veel sterker.

Samenvatting

Neuronen hebben geladen membranen omdat er binnen en buiten de cel verschillende concentraties ionen zijn. Spanningsafhankelijke ionenkanalen regelen de beweging van ionen in en uit een neuron. Wanneer een neuronaal membraan wordt gedepolariseerd tot ten minste de excitatiedrempel, wordt een actiepotentiaal geactiveerd. De actiepotentiaal wordt vervolgens gepropageerd langs een gemyeliniseerd axon naar de axonterminals. In een chemische synaps veroorzaakt de actiepotentiaal de afgifte van neurotransmittermoleculen in de synaptische spleet. Door binding aan postsynaptische receptoren kan de neurotransmitter excitatoire of remmende postsynaptische potentialen veroorzaken door respectievelijk het postsynaptische membraan te depolariseren of hyperpolariseren. In elektrische synapsen wordt de actiepotentiaal direct gecommuniceerd naar de postsynaptische cel via gap junctions - grote kanaaleiwitten die de pre- en postsynaptische membranen verbinden. Synapsen zijn geen statische structuren en kunnen worden versterkt en verzwakt. Twee mechanismen van synaptische plasticiteit zijn langetermijnpotentiëring en langdurige depressie.

Kunstverbindingen

[link] Kaliumkanaalblokkers, zoals amiodaron en procaïnamide, die worden gebruikt om abnormale elektrische activiteit in het hart te behandelen, hartritmestoornissen genaamd, belemmeren de beweging van K+ door spanningsafhankelijke K+-kanalen. Welk deel van de actiepotentiaal zou je verwachten dat kaliumkanalen beïnvloeden?

[link] Kaliumkanaalblokkers vertragen de repolarisatiefase, maar hebben geen effect op depolarisatie.

Woordenlijst

actiepotentiaal
zichzelf voortplantende tijdelijke verandering in de elektrische potentiaal van een neuron (of spier) membraan
depolarisatie
verandering in de membraanpotentiaal naar een minder negatieve waarde
excitatoire postsynaptische potentiaal (EPSP)
depolarisatie van een postsynaptisch membraan veroorzaakt door neurotransmittermoleculen die vrijkomen uit een presynaptische cel
hyperpolarisatie
verandering in de membraanpotentiaal naar een meer negatieve waarde
remmende postsynaptische potentiaal (IPSP)
hyperpolarisatie van een postsynaptisch membraan veroorzaakt door neurotransmittermoleculen die vrijkomen uit een presynaptische cel
langdurige depressie (LTD)
langdurige afname van synaptische koppeling tussen een pre- en postsynaptische cel
potentiëring op lange termijn (LTP)
langdurige toename van synaptische koppeling tussen een pre- en postsynaptische cel
membraanpotentiaal
verschil in elektrisch potentiaal tussen de binnenkant en de buitenkant van een cel
refractaire periode
periode na een actiepotentiaal wanneer het moeilijker of onmogelijk is om een ​​actiepotentiaal af te vuren; veroorzaakt door inactivering van natriumkanalen en activering van extra kaliumkanalen van het membraan
saltatorische geleiding
"springen" van een actiepotentiaal langs een axon van de ene knoop van Ranvier naar de volgende
sommatie
proces van meerdere presynaptische inputs die rond dezelfde tijd EPSP's creëren zodat het postsynaptische neuron voldoende gedepolariseerd is om een ​​actiepotentiaal af te vuren
synaptische spleet
ruimte tussen de presynaptische en postsynaptische membranen
synaptisch blaasje
bolvormige structuur die een neurotransmitter bevat
drempel van opwinding
niveau van depolarisatie dat nodig is om een ​​actiepotentiaal te laten vuren

16.2 Hoe neuronen communiceren

Alle functies die door het zenuwstelsel worden uitgevoerd - van een eenvoudige motorreflex tot meer geavanceerde functies zoals het maken van een herinnering of een beslissing - vereisen dat neuronen met elkaar communiceren. Terwijl mensen woorden en lichaamstaal gebruiken om te communiceren, gebruiken neuronen elektrische en chemische signalen. Net als een persoon in een commissie, ontvangt en synthetiseert één neuron meestal berichten van meerdere andere neuronen voordat hij "de beslissing neemt" om het bericht naar andere neuronen te sturen.


Zenuwimpulstransmissie binnen een neuron

Om het zenuwstelsel te laten functioneren, moeten neuronen signalen kunnen verzenden en ontvangen. Deze signalen zijn mogelijk omdat elk neuron een geladen celmembraan heeft (een spanningsverschil tussen de binnenkant en de buitenkant), en de lading van dit membraan kan veranderen als reactie op neurotransmittermoleculen die vrijkomen uit andere neuronen en omgevingsstimuli. Om te begrijpen hoe neuronen communiceren, moet men eerst de basis begrijpen van de basislijn of 'rustende' membraanlading.


183 Hoe neuronen communiceren

Aan het einde van dit gedeelte kunt u het volgende doen:

  • Beschrijf de basis van de rustmembraanpotentiaal
  • Leg de stadia van een actiepotentiaal uit en hoe actiepotentialen worden gepropageerd
  • Leg de overeenkomsten en verschillen uit tussen chemische en elektrische synapsen
  • Beschrijf langetermijnpotentiëring en langdurige depressie

Alle functies die door het zenuwstelsel worden uitgevoerd - van een eenvoudige motorreflex tot meer geavanceerde functies zoals het maken van een herinnering of een beslissing - vereisen dat neuronen met elkaar communiceren. Terwijl mensen woorden en lichaamstaal gebruiken om te communiceren, gebruiken neuronen elektrische en chemische signalen. Net als een persoon in een commissie, ontvangt en synthetiseert één neuron meestal berichten van meerdere andere neuronen voordat hij "de beslissing neemt" om het bericht naar andere neuronen te sturen.

Zenuwimpulstransmissie binnen een neuron

Om het zenuwstelsel te laten functioneren, moeten neuronen signalen kunnen verzenden en ontvangen. Deze signalen zijn mogelijk omdat elk neuron een geladen celmembraan heeft (een spanningsverschil tussen de binnenkant en de buitenkant), en de lading van dit membraan kan veranderen als reactie op neurotransmittermoleculen die vrijkomen uit andere neuronen en omgevingsstimuli. Om te begrijpen hoe neuronen communiceren, moet men eerst de basis begrijpen van de basislijn of 'rustende' membraanlading.

Neuronaal geladen membranen

Het lipide dubbellaags membraan dat een neuron omringt, is ondoordringbaar voor geladen moleculen of ionen. Om het neuron binnen te gaan of te verlaten, moeten ionen door speciale eiwitten gaan, ionenkanalen genaamd, die het membraan overspannen. Ionenkanalen hebben verschillende configuraties: open, gesloten en inactief, zoals geïllustreerd in (Figuur). Sommige ionenkanalen moeten worden geactiveerd om te openen en ionen de cel in of uit te laten gaan. Deze ionenkanalen zijn gevoelig voor de omgeving en kunnen dienovereenkomstig van vorm veranderen. Ionenkanalen die hun structuur veranderen als reactie op spanningsveranderingen, worden spanningsafhankelijke ionenkanalen genoemd. Spanningsafhankelijke ionenkanalen regelen de relatieve concentraties van verschillende ionen binnen en buiten de cel. Het verschil in totale lading tussen de binnen- en buitenkant van de cel wordt de membraanpotentiaal genoemd.


Deze video bespreekt de basis van de rustmembraanpotentiaal.

Rustmembraanpotentieel

Een neuron in rust is negatief geladen: de binnenkant van een cel is ongeveer 70 millivolt negatiever dan de buitenkant (−70 mV, merk op dat dit aantal verschilt per neurontype en per soort). Deze spanning wordt de rustmembraanpotentiaal genoemd en wordt veroorzaakt door verschillen in de concentraties van ionen binnen en buiten de cel. Als het membraan even permeabel zou zijn voor alle ionen, zou elk type ion door het membraan stromen en zou het systeem een ​​evenwicht bereiken. Omdat ionen niet zomaar het membraan kunnen passeren, zijn er verschillende concentraties van verschillende ionen binnen en buiten de cel, zoals weergegeven in (Figuur). Het verschil in het aantal positief geladen kaliumionen (K+) binnen en buiten de cel domineert de rustmembraanpotentiaal ((Figuur)). Wanneer het membraan in rust is, hopen K+-ionen zich op in de cel als gevolg van een netto beweging met de concentratiegradiënt. De negatieve rustmembraanpotentiaal wordt gecreëerd en gehandhaafd door de concentratie van kationen buiten de cel (in de extracellulaire vloeistof) te verhogen ten opzichte van binnen de cel (in het cytoplasma). De negatieve lading in de cel wordt gecreëerd doordat het celmembraan meer doorlaatbaar is voor kaliumionenbeweging dan voor natriumionenbewegingen. In neuronen worden kaliumionen in hoge concentraties in de cel gehouden, terwijl natriumionen in hoge concentraties buiten de cel worden gehouden. De cel bezit kalium- en natriumlekkagekanalen waardoor de twee kationen door hun concentratiegradiënt kunnen diffunderen. De neuronen hebben echter veel meer kaliumlekkanalen dan natriumlekkanalen. Daarom diffundeert kalium veel sneller de cel uit dan natrium naar binnen lekt. Omdat er meer kationen de cel verlaten dan er binnenkomen, wordt het binnenste van de cel negatief geladen ten opzichte van de buitenkant van de cel. De acties van de natriumkaliumpomp helpen om het rustpotentieel te behouden, als het eenmaal is vastgesteld. Bedenk dat natrium-kaliumpompen twee K + -ionen de cel in brengen terwijl ze drie Na + -ionen per verbruikt ATP verwijderen. Omdat er meer kationen uit de cel worden verdreven dan opgenomen, blijft de binnenkant van de cel negatief geladen ten opzichte van de extracellulaire vloeistof. Opgemerkt moet worden dat chloride-ionen (Cl - ) de neiging hebben om zich buiten de cel op te hopen omdat ze worden afgestoten door negatief geladen eiwitten in het cytoplasma.

De rustmembraanpotentiaal is het resultaat van verschillende concentraties binnen en buiten de cel.
Ionenconcentratie binnen en buiten neuronen
Ion Extracellulaire concentratie (mM) Intracellulaire concentratie (mM) Verhouding buiten/binnen
Na + 145 12 12
K+ 4 155 0.026
Cl 120 4 30
Organische anionen (A−) 100


Actiepotentiaal

Een neuron kan input ontvangen van andere neuronen en, als deze input sterk genoeg is, het signaal naar stroomafwaartse neuronen sturen. Overdracht van een signaal tussen neuronen wordt over het algemeen gedragen door een chemische stof die een neurotransmitter wordt genoemd. Overdracht van een signaal binnen een neuron (van dendriet naar axonuiteinde) wordt gedragen door een korte omkering van het rustmembraanpotentiaal dat een actiepotentiaal wordt genoemd. Wanneer neurotransmittermoleculen binden aan receptoren die zich op de dendrieten van een neuron bevinden, gaan ionenkanalen open. Bij exciterende synapsen zorgt deze opening ervoor dat positieve ionen het neuron binnendringen en resulteert in depolarisatie van het membraan - een afname van het verschil in spanning tussen de binnenkant en de buitenkant van het neuron. Een stimulus van een sensorische cel of een ander neuron depolariseert het doelneuron tot zijn drempelpotentiaal (-55 mV). Na+-kanalen in de axonheuvel gaan open, waardoor positieve ionen de cel kunnen binnendringen ((Figuur) en (Figuur)). Zodra de natriumkanalen openen, depolariseert het neuron volledig tot een membraanpotentiaal van ongeveer +40 mV. Actiepotentialen worden beschouwd als een 'alles-of-niets'-gebeurtenis, in die zin dat, zodra de drempelpotentiaal is bereikt, het neuron altijd volledig depolariseert. Als de depolarisatie eenmaal voltooid is, moet de cel nu zijn membraanspanning terugstellen naar de rustpotentiaal. Om dit te bereiken, sluiten de Na+-kanalen en kunnen ze niet worden geopend. Dit begint de refractaire periode van het neuron, waarin het geen nieuwe actiepotentiaal kan produceren omdat zijn natriumkanalen niet opengaan. Tegelijkertijd openen spanningsafhankelijke K+-kanalen, waardoor K+ de cel kan verlaten. Als K+-ionen de cel verlaten, wordt de membraanpotentiaal weer negatief. De diffusie van K+ uit de cel hyperpolariseert de cel in feite, doordat de membraanpotentiaal negatiever wordt dan de normale rustpotentiaal van de cel. Op dit punt keren de natriumkanalen terug naar hun rusttoestand, wat betekent dat ze klaar zijn om weer te openen als de membraanpotentiaal opnieuw de drempelpotentiaal overschrijdt. Uiteindelijk diffunderen de extra K+-ionen uit de cel via de kaliumlekkanalen, waardoor de cel uit zijn hypergepolariseerde toestand teruggaat naar zijn rustmembraanpotentiaal.


Kaliumkanaalblokkers, zoals amiodaron en procaïnamide, die worden gebruikt voor de behandeling van abnormale elektrische activiteit in het hart, hartritmestoornissen genaamd, belemmeren de beweging van K+ door spanningsafhankelijke K+-kanalen. Welk deel van de actiepotentiaal zou je verwachten dat kaliumkanalen beïnvloeden?


Deze video geeft een overzicht van actiepotentiaal.

Myeline en de verspreiding van het actiepotentieel

Opdat een actiepotentiaal informatie aan een ander neuron kan doorgeven, moet het langs het axon reizen en de axonuiteinden bereiken waar het de afgifte van neurotransmitters kan initiëren. De geleidingssnelheid van een actiepotentiaal langs een axon wordt beïnvloed door zowel de diameter van het axon als de weerstand van het axon tegen stroomlek. Myeline werkt als een isolator die voorkomt dat stroom het axon verlaat, wat de snelheid van actiepotentiaalgeleiding verhoogt. Bij demyeliniserende ziekten zoals multiple sclerose vertraagt ​​de geleiding van actiepotentiaal omdat stroom lekt uit voorheen geïsoleerde axongebieden. De knopen van Ranvier, geïllustreerd in (Figuur) zijn gaten in de myelineschede langs het axon. Deze niet-gemyeliniseerde ruimten zijn ongeveer één micrometer lang en bevatten spanningsafhankelijke Na+- en K+-kanalen. De stroom van ionen door deze kanalen, met name de Na+-kanalen, regenereert de actiepotentiaal keer op keer langs het axon. Dit 'springen' van de actiepotentiaal van de ene knoop naar de andere wordt saltatorische geleiding genoemd. Als er geen knopen van Ranvier langs een axon aanwezig waren, zou de actiepotentiaal zich zeer langzaam voortplanten, aangezien Na+- en K+-kanalen continu actiepotentialen zouden moeten regenereren op elk punt langs het axon in plaats van op specifieke punten. Knopen van Ranvier besparen ook energie voor het neuron, omdat de kanalen alleen aanwezig hoeven te zijn bij de knopen en niet langs het hele axon.


Synaptische transmissie

De synaps of "gap" is de plaats waar informatie van het ene neuron naar het andere wordt overgedragen. Synapsen vormen zich meestal tussen axonuiteinden en dendritische stekels, maar dit is niet overal waar. Er zijn ook axon-naar-axon-, dendriet-naar-dendriet- en axon-naar-cellichaamsynapsen. Het neuron dat het signaal doorgeeft, wordt het presynaptische neuron genoemd en het neuron dat het signaal ontvangt, wordt het postsynaptische neuron genoemd. Merk op dat deze aanduidingen betrekking hebben op een bepaalde synaps - de meeste neuronen zijn zowel presynaptisch als postsynaptisch. Er zijn twee soorten synapsen: chemische en elektrische.

Chemische synaps

Wanneer een actiepotentiaal het axon-uiteinde bereikt, depolariseert het het membraan en opent het spanningsafhankelijke Na+-kanalen. Na+-ionen komen de cel binnen en depolariseren het presynaptische membraan verder. Deze depolarisatie zorgt ervoor dat spanningsafhankelijke Ca2+-kanalen worden geopend. Calciumionen die de cel binnenkomen, initiëren een signaalcascade die ervoor zorgt dat kleine membraangebonden blaasjes, synaptische blaasjes genaamd, die neurotransmittermoleculen bevatten, fuseren met het presynaptische membraan. Synaptische blaasjes worden getoond in (Figuur), wat een afbeelding is van een scanning elektronenmicroscoop.


Fusie van een blaasje met het presynaptische membraan zorgt ervoor dat neurotransmitter wordt afgegeven in de synaptische spleet, de extracellulaire ruimte tussen de presynaptische en postsynaptische membranen, zoals geïllustreerd in (Figuur). De neurotransmitter diffundeert door de synaptische spleet en bindt zich aan receptoreiwitten op het postsynaptische membraan.


De binding van een specifieke neurotransmitter zorgt ervoor dat bepaalde ionenkanalen, in dit geval ligand-gated kanalen, op het postsynaptische membraan opengaan. Neurotransmitters kunnen exciterende of remmende effecten hebben op het postsynaptische membraan, zoals beschreven in (Figuur). Wanneer bijvoorbeeld acetylcholine wordt afgegeven aan de synaps tussen een zenuw en spier (de neuromusculaire junctie genoemd) door een presynaptisch neuron, zorgt dit ervoor dat postsynaptische Na+-kanalen worden geopend. Na+ komt de postsynaptische cel binnen en zorgt ervoor dat het postsynaptische membraan depolariseert. Deze depolarisatie wordt een excitatoire postsynaptische potentiaal (EPSP) genoemd en zorgt ervoor dat de postsynaptische neuron meer kans heeft om een ​​actiepotentiaal af te vuren.Afgifte van neurotransmitter bij remmende synapsen veroorzaakt remmende postsynaptische potentialen (IPSP's), een hyperpolarisatie van het presynaptische membraan. Wanneer bijvoorbeeld de neurotransmitter GABA (gamma-aminoboterzuur) vrijkomt uit een presynaptisch neuron, bindt het zich aan en opent het Cl'8211-kanalen. Cl '8211-ionen komen de cel binnen en hyperpolariseren het membraan, waardoor het neuron minder snel een actiepotentiaal afvuurt.

Zodra neurotransmissie heeft plaatsgevonden, moet de neurotransmitter uit de synaptische spleet worden verwijderd, zodat het postsynaptische membraan kan "resetten" en klaar is om een ​​ander signaal te ontvangen. Dit kan op drie manieren worden bereikt: de neurotransmitter kan weg diffunderen van de synaptische spleet, het kan worden afgebroken door enzymen in de synaptische spleet, of het kan worden gerecycled (soms heropname genoemd) door het presynaptische neuron. Verschillende medicijnen werken bij deze stap van neurotransmissie. Sommige geneesmiddelen die aan Alzheimerpatiënten worden gegeven, werken bijvoorbeeld door het remmen van acetylcholinesterase, het enzym dat acetylcholine afbreekt. Deze remming van het enzym verhoogt in wezen de neurotransmissie bij synapsen die acetylcholine afgeven. Eenmaal vrijgegeven, blijft de acetylcholine in de spleet en kan continu binden en losmaken van postsynaptische receptoren.

Neurotransmitterfunctie en locatie
Neurotransmitter Voorbeeld Plaats
Acetylcholine CNS en/of PNS
Biogene amine Dopamine, serotonine, noradrenaline CNS en/of PNS
Aminozuur Glycine, glutamaat, aspartaat, gamma-aminoboterzuur CNS
neuropeptide Stof P, endorfine CNS en/of PNS

Elektrische synaps

Hoewel er minder elektrische synapsen zijn dan chemische synapsen, worden ze in alle zenuwstelsels aangetroffen en spelen ze een belangrijke en unieke rol. De wijze van neurotransmissie in elektrische synapsen is heel anders dan die in chemische synapsen. In een elektrische synaps zijn de presynaptische en postsynaptische membranen zeer dicht bij elkaar en zijn ze feitelijk fysiek verbonden door kanaaleiwitten die gap junctions vormen. Gap junctions zorgen ervoor dat stroom rechtstreeks van de ene cel naar de andere kan gaan. Naast de ionen die deze stroom voeren, kunnen andere moleculen, zoals ATP, door de grote gap junction-poriën diffunderen.

Er zijn belangrijke verschillen tussen chemische en elektrische synapsen. Omdat chemische synapsen afhankelijk zijn van de afgifte van neurotransmittermoleculen uit synaptische blaasjes om hun signaal door te geven, is er een vertraging van ongeveer één milliseconde tussen het moment waarop de axonpotentiaal het presynaptische uiteinde bereikt en wanneer de neurotransmitter leidt tot het openen van postsynaptische ionkanalen. Bovendien is deze signalering eenrichtingsverkeer. Signalering in elektrische synapsen is daarentegen vrijwel onmiddellijk (wat belangrijk is voor synapsen die betrokken zijn bij sleutelreflexen), en sommige elektrische synapsen zijn bidirectioneel. Elektrische synapsen zijn ook betrouwbaarder omdat ze minder snel worden geblokkeerd, en ze zijn belangrijk voor het synchroniseren van de elektrische activiteit van een groep neuronen. Er wordt bijvoorbeeld gedacht dat elektrische synapsen in de thalamus de slow-wave-slaap reguleren, en verstoring van deze synapsen kan epileptische aanvallen veroorzaken.

Signaal sommatie

Soms is een enkele EPSP sterk genoeg om een ​​actiepotentiaal in het postsynaptische neuron te induceren, maar vaak moeten meerdere presynaptische inputs rond dezelfde tijd EPSP's creëren om het postsynaptische neuron voldoende te depolariseren om een ​​actiepotentiaal af te vuren. Dit proces wordt sommatie genoemd en vindt plaats op de axonheuvel, zoals geïllustreerd in (Figuur). Bovendien heeft één neuron vaak input van veel presynaptische neuronen - sommige prikkelend en sommige remmend - zodat IPSP's EPSP's kunnen opheffen en vice versa. Het is de netto verandering in postsynaptische membraanspanning die bepaalt of de postsynaptische cel de excitatiedrempel heeft bereikt die nodig is om een ​​actiepotentiaal af te vuren. Samen fungeren synaptische sommatie en de drempel voor excitatie als een filter, zodat willekeurige "ruis" in het systeem niet als belangrijke informatie wordt verzonden.


Hersen-computer interface
Amyotrofische laterale sclerose (ALS, ook wel de ziekte van Lou Gehrig genoemd) is een neurologische ziekte die wordt gekenmerkt door de degeneratie van de motorneuronen die vrijwillige bewegingen controleren. De ziekte begint met spierverzwakking en gebrek aan coördinatie en vernietigt uiteindelijk de neuronen die spraak, ademhaling en slikken regelen. Uiteindelijk kan de ziekte leiden tot verlamming. Op dat moment hebben patiënten hulp van machines nodig om te kunnen ademen en te communiceren. Er zijn verschillende speciale technologieën ontwikkeld om “opgesloten” patiënten te laten communiceren met de rest van de wereld. Met één technologie kunnen patiënten bijvoorbeeld zinnen typen door met hun wang te trillen. Deze zinnen kunnen vervolgens hardop worden voorgelezen door een computer.

Een relatief nieuwe onderzoekslijn om verlamde patiënten, waaronder patiënten met ALS, te helpen communiceren en een zekere mate van zelfvoorziening te behouden, wordt brain-computer interface (BCI)-technologie genoemd en wordt geïllustreerd in (Figuur). Deze technologie klinkt als iets uit sciencefiction: het stelt verlamde patiënten in staat om een ​​computer te besturen met alleen hun gedachten. Er zijn verschillende vormen van BCI. Sommige vormen gebruiken EEG-opnames van elektroden die op de schedel zijn geplakt. Deze opnames bevatten informatie van grote populaties neuronen die door een computer kunnen worden gedecodeerd. Andere vormen van BCI vereisen de implantatie van een reeks elektroden die kleiner zijn dan een postzegel in het arm- en handgebied van de motorische cortex. Deze vorm van BCI, hoewel invasiever, is zeer krachtig omdat elke elektrode werkelijke actiepotentialen van een of meer neuronen kan registreren. Deze signalen worden vervolgens naar een computer gestuurd, die is getraind om het signaal te decoderen en naar een hulpmiddel te sturen, zoals een cursor op een computerscherm. Dit betekent dat een patiënt met ALS e-mail kan gebruiken, internet kan lezen en met anderen kan communiceren door te denken aan het bewegen van zijn of haar hand of arm (ook al kan de verlamde patiënt die lichaamsbeweging niet maken). Dankzij recente ontwikkelingen heeft een verlamde, opgesloten patiënt die 15 jaar geleden een beroerte heeft gehad, een robotarm kunnen besturen en zelfs zichzelf koffie kunnen geven met behulp van BCI-technologie.

Ondanks de verbazingwekkende vooruitgang in BCI-technologie, heeft het ook beperkingen. De technologie kan vele uren training en lange perioden van intense concentratie voor de patiënt vergen. Het kan ook hersenchirurgie vereisen om de apparaten te implanteren.


Bekijk deze video waarin een verlamde vrouw een hersengestuurde robotarm gebruikt om een ​​drankje naar haar mond te brengen, naast andere beelden van hersen-computerinterfacetechnologie in actie.

Synaptische plasticiteit

Synapsen zijn geen statische structuren. Ze kunnen worden verzwakt of versterkt. Ze kunnen worden verbroken en er kunnen nieuwe synapsen worden gemaakt. Synaptische plasticiteit zorgt voor deze veranderingen, die allemaal nodig zijn voor een functionerend zenuwstelsel. In feite is synaptische plasticiteit de basis van leren en geheugen. Twee processen in het bijzonder, langetermijnpotentiëring (LTP) en langetermijndepressie (LTD) zijn belangrijke vormen van synaptische plasticiteit die voorkomen in synapsen in de hippocampus, een hersengebied dat betrokken is bij het opslaan van herinneringen.

Versterking op lange termijn (LTP)

Langetermijnpotentiëring (LTP) is een aanhoudende versterking van een synaptische verbinding. LTP is gebaseerd op het Hebbian-principe: cellen die samen vuren bekabelen elkaar. Er zijn verschillende mechanismen, waarvan er geen volledig wordt begrepen, achter de synaptische versterking die wordt gezien met LTP. Een bekend mechanisme omvat een type postsynaptische glutamaatreceptor, NMDA-receptoren (N-Methyl-D-aspartaat) genoemd, weergegeven in (Figuur). Deze receptoren worden normaal gesproken geblokkeerd door magnesiumionen, maar wanneer het postsynaptische neuron snel achter elkaar wordt gedepolariseerd door meerdere presynaptische inputs (van één neuron of meerdere neuronen), worden de magnesiumionen naar buiten geduwd waardoor Ca-ionen de postsynaptische cel kunnen passeren. Vervolgens initiëren Ca2+-ionen die de cel binnenkomen een signaalcascade die ervoor zorgt dat een ander type glutamaatreceptor, AMPA-receptoren (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolpropionzuur) genaamd, in de postsynaptische membraan, aangezien geactiveerde AMPA-receptoren ervoor zorgen dat positieve ionen de cel binnenkomen. Dus de volgende keer dat glutamaat vrijkomt uit het presynaptische membraan, zal het een groter exciterend effect (EPSP) hebben op de postsynaptische cel omdat de binding van glutamaat aan deze AMPA-receptoren meer positieve ionen in de cel zal toestaan. Het inbrengen van extra AMPA-receptoren versterkt de synaps en betekent dat het postsynaptische neuron meer kans heeft om te vuren als reactie op de afgifte van presynaptische neurotransmitters. Sommige drugsmisbruiken coöpteren de LTP-route en deze synaptische versterking kan tot verslaving leiden.

Langdurige depressie (LTD)

Langdurige depressie (LTD) is in wezen het omgekeerde van LTP: het is een langdurige verzwakking van een synaptische verbinding. Een mechanisme waarvan bekend is dat het LTD veroorzaakt, omvat ook AMPA-receptoren. In deze situatie initieert calcium dat binnenkomt via NMDA-receptoren een andere signaalcascade, wat resulteert in de verwijdering van AMPA-receptoren uit het postsynaptische membraan, zoals geïllustreerd in (Figuur). De afname van AMPA-receptoren in het membraan zorgt ervoor dat het postsynaptische neuron minder reageert op glutamaat dat vrijkomt uit het presynaptische neuron. Hoewel het misschien contra-intuïtief lijkt, kan LTD net zo belangrijk zijn voor leren en geheugen als LTP. Het verzwakken en snoeien van ongebruikte synapsen zorgt ervoor dat onbelangrijke verbindingen verloren gaan en maakt de synapsen die LTP hebben ondergaan in vergelijking daarmee veel sterker.


Sectie Samenvatting

Neuronen hebben geladen membranen omdat er binnen en buiten de cel verschillende concentraties ionen zijn. Spanningsafhankelijke ionenkanalen regelen de beweging van ionen in en uit een neuron. Wanneer een neuronaal membraan wordt gedepolariseerd tot ten minste de excitatiedrempel, wordt een actiepotentiaal geactiveerd. De actiepotentiaal wordt vervolgens gepropageerd langs een gemyeliniseerd axon naar de axonterminals. In een chemische synaps veroorzaakt de actiepotentiaal de afgifte van neurotransmittermoleculen in de synaptische spleet. Door binding aan postsynaptische receptoren kan de neurotransmitter excitatoire of remmende postsynaptische potentialen veroorzaken door respectievelijk het postsynaptische membraan te depolariseren of hyperpolariseren. In elektrische synapsen wordt de actiepotentiaal direct gecommuniceerd naar de postsynaptische cel via gap junctions - grote kanaaleiwitten die de pre- en postsynaptische membranen verbinden. Synapsen zijn geen statische structuren en kunnen worden versterkt en verzwakt. Twee mechanismen van synaptische plasticiteit zijn langetermijnpotentiëring en langdurige depressie.

Vragen over visuele verbinding

(Figuur) Kaliumkanaalblokkers, zoals amiodaron en procaïnamide, die worden gebruikt om abnormale elektrische activiteit in het hart te behandelen, hartritmestoornissen genaamd, belemmeren de beweging van K+ door spanningsafhankelijke K+-kanalen. Welk deel van de actiepotentiaal zou je verwachten dat kaliumkanalen beïnvloeden?

(Figuur) Kaliumkanaalblokkers vertragen de repolarisatiefase, maar hebben geen effect op depolarisatie.

Beoordelingsvragen

Om een ​​​​neuron een actiepotentiaal te laten afvuren, moet zijn membraan ________ bereiken.

  1. hyperpolarisatie
  2. de drempel van opwinding
  3. de refractaire periode
  4. remmend postsynaptisch potentieel

Na een actiepotentiaal zorgen de opening van extra spanningsafhankelijke ________ kanalen en de inactivering van natriumkanalen ervoor dat het membraan terugkeert naar zijn rustmembraanpotentiaal.

Wat is de term voor eiwitkanalen die twee neuronen verbinden bij een elektrische synaps?

  1. synaptische blaasjes
  2. spanningsafhankelijke ionenkanalen
  3. gap junction eiwit
  4. natrium-kalium uitwisselingspompen

Welke van de volgende moleculen is niet betrokken bij het in stand houden van de rustmembraanpotentiaal?

Vragen over kritisch denken

Hoe helpt myeline de voortplanting van een actiepotentiaal langs een axon? Hoe helpen de knooppunten van Ranvier bij dit proces?

Myeline voorkomt het lekken van stroom uit het axon. Knopen van Ranvier zorgen ervoor dat de actiepotentiaal op specifieke punten langs het axon kan worden geregenereerd. Ze besparen ook energie voor de cel, aangezien spanningsafhankelijke ionenkanalen en natrium-kaliumtransporters niet nodig zijn langs gemyeliniseerde delen van het axon.

Wat zijn de belangrijkste stappen in chemische neurotransmissie?

Een actiepotentiaal reist langs een axon totdat het het membraan aan een axonuiteinde depolariseert. Door depolarisatie van het membraan gaan spanningsafhankelijke Ca2+-kanalen open en komt Ca2+ de cel binnen. De intracellulaire calciuminstroom zorgt ervoor dat synaptische blaasjes die neurotransmitters bevatten fuseren met het presynaptische membraan. De neurotransmitter diffundeert door de synaptische spleet en bindt zich aan receptoren op het postsynaptische membraan. Afhankelijk van de specifieke neurotransmitter en postsynaptische receptor, kan deze actie ervoor zorgen dat positieve (exciterende postsynaptische potentiaal) of negatieve (remmende postsynaptische potentiaal) ionen de cel binnendringen.

Beschrijf hoe langdurige potentiëring kan leiden tot een nicotineverslaving.

Langetermijnpotentiëring beschrijft het proces waarbij blootstelling aan een stimulus de kans vergroot dat een neuron in de toekomst zal depolariseren als reactie op die stimulus. Blootstelling aan nicotine veroorzaakt langdurige versterking van neuronen in de amygdala en activeert beloningscentra van de hersenen. Naarmate de blootstelling aan nicotine voortduurt, versterkt langdurige potentiëring de activering van de beloningsroutes als reactie op nicotineconsumptie.

Woordenlijst


Een neuron in rust is negatief geladen: de binnenkant van een cel is ongeveer 70 millivolt negatiever dan de buitenkant (−70 mV, merk op dat dit aantal verschilt per neurontype en per soort). Deze spanning wordt de rustmembraanpotentiaal genoemd en wordt veroorzaakt door verschillen in de concentraties van ionen binnen en buiten de cel. Als het membraan even permeabel zou zijn voor alle ionen, zou elk type ion door het membraan stromen en zou het systeem een ​​evenwicht bereiken. Omdat ionen niet zomaar het membraan kunnen passeren, zijn er verschillende concentraties van verschillende ionen binnen en buiten de cel, zoals weergegeven in tabel 16.1. Het verschil in het aantal positief geladen kaliumionen (K+) binnen en buiten de cel domineert de rustmembraanpotentiaal (Figuur 16.10). Wanneer het membraan in rust is, hopen K+-ionen zich op in de cel als gevolg van een netto beweging met de concentratiegradiënt. De negatieve rustmembraanpotentiaal wordt gecreëerd en gehandhaafd door de concentratie van kationen buiten de cel (in de extracellulaire vloeistof) te verhogen ten opzichte van binnen de cel (in het cytoplasma). De negatieve lading in de cel wordt gecreëerd doordat het celmembraan meer doorlaatbaar is voor kaliumionenbeweging dan voor natriumionenbewegingen. In neuronen worden kaliumionen in hoge concentraties in de cel gehouden, terwijl natriumionen in hoge concentraties buiten de cel worden gehouden. De cel bezit kalium- en natriumlekkagekanalen waardoor de twee kationen door hun concentratiegradiënt kunnen diffunderen. De neuronen hebben echter veel meer kaliumlekkanalen dan natriumlekkanalen. Daarom diffundeert kalium veel sneller de cel uit dan natrium naar binnen lekt. Omdat er meer kationen de cel verlaten dan er binnenkomen, wordt het binnenste van de cel negatief geladen ten opzichte van de buitenkant van de cel. De acties van de natriumkaliumpomp helpen om het rustpotentieel te behouden, als het eenmaal is vastgesteld. Bedenk dat natrium-kaliumpompen twee K + -ionen de cel in brengen terwijl ze drie Na + -ionen per verbruikt ATP verwijderen. Omdat er meer kationen uit de cel worden verdreven dan opgenomen, blijft de binnenkant van de cel negatief geladen ten opzichte van de extracellulaire vloeistof. Opgemerkt moet worden dat calciumionen (Cl - ) de neiging hebben om zich buiten de cel op te hopen omdat ze worden afgestoten door negatief geladen eiwitten in het cytoplasma.

Tabel 16 .1. De rustmembraanpotentiaal is het resultaat van verschillende concentraties binnen en buiten de cel.
Ionenconcentratie binnen en buiten neuronen
Ion Extracellulaire concentratie (mM) Intracellulaire concentratie (mM) Verhouding buiten/binnen
Na + 145 12 12
K+ 4 155 0.026
Cl 120 4 30
Organische anionen (A−) 100

Figuur 16.10.
De (a) rustmembraanpotentiaal is het resultaat van verschillende concentraties Na+ en K+ ionen binnen en buiten de cel. Een zenuwimpuls zorgt ervoor dat Na+ de cel binnenkomt, wat resulteert in (b) depolarisatie. Bij de piekactiepotentiaal openen K+-kanalen en wordt de cel (c) gehyperpolariseerd.

Chemische signalering werkt over een breed scala aan afstanden

Dieren gebruiken chemische signalen over een zeer breed scala van ruimtelijke schalen ( AFBEELDING 35.2 ). In dit concept hebben we chemische signalering op twee ruimtelijke schalen besproken: de twee verschillende afstandsschalen die worden gezien bij zenuwsignalering en bij endocriene signalering. Chemische signalering vindt echter ook plaats op nog kortere en nog langere afstandsschalen.

Veel chemische signalen diffunderen van cel naar cel in een weefsel zonder in het bloed te komen. Twee van dergelijke soorten signalen zijn paracrinen en autocrinen. Paracrinen zijn chemicaliën die door één cel worden uitgescheiden en de functies van andere, naburige cellen in een weefsel beïnvloeden door zich te binden aan receptoren in of op de aangrenzende cellen (zie figuur 35.2A). Autocrinen zijn chemicaliën die door een cel worden uitgescheiden in de omringende intercellulaire vloeistoffen en vervolgens diffunderen naar receptoren op diezelfde cel en de functies ervan beïnvloeden (zie figuur 5.10).

Neurotransmitters en hormonen werken op tussenliggende afstanden. Neurotransmitters lijken op paracrinen in die zin dat ze door diffusie slechts korte afstanden van cel naar cel verplaatsen, omdat alleen de breedte van een synaptische spleet een presynaptische neuron van zijn doelcel scheidt. De uitscheiding van neurotransmitters wordt echter van verder weg gecontroleerd door elektrische signalen die zich over de lengte van de presynaptische cel voortplanten (zie figuur 35.2B). Hormonen worden door de bloedcirculatie naar de verste uithoeken van het lichaam van een dier vervoerd (zie figuur 35.2C).

Feromonen zijn chemische signalen die een individueel dier afgeeft aan zijn externe omgeving en die specifieke effecten (bijvoorbeeld gedragseffecten) uitoefenen op andere individuen van dezelfde soort (zie figuur 35.2D). Sommige feromonen leggen honderden meters af voordat ze hun doel bereiken.

CONTROLEpunt CONCEPT 35.1

  • Waarom wordt endocriene controle beschreven als traag en verspreid?
  • Waarom is het juist om te zeggen dat zowel de zenuwcontrole als de endocriene controle afhankelijk is van chemische signalen?
  • Als alle cellen in het lichaam door een hormoon worden gebaad, waarom worden sommige dan aangetast en andere niet?

Nu we het zenuwstelsel en het endocriene systeem hebben vergeleken en gecontrasteerd, laten we onze aandacht richten op het endocriene systeem.


Sensorische neuronen versus motorneuronen

Simpel gezegd, sensorische neuronen zijn er voor '8220voelen','8221 en motorneuronen zijn er voor '8220doen'.

Motorneuronen zijn efferent (wat betekent dat ze informatie vanuit het centrale zenuwstelsel naar de periferie transporteren). Sensorische neuronen daarentegen zijn efferent (ze dragen informatie vanuit de periferie naar het centrale zenuwstelsel).

Motorneuronen hebben de neiging om een ​​multipolaire morfologie te hebben, met een enkel axon en veel dendrieten. Sensorische neuronen zijn echter meestal pseudo-unipolair. Bovendien hebben motorneuronen korte dendrieten en lange axonen, terwijl sensorische neuronen lange dendrieten en korte axonen hebben.

De twee neuronen hebben ook grote functionele verschillen. Terwijl in motorneuronen de nieuwe zenuwimpuls wordt gegenereerd in het neuron van de motorische cortex van de hersenen, wordt in de sensorische neuronen het nieuwe signaal gegenereerd in het perifere zenuwstelsel.


Bronnen

IQWiG-gezondheidsinformatie is geschreven met als doel mensen te helpen de voor- en nadelen van de belangrijkste behandelingsopties en gezondheidszorgdiensten te begrijpen.

Omdat IQWiG een Duits instituut is, is een deel van de hier verstrekte informatie specifiek voor het Duitse gezondheidszorgsysteem. De geschiktheid van een van de beschreven opties in een individueel geval kan worden bepaald door met een arts te praten. Wij bieden geen individuele consulten aan.

Onze informatie is gebaseerd op de resultaten van kwalitatief goede onderzoeken. Het is geschreven door een team van gezondheidswerkers, wetenschappers en redacteuren, en beoordeeld door externe experts. Een gedetailleerde beschrijving van hoe onze gezondheidsinformatie wordt geproduceerd en bijgewerkt, vindt u in onze methoden.


Neuronen zijn opgeschort, zoals je zegt, in een extracellulaire matrix. Hersenweefsels zijn iets specifieker. Hier citeer ik een paar samenvattingen uit de literatuur om u een antwoord te geven op uw fundamentele vraag. Vetgedrukt markeer ik belangrijke uitspraken die de ECM van de hersenen onderscheiden van de ECM die elders in het lichaam wordt gevonden.

Barros, Franco & Müller, 2011: Een verbazingwekkend aantal extracellulaire matrix-glycoproteïnen wordt uitgedrukt in dynamische patronen in het zich ontwikkelende en volwassen zenuwstelsel. Neurale stamcellen, neuronen en glia brengen receptoren tot expressie die interacties met specifieke extracellulaire matrixmoleculen bemiddelen. Functionele studies in vitro en genetische studies bij muizen hebben aangetoond dat de extracellulaire matrix vrijwel alle aspecten van de ontwikkeling en functie van het zenuwstelsel beïnvloedt. Hier zullen we recente bevindingen samenvatten die licht hebben geworpen op de specifieke functies van gedefinieerde extracellulaire matrixmoleculen op diverse processen zoals neurale stamceldifferentiatie, neuronale migratie, de vorming van axonale banen en de rijping en functie van synapsen in de perifere en centrale zenuwstelsel.

Ruoslahti, 1996: De extracellulaire matrix van het volwassen hersenweefsel heeft een unieke samenstelling. Het opvallende kenmerk van deze matrix is ​​de prominente aanwezigheid van lecticanen, proteoglycanen die een lectinedomein en een hyaluronzuurbindend domein bevatten. Hyaluronzuur en tenascine familie adhesieve/anti-adhesieve eiwitten zijn ook overvloedig aanwezig. Matrix-eiwitten die in andere weefsels voorkomen, zijn bijna afwezig in volwassen hersenen. De extracellulaire matrix van de hersenen lijkt trofische effecten te hebben op neuronale cellen en de uitgroei van neurieten te beïnvloeden. De unieke samenstelling van deze matrix kan verantwoordelijk zijn voor de weerstand van hersenweefsel tegen invasie door tumoren van niet-neuronale oorsprong.

Dityatev et al. 2010: De extracellulaire matrix (ECM) van het centrale zenuwstelsel wordt algemeen erkend als een migratie- en diffusiebarrière die het opvangen en presenteren van groeifactoren aan hun receptoren op het celoppervlak mogelijk maakt. Recente gegevens benadrukken het belang van ECM-moleculen als synaptische en perisynaptische steigers die de clustering van neurotransmitterreceptoren in het postsynaptische compartiment sturen en die barrières vormen om de laterale diffusie van membraaneiwitten weg van synapsen te verminderen. De ECM draagt ​​ook bij aan de migratie en differentiatie van stamcellen in de neurogene niche en organiseert de gepolariseerde lokalisatie van ionkanalen en transporters bij contacten tussen astrocytische processen en bloedvaten. Zo draagt ​​de ECM bij aan functionele compartimentering in de hersenen.


Deel 2: Doorbreken van de circuits voor reuk: geuren, neuronen, genen en gedrag

00:00:000.00 Hallo, ik ben Cori Bargmann,
00:00:03.25 van de Rockefeller University in New York,
00:00:05.29 en het Howard Hughes Medical Institute.
00:00:08.02 En ik ga het vandaag hebben over het werk dat we hebben gedaan om circuits voor reukzin te kraken,
00:00:13.27 om te begrijpen hoe je van geuren naar neuronen naar genen naar gedrag gaat.
00:00:19.24 Nu, ik ga hierover praten in de context niet van het nobele menselijke brein,
00:00:24.20 maar van het edele brein van de nematodeworm, Caenorhabditis elegans.
00:00:28.20 Waarom zouden we een eenvoudig dier bestuderen in plaats van mensen?
00:00:31.29 De reden is dat het menselijk brein bijna onvoorstelbaar complex is:
00:00:36.14 het heeft miljarden neuronen die met elkaar verbonden zijn door triljoenen synapsen.
00:00:42.03 Daarentegen heeft het zenuwstelsel van de nematodeworm C. elegans slechts 302 neuronen
00:00:47.27 die verbonden zijn door 7000 synapsen, en nog eens 600 gap junctions.
00:00:54.15 Dit veel eenvoudigere zenuwstelsel deelt niettemin veel componenten met het zenuwstelsel van een mens.
00:01:01.19 Dus terwijl mensen ongeveer 25.000 genen hebben,
00:01:04.09 wormen hebben ongeveer 20.000 genen,
00:01:06.09 veel of die worden gedeeld tussen de soorten.
00:01:08.20 En als we kijken naar de eigenschappen van het zenuwstelsel,
00:01:11.01 ontdekken we dat veel kenmerken van het zenuwstelsel vergelijkbaar zijn,
00:01:14.22 dat wormen soortgelijke neurotransmitters, kanalen en ontwikkelingsgenen gebruiken als mensen.
00:01:20.07 Daarom denken we dat sommige van de principes die ten grondslag liggen aan de functie van de hersenen
00:01:24.08 en de functie van hersencircuits in gedrag zal ook vergelijkbaar zijn tussen eenvoudigere dieren zoals de worm
00:01:30.06 en complexe dieren zoals wij.
00:01:34.17 Nu, met C. elegans, hebben we ook, van het werk van John White en zijn collega's,
00:01:39.06 kennis van hoe die 302 neuronen met elkaar communiceren, via een bedradingsschema.
00:01:45.05 Dit bedradingsschema bevat slechts 6000 of 7000 aansluitingen,
00:01:48.26 maar dat is nog steeds te veel, zoals je kunt zien in deze illustratie,
00:01:52.24 om de informatiestroom echt te begrijpen.
00:01:55.05 We moeten direct testen wat de verbindingen doen,
00:01:57.28 we moeten testen wat de neuronen doen, om gedrag te begrijpen.
00:02:03.28 En de manier waarop we gedrag proberen te begrijpen, is door het gedrag van het hele dier te gebruiken,
00:02:10.29 de functies van individuele genen en de functies van neuronen,
00:02:14.18 en breng die verticaal met elkaar in verband, vanaf het niveau van moleculen
00:02:18.23 op het niveau van het hele organisme.
00:02:21.07 Het uitgangspunt voor deze reeks onderzoeken is het feit dat wormen reageren op geuren
00:02:27.15 met robuuste gedragsreacties,
00:02:29.24 die een reeks vragen stellen die we kunnen stellen over hoe gedrag wordt gegenereerd.
00:02:33.24 Dus als je veel wormen neerzet in een omgeving waar geen geur is,
00:02:36.27 ze zullen zich verspreiden.
00:02:38.24 Maar als je ze in een omgeving plaatst waar aan één kant een goede geur hangt,
00:02:41.25 ze zullen snel naar de bron van die goede geur gaan en zich daar ophopen.
00:02:46.29 Omgekeerd, als je ze in een omgeving plaatst met een slechte geur,
00:02:49.06 ze gaan er zo ver mogelijk vanaf.
00:02:51.25 We kunnen dus aantrekking, afstoting of neutrale reacties zien in het gedrag van het dier.
00:02:57.21 We kunnen ons dan afvragen: welke delen van het wormbrein zijn nodig voor deze verschillende soorten gedrag?
00:03:04.15 En we kunnen deze vraag op verschillende manieren stellen,
00:03:08.22 ofwel verlies-van-functie benaderingen of winst-van-functie benaderingen,
00:03:12.01 en beide komen samen op hetzelfde antwoord,
00:03:15.03 dat is dat specifieke neuronen geuren detecteren en gedrag in het dier initiëren,
00:03:20.20 en dat de neuronen die dit doen betrouwbaar gelijk zijn van worm tot worm.
00:03:25.23 Dus een manier om dat te bepalen is door de functies van afzonderlijke neuronen te elimineren,
00:03:29.27 wat we kunnen doen door ze te doden met een lasermicrostraal,
00:03:32.13 en als we dat doen, bijvoorbeeld voor dit neuron dat hier in blauw wordt getoond, het AWC-neuron,
00:03:37.13 vinden we dat de dieren defect raken in hun vermogen tot chemotaxatie
00:03:40.26 aan bepaalde aantrekkelijke geuren en om voedsel te zoeken.
00:03:44.15 Als we nu het neuron naast AWC doden, dit rode neuron, ASH,
00:03:48.20 er is geen defect in de geur chemotaxis en het zoeken naar voedsel.
00:03:51.14 Maar nu is er een defect in nociceptie
00:03:55.16 en ontsnappingsgedrag dat wordt veroorzaakt door schadelijke verbindingen waar de worm een ​​hekel aan heeft.
00:04:00.20 Dit vertelt ons dus dat deze neuronen nodig zijn voor ander gedrag.
00:04:04.08 We kunnen deze functieverliesanalyse aanvullen met functiewinstanalyse,
00:04:08.19 waar we deze neuronen kunstmatig activeren en vragen welk gedrag het dier genereert.
00:04:14.15 En de methode die daarvoor wordt gebruikt in de neurowetenschappen
00:04:18.07 is om een ​​molecuul genaamd channelrhodopsine te gebruiken.
00:04:21.03 Het is een door licht geactiveerd ionkanaal van een eencellig organisme.
00:04:25.23 Het gen voor channelrhodopsine kan in verschillende neuronen in verschillende dieren worden geïntroduceerd,
00:04:30.25 en het zal die neuronen dan laten reageren op licht,
00:04:33.15 zodat wanneer je er licht op schijnt, de neuronen actief worden.
00:04:36.15 U kunt dan vragen, in deze gain-of-function-configuratie,
00:04:39.20 wat gebeurt er als je een van deze neuronen activeert?
00:04:42.26 En dus bijvoorbeeld, zoals hier in dit filmpje wordt getoond, wanneer je de ASH . activeert
00:04:47.24 nociceptief neuron dat ontsnappingsgedrag bemiddelt door simpelweg een licht aan te doen
00:04:52.26 en door channelrhodopsine te activeren, genereert de worm een ​​omkering.
00:04:57.01 Dit is een ontsnappingsgedrag geassocieerd met een verandering van richting
00:05:00.16 dat is precies hetzelfde als wat er zou gebeuren als ASH een van zijn normale,
00:05:05.04 schadelijke prikkels die ook een ontsnappingsgedrag zouden sturen.
00:05:09.12 En dus kunnen we hier zeggen dat ASH zowel noodzakelijk als voldoende is om ontsnappingsgedrag te genereren.
00:05:18.13 Het uitleggen van ontsnappingsgedrag is vrij eenvoudig.
00:05:22.17 Ontsnappingsgedrag is deterministisch
00:05:24.26 dat betekent dat, wanneer een worm een ​​schadelijke stof tegenkomt,
00:05:28.09 zoals geïllustreerd door deze reeks panelen, genereert elke worm een ​​betrouwbare reactie
00:05:33.09 aan die schadelijke stof, op een manier die vrij voorspelbaar is,
00:05:37.08 waar het achteruit gaat, zich afwendt en in een nieuwe richting beweegt.
00:05:41.04 Maar als we het gedrag van chemotaxis proberen te begrijpen, zien we dat het verschillende eigenschappen heeft.
00:05:46.01 Het is een probabilistisch gedrag,
00:05:48.08 en wat ik daarmee bedoel is dat,
00:05:49.29 terwijl alle wormen uiteindelijk de geur bereiken,
00:05:53.12 ze komen bij de geur langs wat een onvoorspelbaar pad lijkt te zijn.
00:05:57.00 Elke worm lijkt een ander pad te volgen om de geurbron te bereiken.
00:06:01.09 Hoe kunnen we dit complexere traject verklaren,
00:06:04.21 die er niet uitziet als de reflex of deterministische actie?
00:06:07.26 Wat we nodig hebben is een soort model dat het zou verklaren
00:06:11.00 hoe dieren een geur kunnen benaderen.
00:06:13.29 En in feite is precies zo'n model ontwikkeld door Shawn Lockery en collega's,
00:06:19.05 en wat ze lieten zien was dat wormen de geur benaderen met een strategie
00:06:24.01 een "biased random walk" genoemd, wat dezelfde strategie is die bacteriën gebruiken
00:06:29.06 om aantrekkelijke chemicaliën in hun omgeving te detecteren.
00:06:32.12 Een bevooroordeelde willekeurige wandeling vindt plaats via een fascinerende strategie waarbij:
00:06:37.19 dieren richten hun neus niet recht omhoog in de richting van de geur zoals een windwijzer
00:06:42.11 in plaats daarvan bewegen ze zich gewoon door hun omgeving,
00:06:45.17 wachten om te zien of de omstandigheden veranderen, en zo ja,
00:06:51.05 of ze nu beter of slechter worden.
00:06:53.18 En wat de dieren doen, is dat ze draaien, van richting veranderen,
00:06:56.29 met een constante snelheid onder constante omstandigheden.
00:06:59.25 Maar als de omstandigheden beter worden, als de geur toeneemt,
00:07:05.23 dan maken ze minder bochten.
00:07:08.04 Als de omstandigheden verslechteren, als de geur afneemt,
00:07:11.12 ze maken meer bochten.
00:07:12.27 En het effect hiervan is dat dieren de goede kant op gaan
00:07:17.00 waar geuren voor een langere periode toenemen,
00:07:21.04 en ze zullen in een slechte richting gaan waar geuren afnemen
00:07:24.00 voor kortere perioden.
00:07:25.20 En uiteindelijk, gewoon willekeurig van richting veranderend,
00:07:28.15 dit zal ertoe leiden dat ze zich ophopen bij de geur door wat lijkt op een
00:07:32.13 min of meer willekeurig pad.
00:07:34.14 Het belangrijkste kenmerk van deze strategie is dat de dieren de absolute geurniveaus niet detecteren,
00:07:40.01 ze detecteren de verandering in een geurniveau.
00:07:42.27 worden de dingen beter of slechter?
00:07:46.03 Ze kijken naar de verandering in concentratie in de loop van de tijd.
00:07:51.05 Dus we willen dit model testen.
00:07:53.14 Hoe test je een model als dit, over geurconcentraties in de loop van de tijd?
00:07:58.20 De manier waarop je dit model moet testen, is door een temporele gradiënt te genereren,
00:08:03.12 een geuromgeving die alleen in de tijd verandert en niet in de ruimte,
00:08:08.12 om de voorspellingen van dit specifieke kwantitatieve model te testen.
00:08:12.13 En de manier waarop dit kan worden gedaan is door kleine kamers te genereren
00:08:16.11 waarin dieren kunnen worden blootgesteld aan geuren die snel langs hen heen stromen,
00:08:20.13 en vervolgens onderzoeken op hun verschillende soorten gedragsreacties.
00:08:24.07 En een kamer om deze taak uit te voeren is ontworpen door Dirk Albrecht.
00:08:30.05 Dus wat Dirk deed was een kleine omgeving vinden waarin hij geurpulsen kon geven
00:08:35.20 bij een bekende concentratie volgens een bekend schema,
00:08:38.10 en onderzoek de reacties van de wormen in deze omgevingen.
00:08:41.23 En zoals te zien is in de film hier, als je wormen door deze kamer ziet bewegen,
00:08:46.02 soms bewegen ze in rechte lijnen, en soms veranderen ze van richting,
00:08:49.11 verschillende soorten bochten genereren.
00:08:51.28 Deze lichte kleur hier zijn wormen zonder geur.
00:08:55.12 Sommige draaien, andere bewegen in rechte lijnen.
00:08:58.07 Wanneer de donkere kleur verschijnt, geeft dat aan dat er een aantrekkelijke geur verschijnt.
00:09:02.25 Wanneer de lichte kleuren verschijnen, zal de geur verdwijnen.
00:09:05.25 En wat je zou moeten kunnen zien is dat,
00:09:07.17 wanneer de geur verschijnt, bewegen de wormen in lange, rechte lijnen,
00:09:11.08 en wanneer de geur verdwijnt, draaien ze, veranderen ze van richting.
00:09:15.02 Nogmaals, aantrekkelijke geur. lange, rechte lijnen.
00:09:18.28 Verdwijning. draaien.
00:09:21.13 Dit is precies het gedrag dat wordt voorspeld in het biased random walk-model:
00:09:26.22 Een toename van het draaien als de omstandigheden slechter worden.
00:09:30.14 Dus hier kunnen we dat op visueel niveau zien.
00:09:33.05 Maar om gedrag te begrijpen, moeten we dat gedrag kwantificeren,
00:09:37.08 bekijk ze niet alleen kwalitatief.
00:09:40.16 En om dat te doen, kunnen we methoden gebruiken om het draaigedrag automatisch te analyseren
00:09:45.08 computers gebruiken om de positie van wormen in de loop van de tijd te volgen.
00:09:49.04 We kunnen dan aan elk van de wormen een beschrijving geven van wat het op een bepaald moment doet:
00:09:54.23 Gaat het vooruit, hier in het grijs?
00:09:57.02 Is het pauzeren of achteruitrijden, hier in het zwart?
00:09:59.24 Of genereert het verschillende soorten bochten, pirouettes genaamd, hier in het rood?
00:10:04.17 Deze analyse kan voor vele honderden dieren worden gedaan via verschillende soorten stimulusprotocollen,
00:10:10.20 wat leidt tot het soort gegevens dat hier wordt getoond, waarbij dieren worden blootgesteld aan pulsen van geuren in blauw,
00:10:17.25 en geur wordt verwijderd (vervangen door buffer) in wit.
00:10:21.25 En dan worden hier honderden dieren gecontroleerd op hun gedrag als reactie
00:10:26.04 op die reeks geur- en bufferpulsen.
00:10:29.04 Nu zou je moeten kunnen zien dat er veel rood en zwart materiaal is in de aanwezigheid van buffer,
00:10:34.26 maar veel minder als er geur aanwezig is.
00:10:38.04 Deze honderden sporen kunnen vervolgens worden gekwantificeerd om het ene spoor eronder te genereren,
00:10:42.29 die de kans op draaien onder verschillende omstandigheden weergeeft.
00:10:47.12 En wat je kunt zien is dat, wanneer geur aanwezig is, zoals hier,
00:10:51.08 de kans om te keren is vrij laag, maar niet nul.
00:10:55.04 En wanneer geur wordt verwijderd, zoals hier wordt getoond,
00:10:57.17 de kans om te draaien schiet omhoog, maar het gaat niet naar 100%.
00:11:02.03 keert het uiteindelijk weer terug naar de basale kans om te keren.
00:11:06.11 Dus hieruit kunnen we een aantal verschillende dingen zeggen:
00:11:08.29 We kunnen het bevooroordeelde random walk-model bevestigen, we kunnen zeggen dat, ja,
00:11:12.14 draaisnelheden veranderen op basis van geurgeschiedenis,
00:11:16.01 of geur is toegevoegd of verwijderd.
00:11:19.02 En we kunnen ook opmerken dat dit inderdaad een probabilistisch gedrag is,
00:11:23.29 dat de kans om te keren verandert, maar het is nooit 0% en het is nooit 100%.
00:11:29.19 Om gedrag te begrijpen, moeten we kwantitatief en statistisch denken
00:11:33.28 over wat dieren op een bepaald moment doen.
00:11:39.17 Dus, met behulp van dit soort tests en eenvoudigere tests die hierop lijken,
00:11:44.09 is het mogelijk geweest om neuronen in kaart te brengen die nodig zijn voor geurchemotaxis en het zoeken naar voedsel.
00:11:50.18 Ik heb je verteld dat het AWC-neuron, een olfactorisch neuron, nodig is voor geurdetectie.
00:11:55.23 AWC vormt synapsen op drie verschillende klassen van interneuronen,
00:12:00.16 neuronen die informatie verzamelen van verschillende sensorische neuronen,
00:12:04.23 en deze neuronen zijn met elkaar en met een vierde neuron verbonden.
00:12:09.04 Alle vier deze neuronen, die één synaps verwijderd zijn van het AWC-neuron,
00:12:13.26 regelt de draaikansen.
00:12:16.15 Twee van hen, in blauw weergegeven,
00:12:18.15 handelen om de draaisnelheid te verhogen wanneer de geur wordt verwijderd, en twee van hen zijn rood weergegeven,
00:12:24.09 handelen om de draaisnelheid te verlagen.
00:12:26.14 Het zijn dus zowel positieve als negatieve signalen in dit circuit die geurinformatie overbrengen.
00:12:32.27 Nu, zodra een beurt wordt gegenereerd,
00:12:36.08 de worm moet beslissen wat voor beurt het gaat worden.
00:12:39.00 De neuronen die hier in grijs worden weergegeven onderaan de dia
00:12:42.02 zijn neuronen die helpen bij het interpreteren van deze draaifrequentie-informatie en
00:12:45.19 zet het om in verschillende soorten outputmotorgedrag.
00:12:48.22 Daar zal ik het in deze talk niet over hebben.
00:12:51.02 Ik zal me concentreren op de eerste stap:
00:12:53.08 Hoe wordt het probleem van het detecteren van geur getransformeerd door de neuronen?
00:12:57.11 die deze informatie van het sensorische neuron verzamelen om de draaisnelheid te regelen?
00:13:04.28 Dus een manier om die vraag te beantwoorden, is door een dynamisch beeld te krijgen
00:13:09.18 van wat de neuronen doen als reactie op geuren.
00:13:13.10 We willen visualiseren wat er in deze neuronen gebeurt.
00:13:16.21 Dus wat zijn de hulpmiddelen die we kunnen gebruiken om te begrijpen wanneer neuronen actief zijn?
00:13:20.25 In C. elegans gebruiken we graag genetisch gecodeerde calciumindicatoren.
00:13:27.23 Dit zijn fluorescerende eiwitten op basis van het "groene fluorescerende eiwit"
00:13:32.05 die een calciumbindend eiwit "calmoduline" bevatten,
00:13:35.29 evenals een peptide dat zal binden aan calmoduline wanneer calcium aanwezig is.
00:13:40.25 Door genetische manipulatie en biochemische studies,
00:13:43.13 Junichi Nakai en anderen hebben versies van deze eiwitten gegenereerd die de fluorescentie verhogen
00:13:49.06 als ze aan calcium zijn gebonden, en minder fluorescerend als ze niet aan calcium zijn gebonden.
00:13:53.28 Dit is nuttig voor ons omdat calcium een ​​goede melder is van wanneer een neuron actief is.
00:13:59.20 Wanneer neuronen gedepolariseerd zijn, openen ze spanningsafhankelijke calciumkanalen,
00:14:04.07 wat leidt tot een toename van calcium in de cel.
00:14:07.03 En daarom een ​​toename van de fluorescentie van een eiwit geassocieerd met
00:14:11.07 een toename van calcium zal je vertellen wanneer een neuron gedepolariseerd is.
00:14:16.04 Om een ​​specifiek neuron te bewaken,
00:14:17.27 we profiteren dan van de krachtige transgene hulpmiddelen in C. elegans
00:14:22.04 om dit genetisch gecodeerde fluorescerende eiwit tot expressie te brengen
00:14:25.02 alleen in een enkel soort neuron van belang,
00:14:27.23 in dit geval, in het AWC-neuron, om te vragen wanneer dat neuron actief is.
00:14:35.20 Nu is er een derde component nodig om de activiteit van deze neuronen te volgen,
00:14:39.22 en dat is dat we de worm stil moeten kunnen houden en
00:14:42.29 leveren geuren in precieze patronen terwijl de fluorescentie-intensiteit van het AWC-neuron wordt bewaakt.
00:14:50.05 We doen dat door een technologie terug te lenen van de engineering,
00:14:54.05 van de siliciumchip, de industrie, naar de biologie, microfabricage genoemd.
00:14:58.23 En we bouwen speciale wormvallen met wormafmetingen,
00:15:02.21 waarmee we een worm kunnen vasthouden in een optisch transparante omgeving,
00:15:07.23 terwijl hij het in drie dimensies vasthoudt en vervolgens verschillende soorten vloeistoffen laat stromen
00:15:11.20 voorbij de neus van de worm terwijl u de fluorescentie-intensiteit bewaakt.
00:15:15.12 Deze microfluïdische kamer stelt ons vervolgens in staat om de genetische hulpmiddelen te combineren
00:15:20.00 met chemische hulpmiddelen om neurale activiteit te volgen.
00:15:25.13 En dat is precies wat er in deze afbeelding hier gebeurt.
00:15:28.17 Dus dit is een enkel AWC-neuron dat een genetisch gecodeerde calciumindicator tot expressie brengt,
00:15:33.20 en je zult zien wanneer de film begint, het neuron begint met een geel fluorescentieniveau
00:15:39.05 en een relatief laag niveau van fluorescentie in het proces van het neuron.
00:15:42.26 Na tien seconden in de film zal er een verandering in geurprikkels plaatsvinden en wordt het neuron helderder.
00:15:49.22 De helderdere kleur, de intensere kleur, de grotere witte kleur in het cellichaam van het neuron hier,
00:15:54.21 weerspiegelen allemaal het feit dat calcium is gestegen en het neuron actief is geworden.
00:15:59.17 We kunnen dus inderdaad zien dat het AWC-neuron op geuren reageert door zijn activiteit te veranderen.
00:16:06.23 Maar het reageert op een manier die we niet hadden verwacht,
00:16:10.06 omdat de AWC-neuronen niet worden geactiveerd wanneer geuren aan de worm worden gepresenteerd.
00:16:15.26 Als we kijken naar de intensiteit van de fluorescentie en deze in een grafiek weergeven in aanwezigheid van geur,
00:16:20.05 het is in ieder geval iets minder intens dan het zou zijn geweest zonder geur.
00:16:26.27 In plaats daarvan worden de AWC-neuronen actief wanneer geur wordt verwijderd.
00:16:31.21 Dit leidt tot een grote toename van de fluorescentie-intensiteit,
00:16:34.21 wat wijst op depolarisatie en de aanwezigheid van calcium.
00:16:38.08 Dus deze neuronen lijken omgekeerd te werken.
00:16:41.13 Ze worden geremd door geuren, hun natuurlijke prikkels.
00:16:44.28 Ze zijn actief wanneer geuren worden verwijderd.
00:16:47.24 En ik wil je er alleen aan herinneren dat de worm gedrag moet gaan vertonen als de geur wordt verwijderd.
00:16:53.02 Als de geur is verwijderd, begint de worm te draaien.
00:16:56.00 Dus de activiteit van het neuron is gecorreleerd met de gedragsoutput, niet met de inputstimulus.
00:17:05.18 Dus we kunnen nu iets zeggen over dit eerste neuron dat interageert met geuren.
00:17:10.25 Hoe communiceert het met de doelneuronen die deze informatie vervolgens omzetten in gedrag?
00:17:17.10 De manier waarop we dit bestuderen is door het proces van synaptische transmissie te bestuderen.
00:17:21.15 Neuronen verbinden zich met elkaar via gespecialiseerde structuren die synapsen worden genoemd,
00:17:25.08 waar een presynaptisch neuron, het stroomopwaartse neuron, in dit geval AWC,
00:17:29.28 zullen blaasjes vrijgeven die gevuld zijn met een neurotransmitter, en deze neurotransmitters
00:17:33.24 zal interageren met receptoren op het postsynaptische neuron, hier grijs weergegeven.
00:17:39.01 Een soort neurotransmitter die neuronen afgeven is glutamaat, een aminozuur,
00:17:45.25 en glutamaat wordt verpakt in speciale synaptische blaasjes door een molecuul genaamd de
00:17:49.25 "vesiculaire glutamaattransporteur", of EAT-4 in C. elegans.
00:17:54.25 We kunnen dit EAT-4-molecuul gebruiken om de werking van synapsen in het AWC-neuron te onderzoeken.
00:18:02.27 We kunnen dat doen door mutanten in EAT-4 te gebruiken om de transporter te inactiveren
00:18:07.26 en daarmee het vermogen van AWC om glutamaat af te geven.
00:18:11.19 En we kunnen dan vragen,
00:18:13.09 wat voor soort gedrag kan het dier genereren zonder deze glutamaatzender?
00:18:18.15 En onthoud dat draaien een weerspiegeling is van de reactie op geurverwijdering,
00:18:23.22 een belangrijk onderdeel is van chemotaxis-gedrag, en dat we dit kunnen kwantificeren.
00:18:26.27 Dus een hoog niveau van "1" is een hoog niveau van draaien.
00:18:31.13 In het rood is hier een eat-4-mutant.
00:18:33.15 De eat-4-mutant draait niet efficiënt wanneer de geur wordt verwijderd,
00:18:37.21 wat voor ons aangeeft dat glutamaat nodig is als neurotransmitter voor dit draaigedrag.
00:18:43.04 En als we EAT-4 alleen in de AWC-neuronen herstellen met een specifiek transgen,
00:18:48.22 herstellen we het meeste draaigedrag.
00:18:51.01 En dus kunnen we zeggen dat glutamaat van AWC het draaien bevordert.
00:18:57.25 We hebben nu dus inzicht in de eerste stap van hoe AWC met zijn doelwit communiceert:
00:19:03.10 Het gebruikt EAT-4 om glutamaat in blaasjes te verpakken, het maakt glutamaat vrij,
00:19:08.06 en dit moet dan inwerken op doelneuronen.
00:19:10.23 Hoe communiceert het met de doelneuronen?
00:19:12.26 Hoe communiceert het met deze drie verschillende neuronen waarmee het verbindingen vormt?
00:19:17.00 Nou, het moet dat doen via glutamaatreceptoren,
00:19:20.04 eiwitten die tot expressie worden gebracht op de doelneuronen die hen in staat stellen het vrijgekomen glutamaat te detecteren.
00:19:25.11 En we ontdekten dat er twee klassen glutamaatreceptoren zijn
00:19:28.22 die belangrijk zijn voor dit specifieke gedrag.
00:19:31.29 Er is een glutamaat-gated kationkanaal, een exciterende receptor genaamd GLR-1.
00:19:38.01 En er is ook een glutamaat-gated chloridekanaal,
00:19:41.05 een anionkanaal dat een remmende receptor is die GLC-3 wordt genoemd.
00:19:45.14 Deze twee glutamaatreceptoren,
00:19:47.11 die twee verschillende soorten reacties kan genereren in doelneuronen,
00:19:50.20 zijn belangrijk voor de communicatie van AWC met zijn doelen.
00:19:56.26 We kunnen aantonen dat beide door middel van kwantitatieve gedragstesten
00:20:02.18 en door directe observatie van de activiteit van doelneuronen,
00:20:06.18 wat we doen met behulp van genetisch gecodeerde calciumindicatoren.
00:20:10.15 Nu, in plaats van ze uit te drukken in AWC, drukken we ze uit in stroomafwaartse neuronen,
00:20:15.24 zoals AIB.
00:20:17.18 AIB is een van de neuronen die synapsen ontvangt van AWC,
00:20:21.16 en we zien dat AIB, net als AWC, reageert op geurverwijdering door een toename van calcium.
00:20:29.06 Deze reactie verdwijnt als het AWC-neuron wordt gedood,
00:20:33.21 en het verdwijnt ook bij een dier dat de glutamaatreceptor GLR-1 mist.
00:20:38.17 GLR-1 is vereist in AIB zodat AIB het glutamaatsignaal van AWC kan waarnemen.
00:20:46.09 Deze prikkelende glutamaatreceptor zendt een prikkelend signaal van sensorische neuron naar interneuron.
00:20:56.03 Vervolgens keken we naar de interneuronen AIA en AIY.
00:21:01.09 Deze neuronen reageren ook op geuren,
00:21:04.05 maar deze neuronen reageren tegengesteld aan AWC.
00:21:08.12 AIA en AIY reageren met een toename van calcium op geurtoevoeging,
00:21:13.22 er is een verandering in het teken van het signaal tussen het sensorische neuron en het interneuron.
00:21:18.21 Ze reageren niet op geurverwijdering.
00:21:21.19 Deze reactie op geurtoevoeging vereist nog steeds AWC,
00:21:25.19 en het vereist een glutamaatreceptor.
00:21:28.04 Het vereist GLC-3, het glutamaat-gated chloridekanaal.
00:21:32.21 Deze remmende receptor dient om een ​​signaal uit te zenden van een aangeslagen AWC
00:21:38.18 in een signaal dat de stroomafwaartse neuronen zal remmen,
00:21:42.06 dus de stroomafwaartse neuronen AIA en AIY reageren tegengesteld
00:21:47.00 tot geuren dan het stroomopwaartse neuron AWC.
00:21:52.24 Dus als je deze informatie samenvoegt, hier aan de linkerkant,
00:21:56.09 we kunnen een C. elegans geurcircuit samenstellen.
00:21:59.26 We kunnen zeggen dat aantrekkelijke geuren de AWC-olfactorische neuronen remmen,
00:22:04.16 dat de AWC-olfactorische neuronen nu glutamaat afgeven
00:22:08.03 op twee klassen stroomafwaartse neuronen via twee klassen receptoren.
00:22:12.16 Ze prikkelen een klasse neuronen, de AIB-neuronen,
00:22:15.25 via een prikkelende glutamaatreceptor.
00:22:18.14 Ze remmen andere klassen van neuronen, AIA- en AIY-neuronen,
00:22:22.17 via een remmende glutamaatreceptor.
00:22:25.15 Door de informatie op deze manier te splitsen,
00:22:27.15 de AWC-neuronen hebben nu informatie omgezet in twee stromen:
00:22:32.00 Men signaleert het verschijnen van geur, een "geur AAN"-reactie
00:22:35.17 de tweede stroom signaleert het verdwijnen van geur, een "geur UIT"-reactie.
00:22:40.26 Opmerkelijk is dat als we dit circuit onderzoeken,
00:22:43.12 het lijkt op een ander zintuiglijk circuit dat goed is gekarakteriseerd,
00:22:47.14 en dat is het circuit dat wordt gebruikt om licht te verzamelen in het netvlies van gewervelde dieren,
00:22:51.18 in je eigen oog.
00:22:53.14 Dus in je oog wordt het licht opgevangen door de staaf- en kegelfotoreceptoren.
00:22:58.15 Staafjes en kegeltjes zijn actief in het donker
00:23:00.29 ze worden geremd door licht, hun natuurlijke stimulus,
00:23:04.03 net zoals AWC-neuronen worden geremd door geuren.
00:23:08.12 Staafjes en kegeltjes geven glutamaat af om te communiceren met hun doelwitten,
00:23:12.04 en ze hebben twee hoofdklassen van doelneuronen.
00:23:14.28 De doelneuronen worden bipolaire cellen genoemd.
00:23:17.24 Eén verbinding is via een prikkelende glutamaatreceptor, en daarom,
00:23:22.24 deze neuronen hebben hetzelfde patroon van activiteit als de fotoreceptoren.
00:23:27.01 Het zijn zogenaamde "UIT" bipolaire cellen die aangeven wanneer de lichten uitgaan.
00:23:31.26 De andere klasse neuronen is verbonden via remmende glutamaatreceptoren.
00:23:36.01 Daarom worden deze neuronen "AAN" bipolaire cellen genoemd. Ze signaleren wanneer lichten aangaan.
00:23:43.05 Dus als we deze verschillende neurale circuits vergelijken,
00:23:45.19 kunnen we zeggen dat in een worm-olfactorisch systeem en in een gewerveld visueel systeem,
00:23:50.23 sommige van dezelfde principes worden gebruikt om zintuiglijke informatie te verwerken.
00:23:55.02 Differentiële signalering van het verschijnen en verdwijnen van een stimulus,
00:23:59.16 differentiële signalering via verschillende klassen van glutamaatreceptoren,
00:24:03.01 om informatie via verschillende circuits te splitsen.
00:24:05.22 Dit soort inzicht helpt ons te overtuigen dat er misschien principes zijn
00:24:09.10 voor neurale circuits die van toepassing zijn op verschillende systemen,
00:24:12.16 die ons zal helpen informatieverwerking te begrijpen.
00:24:16.01 Wat ik je heb verteld is dat AWC communiceert met drie stroomafwaartse neuronen,
00:24:20.19 glutamaat gebruiken om complexe informatie over de invoerstimulus te verzenden
00:24:24.25 naar verschillende stroomafwaartse sets.
00:24:28.23 Bovendien heeft AWC een andere manier om met zijn doelen te communiceren,
00:24:33.04 omdat AWC niet alleen glutamaat afgeeft,
00:24:35.23 het geeft een tweede zender vrij, een neuropeptide-neurotransmitter genaamd NLP-1.
00:24:41.15 NLP-1 is gerelateerd aan neuropeptiden die buccalin worden genoemd bij andere dieren,
00:24:46.02 en NLP-1 signalen via een G-eiwit-gekoppelde receptor, NPR-11 genaamd.
00:24:52.04 NPR-11 wordt uitgedrukt op enkele van de stroomafwaartse neuronen van AWC,
00:24:57.18 maar niet allemaal, inclusief de AIA-neuronen.
00:25:01.09 Dus glutamaat komt vrij uit AWC op verschillende neuronen, en bovendien,
00:25:05.29 een neuropeptide wordt vrijgegeven van AWC op een subset van die neuronen.
00:25:12.29 Wat is de functie van NLP-1?
00:25:15.18 We kunnen dat vragen door dieren te onderzoeken die mutant zijn voor het NLP-1 neuropeptide
00:25:21.00 of mutant voor zijn receptor,
00:25:22.27 en vervolgens hun gedrag te vergelijken met het gedrag van wildtype dieren.
00:25:27.13 En wat we ontdekken is dat de functie van NLP-1 is om tegen te werken
00:25:32.17 het glutamaatsignaal van hetzelfde AWC-neuron.
00:25:36.17 Dit wordt hier geïllustreerd in het kwantitatieve draaigedrag dat de AWC-output meet.
00:25:42.11 Dus een wildtype dier, hier in het wit afgebeeld,
00:25:44.29 zal ongeveer één keer per minuut draaien als reactie op geurverwijdering.
00:25:48.22 Deze bochten zijn absoluut afhankelijk van het glutamaatsignaal van AWC.
00:25:52.29 Er zijn gewoon geen wendingen wanneer AWC-glutamaat afwezig is, zoals deze mutant laat zien.
00:26:00.06 Maar als we naar de nlp-1-mutant kijken, zien we dat er bochten zijn.
00:26:03.25 In feite zijn er meer wendingen dan bij een wildtype dier.
00:26:07.21 Dus AWC stuurt zowel een signaal om het draaien te stimuleren (het glutamaatsignaal),
00:26:12.20 en het zendt een tweede signaal dat het draaien verhindert (het NLP-1-signaal).
00:26:17.23 Het beperkt zijn eigen output door deze twee antagonistische signalen te genereren.
00:26:24.08 Vervolgens vroegen we hoe dit signaal interageert met het circuit
00:26:29.12 om de activiteit van verschillende neuronen te beïnvloeden.
00:26:32.20 En hier was er een grote verrassing.
00:26:35.14 Dus we onderzochten de nlp-1-mutant en mutanten in zijn receptor NPR-11,
00:26:40.17 om te zien waar de activiteit in het circuit was veranderd in vergelijking met de activiteit van wildtype dieren.
00:26:45.25 We zagen veranderingen in de activiteit van de neuronen, niet alleen in stroomafwaartse doelneuronen
00:26:51.16 we zagen veranderingen in AWC zelf.
00:26:54.23 Het olfactorische neuron reageert anders op geuren
00:26:58.01 afhankelijk van de activiteit van dit peptidesysteem.
00:27:01.21 Dus we kunnen dit hier zien in calciumbeeldvormingsexperimenten die laten zien:
00:27:05.08 de reactie van AWC-neuronen op geurverwijdering.
00:27:08.23 In wildtype vertonen ze een scherpe, korte reactie.
00:27:12.06 Bij dieren die het NLP-1-peptide of zijn receptoren missen,
00:27:16.27 zien we in plaats daarvan een langdurigere reactie en herhaalde reacties,
00:27:20.21 wat aangeeft dat het AWC-neuron langer actief blijft nadat de geur is verwijderd.
00:27:28.17 Nu, AWC geeft dit signaal af, de receptor voor dit signaal in een stroomafwaarts neuron.
00:27:34.23 Hoe komt die informatie terug bij AWC?
00:27:38.15 Het antwoord is dat het stroomafwaartse neuron een ander signaal afgeeft, een feedbacksignaal,
00:27:44.20 dat is een insuline-achtig peptide, dat terugkeert naar het AWC-neuron om zijn activiteit te wijzigen.
00:27:50.26 Dus een signaal van AWC praat met een doelneuron,
00:27:54.07 stuurt het doelneuron dan een signaal terug naar AWC,
00:27:57.13 en nogmaals, het gebruik van dat signaal beperkt de activiteit van het AWC-neuron.
00:28:02.12 De feedback zorgt ervoor dat AWC deze niet langer genereert
00:28:06.03 of herhaalde reacties op geurverwijdering.
00:28:11.29 Dus het lijkt merkwaardig dat een neuron zou genereren
00:28:14.21 zowel positieve als negatieve reacties.
00:28:16.29 Wat zou het doel kunnen zijn van het genereren van een negatief feedbacksignaal?
00:28:21.13 Om dit te begrijpen, moet je dat begrijpen,
00:28:24.02 bij dieren wordt de geurvoorkeur gewijzigd door de ervaring met geur.
00:28:28.10 En dit kan op verschillende manieren worden geïllustreerd,
00:28:31.15 maar een eenvoudige manier is dat, wanneer dieren worden blootgesteld aan geur in afwezigheid van voedsel,
00:28:35.25 ze passen zich langzaam aan aan de geur, zodat ze er niet meer door aangetrokken worden.
00:28:40.15 Dit zorgt ervoor dat dieren de voorkeur geven aan nieuwe geuren,
00:28:43.18 of geuren die zijn gecombineerd met voedsel,
00:28:45.14 tot geuren die zijn waargenomen bij afwezigheid van voedsel,
00:28:49.02 en het vertegenwoordigt een voor de hand liggende goede gedragsstrategie voor het vinden van geuren
00:28:53.11 die in de toekomst voedsel kunnen voorspellen.
00:28:56.00 Dit kan hier worden gekwantificeerd, waar de aantrekking tot geur, hier in zwart weergegeven,
00:28:59.22 druppels na 60 minuten na het zien van een geur zonder voedsel,
00:29:03.04 en daalt zelfs nog verder na twee uur de geur zonder voedsel te hebben gezien.
00:29:09.03 Deze verandering in de geurafhankelijke activiteit vereist de neuropeptide-feedbacklus
00:29:16.10 die de AWC-activiteit beperkt.
00:29:19.06 Als u NLP-1 of de receptor NPR-11 verwijdert
00:29:24.13 of het feedbacksignaal INS-1 dat die informatie weer omzet in AWC,
00:29:29.19 dan dieren die zijn blootgesteld aan geur, aangepaste dieren, zoals hier getoond,
00:29:34.05 blijven reageren op geur, zelfs na een lange tijd van geurparing bij afwezigheid van voedsel,
00:29:40.07 waar wildtype dieren hun reactie zouden verliezen.
00:29:44.09 Aanpassing vereist de functie van NLP-1 in de AWC-neuronen
00:29:49.22 en de functie van NPR-11 en van INS-1 (het feedbacksignaal) in de AIA-neuronen.
00:29:56.04 En dus kunnen we dit specifieke negatieve feedbacksignaal toewijzen aan een bepaald
00:30:01.09 negatieve feedback die moet optreden om een ​​nuttig olfactorisch gedrag te stimuleren:
00:30:06.10 reukaanpassing.
00:30:09.14 De activiteit van deze feedbacklus wordt niet alleen op gedragsniveau waargenomen,
00:30:13.23 maar ook op het niveau van neuronale reacties,
00:30:17.01 want als we de activiteit van AWC-neuronen onderzoeken na een lange tijd van blootstelling aan sterke geuren,
00:30:23.06 zoals hier in het zwart weergegeven, reageren ze gewoon niet meer op de geur
00:30:27.17 als de geur aanwezig was in afwezigheid van voedsel.
00:30:30.26 En deze onderdrukking van hun reactie is gebrekkig bij dieren
00:30:36.05 die het neuropeptide-feedbacksignaal missen, zoals hier in rood weergegeven,
00:30:39.29 die blijven reageren op de geur, zelfs wanneer deze niet langer de aanwezigheid van voedsel voorspelt.
00:30:50.07 Dus de conclusie van dit deel van het gesprek is dat neuropeptide-feedback,
00:30:55.04 bovenop de basisfunctie van het circuit, vormt de sensorische dynamiek:
00:31:01.06 Dat sensorische neuronen zoals AWC niet op één manier op geuren reageren,
00:31:05.17 maar op verschillende manieren, afhankelijk van de activiteit van een feedbackcircuit
00:31:09.20 dat als dat feedbackcircuit wegvalt, de sensorische neuronen langer en met meerdere stimuli reageren
00:31:16.14 dat als het feedbackcircuit aanwezig is, ze reageren met een korte stimulus
00:31:20.07 en dat als het feedbackcircuit sterk wordt geactiveerd door olfactorische aanpassing,
00:31:24.25 de sensorische neuronen reageren niet meer,
00:31:26.23 waardoor de dieren de reactie op die geur konden onderdrukken en op nieuwe geuren konden reageren.
00:31:34.08 En de conclusie van dit gesprek is dat circuits in de loop van de tijd veranderen, dat circuits niet vast zijn,
00:31:41.09 dat ze actief zintuiglijke informatie vormen en transformeren.
00:31:45.05 Ze ontvangen die informatie niet alleen passief.
00:31:48.03 En bovendien veranderen circuits hun eigen eigenschappen
00:31:51.05 op basis van zintuiglijke informatie in realtime.
00:31:55.12 Dit proces, deze dynamische en actieve interpretatie van informatie,
00:32:00.18 stelt circuits in staat om complexe berekeningen en berekeningen uit te voeren.
00:32:05.14 Als je precies neemt wat ik je heb verteld over dit kleine circuit van slechts een paar C. elegans-neuronen,
00:32:11.06 je kunt je realiseren dat, als je dat vermenigvuldigt met de miljarden neuronen in een menselijk brein,
00:32:15.21 het kan beginnen te verklaren waarom een ​​menselijk brein een kan genereren
00:32:19.17 oneindig aantal percepties, herinneringen en gedragingen.
00:32:23.18 Dank je.

  • Deel 1: Genen, de hersenen en gedrag


Bekijk de video: Het zenuwstelsel - cellen van het zenuwstelsel - HAVOVWO (December 2021).