Informatie

Connectiviteit Relatie tussen axonterminale synapsen en dendrieten


Met betrekking tot de synapsen tussen axonuiteinden en dendrieten, wat is de relatie tussen de axonuiteinden van een bepaald neuron en de dendrieten van de naburige neuronen?

  1. Synaps van elk axon op slechts een enkele dendritische wervelkolom van een ander neuron, waarbij alle andere verbindingen die axon maakt met verschillende neuronen zijn, of
  2. Kunnen meerdere axonuiteinden van een bepaald neuron via meerdere dendritische stekels met een enkel neuron worden verbonden?

Synapsen zijn vrijwel één-op-één

Hier zijn enkele EM-foto's van synapsen, van Wikimedia commons:

Je zou uit deze afbeeldingen moeten opmaken dat dit supergeorganiseerde structuren zijn. Er is een dichte, dichte verzameling cellulaire machines bij de synaps die een donker elektronendicht gebied creëert dat door de pijlen wordt weergegeven. Er is geen ruimte voor meer dan één cel om direct bij dit gebied betrokken te zijn, het is een membraan dat nauw verbonden is met een ander membraan. Het is alsof je de palmen van je twee handen tegen elkaar legt.

Sommige neuromodulatoren (en soms traditionele neurotransmitters) worden echter niet synaptisch vrijgegeven en worden gewoon in de extracellulaire ruimte gedumpt van waaruit ze naar de spleet diffunderen of buiten het synaptische gebied binden.

Er kunnen meerdere verbindingen zijn tussen twee gegeven cellen

Hoewel een synaps een één-op-één verbinding is, maken axonen meerdere synaptische contacten, net als dendrieten. Hoewel dit kan betekenen dat cellen invoer ontvangen en verzenden naar duizenden verschillende cellen, is het ook heel gebruikelijk dat er meerdere individuele synapsen zijn tussen twee specifieke cellen.

Voor enkele voorbeelden keken Tamas et al. 1997 naar synapsen gemaakt van remmende interneuronen naar exciterende cellen in de visuele cortex:

Alle presynaptische cellen vestigden meerdere synaptische knooppunten op hun postsynaptische doelcellen. Een mandcel innerveerde een piramidale cel via vijftien afgifteplaatsen; het aantal synapsen gevormd door drie dendriet-targeting cellen op pyramidale cellen waren respectievelijk zeventien en acht, en drie op een stekelige stercel; de interactie tussen een dubbele boeketcel en een postsynaptische piramidale cel werd gemedieerd door tien synaptische knooppunten.

Merk op dat ze het in deze paragraaf letterlijk hebben over 5 specifieke celparen, waarbij ze beide cellen in EM traceren. Dit is een uitputtend proces. De presynaptische cellen waren één mandcel, drie dendriet-gerichte cellen en één dubbele boeketcel. De postsynaptische cellen waren allemaal piramidale cellen, behalve één was een stekelige stercel. In de vijf paren vonden ze 15, 17, 8, 3 en 10 verbindingen. Natuurlijk hadden ze er ook een paar kunnen missen.


Tamas, G., Buhl, E.H., & Somogyi, P. (1997). Snelle IPSP's opgewekt via meerdere synaptische afgifteplaatsen door verschillende soorten GABAerge neuronen in de visuele cortex van de kat. The Journal of physiology, 500 (3), 715-738.


Synapsen, (een beetje) biologische neurale netwerken - deel II

Synapsen zijn de koppelingen tussen neuronen, waardoor signalen van het ene neuron naar het andere kunnen gaan. Synapsen zijn echter veel meer dan louter relais: ze spelen een belangrijke rol bij neurale berekeningen. De voortdurende drama's van opwinding en remming en van synaptische potentiëring en depressie geven aanleiding tot uw vermogen om beslissingen te nemen, te leren en te onthouden. Het is echt verbazingwekkend: verzamelingen van deze microscopisch kleine kruispunten in je hoofd kunnen allerlei dingen voorstellen: de naam van je huisdier, de lay-out van het metrosysteem van New York, hoe je moet fietsen.

In deze post geef ik een globaal overzicht van synapsen: wat ze zijn, hoe ze werken en hoe ze te modelleren. In het bijzonder zal ik me concentreren op synaptische transmissie, met korte secties over plasticiteit op korte en lange termijn. Nogmaals, zoals eerder, wordt hier niets nieuws gezegd, maar ik denk dat de presentatie nieuw is.


Invoering

Hersenen zijn het centrale controlesysteem van het lichaam. Het is het hoofdbestanddeel van het centrale zenuwstelsel. Het controleert alle vrijwillige activiteiten die door een persoon worden uitgevoerd. Daarnaast heeft het ook controlesystemen voor de regulering van onwillekeurige processen zoals ademhalingsfrequentie, bloeddruk, enz. Het is ook verantwoordelijk voor hogere functies zoals gedachteverwerking, geheugenvorming, gedrag, denken, enz.

Al deze functies in de hersenen worden uitgevoerd door neuronen. Neuronen zijn de fundamentele structurele en functionele eenheden van het zenuwstelsel. verschillende soorten neuronen zijn aanwezig in de hersenen. Deze neuronen zijn verbonden via speciale verbindingen die synapsen worden genoemd. Naast de neuronen zijn er ook ondersteunende cellen, de neurogliacellen, aanwezig in de hersenen.

In dit artikel zullen we het hebben over verschillende soorten neuronen die aanwezig zijn in de hersenen, de structuur en functies van deze neuronen en de manier waarop ze met elkaar verbonden zijn. We zullen ook de rol van gliacellen in de hersenen bespreken. Daarnaast zullen we verschillende soorten synapsen en hun rol in de hersenen bespreken.


De krant
S. Holler et al., "Structuur en functie van een neocorticale synaps", Natuur, doi:10.1038/s41586-020-03134-2, 2021.

B-regencellen gebruiken een taal van neurotransmitters om berichten aan elkaar door te geven op knooppunten die synapsen worden genoemd. Een enkel neuron kan tienduizenden synapsen hebben, waardoor het met duizenden andere hersencellen kan praten. Deze verbindingen bemiddelen de informatiestroom door de hersenen, en men denkt dat de plasticiteit van de synapssterkte ten grondslag ligt aan geheugen, leren en andere vormen van cognitie. Onderzoekers hebben lang vermoed dat synapsen met grotere oppervlakten sterker zijn, maar hebben hiervoor geen experimenteel bewijs, zegt Gregor Schuhknecht, een neurowetenschappelijke postdoc aan de Harvard University.

Om deze vraag te beantwoorden, identificeerden Schuhknecht, toen een afgestudeerde student aan het Institute of Neuroinformatics aan de Universiteit van Zürich en ETH Zürich, en zijn collega's synapsen tussen neuronparen in het neocortex-gebied van plakjes muishersenen. Wanneer een elektrische impuls, bekend als een actiepotentiaal, de afgifte van met neurotransmitters gevulde blaasjes uit het axonuiteinde van een neuron veroorzaakt, stromen deze chemicaliën door de synaps en worden herkend door receptoren in de dendriet van het ontvangende neuron, wat op zijn beurt een actiepotentiaal kan veroorzaken in deze cel. Het team registreerde de verandering in spanning van het ontvangende neuron met een kleine elektrode om de synapssterkte te meten en gebruikte elektronenmicroscopie om de synapsgrootte te berekenen. En ja hoor, ze ontdekten dat synapsen met een groter postsynaptisch dichtheidsgebied - het onderdeel
van de dendriet die neurotransmitterreceptoren huisvest, veroorzaakte grotere spanningsveranderingen.

Stephanie Rudolph, een neurowetenschapper aan het Albert Einstein College of Medicine die niet betrokken was bij het onderzoek, noemt het een "technisch hoogstandje" dat de relatie tussen synapsgrootte en kracht bevestigt, een al lang bestaande vraag in de neurowetenschappen.

Sommige onderzoekers hebben de connectiviteit van neuronen gemeten door simpelweg het aantal synapsen tussen een neuronpaar te tellen. De bevinding dat grotere synapsen sterker zijn, zal het mogelijk maken verbindingssterkte toe te wijzen aan een synaps op basis van zijn grootte, wat "een veel nauwkeuriger beeld van de verbinding oplevert", zegt Schuhknecht. Dit zou moeten leiden tot kaarten van het connectoom van de hersenen die wetenschappers ontwikkelen voor fruitvliegjes en muizen, met als doel te begrijpen hoe informatie door de hersenen stroomt.

De sterkte van een synaps hangt ook af van het aantal afgifteplaatsen voor neurotransmitters in een axonuiteinde en de kans dat een blaasje wordt vrijgegeven. Tot nu toe begrepen de meeste neurowetenschappers dat synapsen in de neocortex slechts één enkel blaasje neurotransmitter per actiepotentiaal konden vrijgeven, zegt Schuhknecht. Maar het onderzoeksteam berekende dat het aantal afgifteplaatsen het aantal synapsen tussen elk neuronpaar in de hersenschijfjes van de muis overschreed, wat aangeeft dat elke synaps mogelijk meerdere blaasjes kan vrijgeven. Dit betekent dat de kracht van synapsen in de neocortex - het grootste gebied in de menselijke hersenen - flexibeler is dan is erkend.

"[Deze bevinding] verandert de manier waarop we denken over de overheersende wijze van synaptische transmissie grondig", zegt Rudolph. "We kunnen veronderstellen dat [multivesiculaire afgifte] het vermogen van de hersenen om zich aan te passen aan interne en externe uitdagingen vergroot en een breder scala aan computationele verwerking en informatieopslag mogelijk maakt."


RESULTATEN

We gebruikten in vivo time-lapse confocale microscopie om synaptische locaties in tectale neuron dendritische priëlen in beeld te brengen en om mechanismen te onderzoeken die betrokken zijn bij de oprichting van Xenopus retinotectale synaptische connectiviteit. Expressie van DsRed2 en het postsynaptische dichtheidseiwit PSD95 gelabeld met GFP (PSD95-GFP) werd gebruikt om de dendritische arbormorfologie en postsynaptische specialisaties tegelijkertijd in vivo te visualiseren (Fig. 1). PSD-95 associeert met postsynaptische receptoren en cytoskeletelementen, neemt deel aan synapsrijping en heeft gediend als een marker voor beeldvorming van postsynaptische specialisaties, zowel in cultuur als in vivo (Ebihara et al., 2003 Marrs et al., 2001 Niell et al., 2004 Okabe et al., 2001). In Xenopus optische tectum, PSD95-GFP had een puntvormige verdeling langs individuele DsRed2-gelabelde tectale neuron dendritische priëlen (Fig. 1A-C). Om te bevestigen dat PSD95-GFP correct was gericht op postsynaptische sites in vivo, vergeleken we de PSD95-GFP-distributie met die van een endogeen presynaptisch eiwit. Immunokleuring voor het presynaptische plasmamembraaneiwit SNAP-25 toonde aan dat endogene SNAP-25 in de tectale neuropil wordt gedistribueerd in een punctaatpatroon dat complementair is aan dat van PSD95-GFP punctate labeling (Fig. 1D-G) en van endogene PSD -95 kleuring (Fig. 1H-J). De meeste PSD95-GFP-puncta waren samen gelokaliseerd met endogene SNAP-25-puntkleuring (81,25 ± 3,12%, 357 puncta geanalyseerd van vijf neuronen, één PSD95-GFP-neuron per kikkervisje), wat aangeeft dat PSD95-GFP zich richt op synaptische plaatsen. Specifieke lokalisatie van PSD95-GFP bij synapsen werd ook ultrastructureel bevestigd. Immuno-elektronenmicroscopie toont aan dat PSD95-GFP voornamelijk gelokaliseerd was aan de postsynaptische kant van rijpe synaptische profielen in de tectale neuropil van stadium 45-kikkervisjes (Fig. 2). Morfologisch volwassen synapsen met presynaptische uiteinden die talrijke synaptische blaasjes bevatten en duidelijk gedefinieerde postsynaptische specialisaties waren immunopositief voor GFP. In de meeste immunopositieve profielen (84,8%, of 28 van de 33 profielen geanalyseerd van zeven hersenen, één PSD95-GFP-neuron per kikkervisjebrein), was de GFP-immunoreactiviteit gelokaliseerd op of nabij de postsynaptische dichtheid bij de synaps (Fig. 2A-C) . Daarom tonen deze onderzoeken direct aan dat PSD95-GFP wordt gerekruteerd voor synapsen en valideren ze het als een marker om postsynaptische sites in vivo te visualiseren.

PSD95-GFP lokaliseert specifiek naar ultrastructureel geïdentificeerde synapsen op tectale neurondendrieten. (A-C) De lokalisatie van PSD95-GFP werd bepaald door de verdeling van GFP-immunoreactiviteit te onderzoeken met behulp van elektronenmicroscopie. De elektronenmicrofoto's tonen specifieke lokalisatie van GFP-immunoreactiviteit zoals onthuld door de met zilver versterkte gouddeeltjes (open pijlen) op postsynaptische terminals. Morfologisch volwassen synapsen (zwarte pijlen), met presynaptische terminals met talrijke synaptische blaasjes (v) en duidelijk gedefinieerde pre- en postsynaptische specialisaties worden waargenomen. De zilver verbeterde gouddeeltjes waren direct gelokaliseerd op het postsynaptische membraan bij de postsynaptische dichtheid (A-C), of waren binnen 200 nm van de postsynaptische dichtheid (B). Schaalbalk: 200 nm.

PSD95-GFP lokaliseert specifiek naar ultrastructureel geïdentificeerde synapsen op tectale neuron dendrieten. (A-C) De lokalisatie van PSD95-GFP werd bepaald door de verdeling van GFP-immunoreactiviteit te onderzoeken met behulp van elektronenmicroscopie. De elektronenmicrofoto's tonen specifieke lokalisatie van GFP-immunoreactiviteit zoals onthuld door de met zilver versterkte gouddeeltjes (open pijlen) op postsynaptische terminals. Morfologisch volwassen synapsen (zwarte pijlen), met presynaptische terminals met talrijke synaptische blaasjes (v) en duidelijk gedefinieerde pre- en postsynaptische specialisaties worden waargenomen. De zilver verbeterde gouddeeltjes waren direct gelokaliseerd op het postsynaptische membraan bij de postsynaptische dichtheid (A-C), of waren binnen 200 nm van de postsynaptische dichtheid (B). Schaalbalk: 200 nm.

Time-lapse beeldvorming van PSD95-GFP puncta in individuele DsRed2-gelabelde tectale neuron dendritische priëlen werd gebruikt om dendritische prieel morfologie te correleren met synapsvorming en stabilisatie. Onze eerdere studies tonen aan dat BDNF het aantal presynaptische specialisaties en de complexiteit van RGC-axon-arbors in stadium 45 aanzienlijk verhoogt Xenopus kikkervisjes binnen 4 uur na de behandeling (Alsina et al., 2001). In dit stadium zijn endogene BDNF-niveaus in het optische tectum hoog (Cohen-Cory en Fraser, 1994), en tectale neuronen vergroten hun complexiteit door een actieve hermodellering van hun dendritische priëlen (Cline, 1998 Cline, 2001 Wu en Cline, 1998) . Daarom werden stadium 45-kikkervisjes afgebeeld door confocale microscopie na 0, 4, 24 en 48 uur om mogelijke effecten van BDNF op tectale neuronen te bepalen. Micro-injectie van recombinant BDNF in het optische tectum veranderde de groei of morfologie van tectale neuron dendritische priëlen die op een van de observatietijdstippen werden afgebeeld, niet in vergelijking met controles (Fig. 3 en Fig. 4A, B). Evenzo had BDNF geen invloed op de complexiteit van de dendritische arbor van neuronen in jonge kikkervisjes (vóór de piek-BDNF-expressie) die 48 uur na de behandeling werden afgebeeld (zie Materialen en methoden) noch de vertakking van tectale neuronen afgebeeld op een tijdsverloop van eens per 2 uur (data niet weergegeven). Daarentegen verhoogde de BDNF-behandeling het aantal PSD95-GFP-gelabelde postsynaptische specialisaties per individuele prieel (Fig. 3 en Fig. 4C, D). Kwantitatieve analyse van individuele priëlen toont aan dat het totale aantal en de dichtheid van PSD95-GFP puncta per tectale neuron dendritische prieel 24 uur na BDNF-behandeling significant was verhoogd in vergelijking met controles (Fig. 4C,D). Het verschil in het aantal en de dichtheid van PSD95-GFP puncta werd na 48 uur dramatischer (Fig. 4C,D).

Onze eerdere studies tonen een dubbele functie aan voor BDNF tijdens de vorming en stabilisatie van zowel synapsen als axontakken in Xenopus RGC priëlen (Alsina et al., 2001 Hu et al., 2005). Toenemende BDNF in het kikkervisje optic tectum induceert nieuwe axontakken en presynaptische specialisaties die worden gevormd, terwijl afnemende endogene BDNF de destabilisatie van zowel presynaptische sites als axontakken induceert. Deze waarnemingen suggereren dat beperkende hoeveelheden BDNF de mate van groei en stabilisatie van axonen dicteren. Dus, om te bepalen of de effecten van recombinant BDNF op tectale dendrieten de acties van endogeen BDNF weerspiegelen, hebben we de endogene BDNF-niveaus verlaagd door een BDNF-functieblokkerend antilichaam in het optische tectum te injecteren. Zoals waargenomen voor recombinant BDNF, veranderde de anti-BDNF-behandeling het aantal dendritische vertakkingen bij geen enkel observatie-interval (4, 24 of 48 uur, Fig. 3D). Het totale aantal vertakkingen was vergelijkbaar voor tectale neuronen in controle-, BDNF- en anti-BDNF-behandelde kikkervisjes (Fig. 4A), wat aangeeft dat dendritische vertakking niet werd beïnvloed door veranderingen in BDNF-signalering. Het neutraliseren van endogeen BDNF beperkte echter de ruimtelijke omvang van het dendritische prieel. De totale lengte van de dendritische prieel bleef constant in tectale neuronen in met anti-BDNF behandelde kikkervisjes gedurende de observatieperiode van 48 uur (105,2 ± 9% van tijd nul, 6 Fig. 4B), terwijl bij controles de totale lengte van de dendrietarbor toenam tot 153,5 ± 15 % van de oorspronkelijke waarde na 48 uur (P≤0,05). Het neutraliseren van endogeen BDNF met anti-BDNF had tegengestelde effecten op GFP-gelabelde postsynaptische specialisaties als die van recombinant BDNF, waardoor het aantal PSD95-GFP-puncta in de tectale dendrieten significant werd verminderd (Fig. 3D). Het totale aantal PSD95-GFP-puncta per tectale neuron was significant lager dan de controles 24 uur na anti-BDNF-behandeling, een effect dat na 48 uur meer uitgesproken werd (Fig. 4C). Omdat neutralisatie van endogeen BDNF de lengte van het dendritische prieel en het aantal PSD95-GFP-puncta beïnvloedde, verschilde het aantal postsynaptische specialisaties per lengte-eenheid (postsynaptische specialisatiedichtheid Fig. 4D) niet significant van de controle, hoewel de twee parameters werden onafhankelijk beïnvloed. Time-lapse-analyse onthulde echter dat de afname van het absolute aantal PSD95-GFP-puncta in de met anti-BDNF behandelde kikkervisjes resulteerde in een significante afname van de dichtheid van postsynaptische specialisaties in takken die in de loop van de tijd stabiel bleven (Fig. 5 ). Dus, zoals behandeling met recombinant BDNF, neutraliseerde het neutraliseren van endogeen BDNF in het optische tectum het postsynaptische specialisatienummer in tectale neuron dendritische priëlen.

Gedetailleerde analyse van de lokalisatie en de levensduur van individuele PSD95-GFP puncta per dendritisch prieel onthulde dat het effect van BDNF op synapsdichtheid te wijten was aan de selectieve toevoeging van nieuwe postsynaptische specialisaties in plaats van stabilisatie van bestaande (Fig. 6). De door BDNF veroorzaakte toename in synapstoevoeging vond plaats tussen 4 en 24 uur na behandeling (Fig. 6B). Omgekeerd was de door anti-BDNF veroorzaakte afname van het aantal synapsen het resultaat van een verminderd aantal nieuw toegevoegde postsynaptische specialisaties. Dat wil zeggen dat er 48 uur na anti-BDNF-behandeling significant minder PSD95-GFP-puncta werden gevormd, een trend die vanaf 4 uur werd waargenomen (Fig. 6B). Het aandeel PSD95-GFP puncta dat stabiel bleef in neuronen in BDNF en in met anti-BDNF behandelde kikkervisjes was vergelijkbaar met dat van controles bij alle observatie-intervallen (Fig. 6A). Samen laten onze resultaten zien dat veranderingen in tectale BDNF-niveaus geen invloed hebben op de morfologie van de dendritische prieel van de tectale neuronen, maar eerder de synapsdichtheid beïnvloeden door de synapsvorming te moduleren.


De juiste functie van het centrale zenuwstelsel (CZS) hangt af van de specificiteit van synaptische verbindingen tussen verschillende typen cellen. Cellulaire en moleculaire mechanismen die verantwoordelijk zijn voor het tot stand brengen en verfijnen van deze verbindingen tijdens de ontwikkeling zijn het onderwerp van een actief onderzoeksgebied [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Het is echter niet bekend of het CZS van volwassen zoogdieren nieuwe type-selectieve synapsen kan vormen na neuraal letsel of ziekte. Hier beoordelen we of selectieve synaptische verbindingen kunnen worden hersteld na circuitverstoring in het netvlies van volwassen zoogdieren. De stereotiepe circuits bij de eerste synaps in het netvlies, evenals de relatief korte afstanden die nieuwe neurieten moeten afleggen in vergelijking met andere delen van het CZS, maken het netvlies zeer geschikt om te zoeken naar synaptische specificiteit tijdens het opnieuw samenstellen van het circuit.Selectieve verbindingen tussen korte-golflengte gevoelige kegelfotoreceptoren (S-kegels) en S-kegel bipolaire cellen vormen de basis van het oorspronkelijke blauwgele zicht, dat alle zoogdieren gemeen hebben [7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18]. We maken gebruik van het netvlies van de grondeekhoorn, dat een één-op-één S-kegel-naar-S-kegel-bipolaire celverbinding heeft, om te testen of deze connectiviteit kan worden hersteld na verlies van lokale fotoreceptoren [8, 19]. We vinden dat na in vivo selectieve fotoreceptorablatie, gedeaffereerde S-kegel bipolaire cellen breiden hun dendritische bomen uit. De nieuwe dendrieten verkennen willekeurig de juiste synaptische laag, omzeilen medium-golflengte gevoelige kegelfotoreceptoren (M-kegels) en synapsen selectief met S-kegels. Niet-verbonden dendrieten worden echter niet teruggesnoeid om op onverstoorde bipolaire S-kegelcellen te lijken. We laten voor het eerst zien dat circuitreparatie in het netvlies van volwassen zoogdieren stereotypische selectieve bedrading kan recreëren.

Huidig ​​adres: Section on Light and Circadian Rhythms, National Institute of Mental Health, 35 Convent Drive, Bethesda, MD 20892, VS


Neuronen

Het zenuwstelsel van de gewone laboratoriumvlieg, Drosophila melanogaster, bevat ongeveer 100.000 neuronen, hetzelfde aantal als een kreeft. Dit aantal is vergelijkbaar met 75 miljoen bij de muis en 300 miljoen bij de octopus. Een menselijk brein bevat ongeveer 86 miljard neuronen. Ondanks deze zeer verschillende aantallen, beheersen het zenuwstelsel van deze dieren veel van hetzelfde gedrag, van basisreflexen tot meer gecompliceerd gedrag zoals het vinden van voedsel en het zoeken naar vrienden. Het vermogen van neuronen om met elkaar en met andere soorten cellen te communiceren ligt ten grondslag aan al deze gedragingen.

De meeste neuronen delen dezelfde cellulaire componenten. Maar neuronen zijn ook zeer gespecialiseerd en verschillende soorten neuronen hebben verschillende afmetingen en vormen die verband houden met hun functionele rollen.

Delen van een neuron

Net als andere cellen heeft elk neuron een cellichaam (of soma) dat een kern, glad en ruw endoplasmatisch reticulum, Golgi-apparaat, mitochondriën en andere cellulaire componenten bevat. Neuronen bevatten ook unieke structuren, geïllustreerd in figuur (PageIndex<2>) voor het ontvangen en verzenden van de elektrische signalen die neuronale communicatie mogelijk maken. Dendrieten zijn boomachtige structuren die zich uitstrekken van het cellichaam om berichten van andere neuronen te ontvangen op gespecialiseerde knooppunten die synapsen worden genoemd. Hoewel sommige neuronen geen dendrieten hebben, hebben sommige soorten neuronen meerdere dendrieten. Dendrieten kunnen kleine uitsteeksels hebben, dendritische stekels genaamd, die het oppervlak voor mogelijke synaptische verbindingen verder vergroten.

Zodra een signaal door de dendriet is ontvangen, reist het passief naar het cellichaam. Het cellichaam bevat een gespecialiseerde structuur, de axonheuvel die signalen van meerdere synapsen integreert en dient als een verbinding tussen het cellichaam en een axon. Een axon is een buisachtige structuur die het geïntegreerde signaal voortplant naar gespecialiseerde uiteinden die axonterminals worden genoemd. Deze terminals synapsen op hun beurt op andere neuronen, spieren of doelorganen. Chemische stoffen die vrijkomen bij axonuiteinden zorgen ervoor dat signalen naar deze andere cellen kunnen worden gecommuniceerd. Neuronen hebben meestal één of twee axonen, maar sommige neuronen, zoals amacrine cellen in het netvlies, bevatten geen axonen. Sommige axonen zijn bedekt met myeline, dat als een isolator fungeert om de dissipatie van het elektrische signaal te minimaliseren terwijl het door het axon reist, waardoor de geleidingssnelheid aanzienlijk toeneemt. Deze isolatie is belangrijk omdat het axon van een menselijk motorneuron wel een meter lang kan zijn van de basis van de wervelkolom tot aan de tenen. De myelineschede maakt eigenlijk geen deel uit van het neuron. Myeline wordt geproduceerd door gliacellen. Langs het axon zijn er periodieke gaten in de myelineschede. Deze gaten worden knooppunten van Ranvier genoemd en zijn plaatsen waar het signaal wordt "opgeladen" terwijl het langs het axon reist.

Het is belangrijk op te merken dat een enkel neuron niet alleen werkt. Neuronale communicatie hangt af van de verbindingen die neuronen met elkaar maken (evenals met andere cellen, zoals spiercellen). Dendrieten van een enkel neuron kunnen synaptisch contact ontvangen van vele andere neuronen. Van dendrieten van een Purkinje-cel in het cerebellum wordt bijvoorbeeld gedacht dat ze contact krijgen met maar liefst 200.000 andere neuronen.

Figuur (PageIndex<1>): Neuronen bevatten organellen die veel andere cellen gemeen hebben, zoals een kern en mitochondriën. Ze hebben ook meer gespecialiseerde structuren, waaronder dendrieten en axonen.

Welke van de volgende beweringen is onjuist?

  1. De soma is het cellichaam van een zenuwcel.
  2. Myelineschede zorgt voor een isolerende laag voor de dendrieten.
  3. Axonen dragen het signaal van de soma naar het doelwit.
  4. Dendrieten dragen het signaal naar de soma.

Soorten neuronen

Er zijn verschillende soorten neuronen en de functionele rol van een bepaald neuron is nauw afhankelijk van zijn structuur. Er is een verbazingwekkende diversiteit aan vormen en maten van neuronen die in verschillende delen van het zenuwstelsel (en tussen soorten) worden aangetroffen, zoals geïllustreerd door de neuronen die worden getoond in figuur (PageIndex<3>).

Figuur (PageIndex<3>): Er is een grote diversiteit in de grootte en vorm van neuronen in het hele zenuwstelsel. Voorbeelden zijn (a) een piramidale cel uit de hersenschors, (b) een Purkinje-cel uit de cerebellaire cortex en (c) reukcellen uit het reukepitheel en de bulbus olfactorius.

Hoewel er veel gedefinieerde subtypes van neuronencellen zijn, worden neuronen grofweg onderverdeeld in vier basistypen: unipolair, bipolair, multipolair en pseudo-unipolair. Figuur (PageIndex<4>) illustreert deze vier basisneurontypes. Unipolaire neuronen hebben slechts één structuur die zich van de soma af uitstrekt. Deze neuronen worden niet gevonden in gewervelde dieren, maar worden gevonden in insecten waar ze spieren of klieren stimuleren. Een bipolair neuron heeft één axon en één dendriet die zich uitstrekken van de soma. Een voorbeeld van een bipolair neuron is een bipolaire retinale cel, die signalen ontvangt van fotoreceptorcellen die gevoelig zijn voor licht en deze signalen doorgeeft aan ganglioncellen die het signaal naar de hersenen dragen. Multipolaire neuronen zijn het meest voorkomende type neuron. Elk multipolair neuron bevat één axon en meerdere dendrieten. Multipolaire neuronen zijn te vinden in het centrale zenuwstelsel (hersenen en ruggenmerg). Een voorbeeld van een multipolair neuron is een Purkinje-cel in het cerebellum, die veel vertakkende dendrieten heeft, maar slechts één axon. Pseudo-unipolaire cellen delen kenmerken met zowel unipolaire als bipolaire cellen. Een pseudo-unipolaire cel heeft een enkel proces dat zich uitstrekt van de soma, zoals een unipolaire cel, maar dit proces vertakt zich later in twee verschillende structuren, zoals een bipolaire cel. De meeste sensorische neuronen zijn pseudo-unipolair en hebben een axon dat vertakt in twee extensies: een verbonden met dendrieten die sensorische informatie ontvangen en een andere die deze informatie doorgeeft aan het ruggenmerg.

Figuur (PageIndex<4>): Neuronen worden grofweg onderverdeeld in vier hoofdtypen op basis van het aantal en de plaatsing van axonen: (1) unipolair, (2) bipolair, (3) multipolair en (4) pseudo-unipolair.

Dagelijkse verbinding: neurogenese

Ooit geloofden wetenschappers dat mensen werden geboren met alle neuronen die ze ooit zouden hebben. Onderzoek dat de afgelopen decennia is uitgevoerd, geeft aan dat neurogenese, de geboorte van nieuwe neuronen, doorgaat tot in de volwassenheid. Neurogenese werd voor het eerst ontdekt bij zangvogels die nieuwe neuronen produceren terwijl ze liedjes leren. Voor zoogdieren spelen nieuwe neuronen ook een belangrijke rol bij het leren: elke dag ontwikkelen zich ongeveer 1000 nieuwe neuronen in de hippocampus (een hersenstructuur die betrokken is bij leren en geheugen). Hoewel de meeste nieuwe neuronen zullen afsterven, ontdekten onderzoekers dat een toename van het aantal overlevende nieuwe neuronen in de hippocampus correleerde met hoe goed ratten een nieuwe taak leerden. Interessant is dat zowel lichaamsbeweging als sommige antidepressiva ook neurogenese in de hippocampus bevorderen. Stress heeft het tegenovergestelde effect. Hoewel neurogenese vrij beperkt is in vergelijking met regeneratie in andere weefsels, kan onderzoek op dit gebied leiden tot nieuwe behandelingen voor aandoeningen zoals Alzheimer, beroerte en epilepsie.

Hoe identificeren wetenschappers nieuwe neuronen? Een onderzoeker kan een stof genaamd bromodeoxyuridine (BrdU) in de hersenen van een dier injecteren. Hoewel alle cellen zullen worden blootgesteld aan BrdU, zal BrdU alleen worden opgenomen in het DNA van nieuw gegenereerde cellen die zich in de S-fase bevinden. Een techniek genaamd immunohistochemie kan worden gebruikt om een ​​fluorescerend label aan de ingebouwde BrdU te bevestigen, en een onderzoeker kan fluorescentiemicroscopie gebruiken om de aanwezigheid van BrdU, en dus nieuwe neuronen, in hersenweefsel te visualiseren. Figuur (PageIndex<5>) is een microfoto die fluorescent gelabelde neuronen in de hippocampus van een rat laat zien.

Figuur (PageIndex<5>): Deze microfoto toont fluorescent gelabelde nieuwe neuronen in een hippocampus van een rat. Cellen die actief delen hebben broomdoxyuridine (BrdU) ingebouwd in hun DNA en zijn rood gemarkeerd. Cellen die gliaal fibrillair zuur eiwit (GFAP) tot expressie brengen, zijn groen gemarkeerd. Astrocyten, maar geen neuronen, brengen GFAP tot expressie. Dus cellen die zowel rood als groen zijn gelabeld, zijn actief delende astrocyten, terwijl cellen die alleen rood zijn gelabeld actief delende neuronen zijn. (credit: wijziging van het werk door Dr. Maryam Faiz, et. al., schaalbalkgegevens van de Universiteit van Barcelona van Matt Russell)

Deze site bevat meer informatie over neurogenese, waaronder een interactieve laboratoriumsimulatie en een video waarin wordt uitgelegd hoe BrdU nieuwe cellen labelt.


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 in de cel brengen en tegelijkertijd 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 is voltooid, 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 omdat 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 vrijkomt 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 ionkanalen, 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 gaat. 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 hersencomputer-interfacetechnologie 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 positieve ionen de cel laten binnendringen. 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 bevordert 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 in de hersenen. Naarmate de blootstelling aan nicotine voortduurt, versterkt langdurige potentiëring de activering van de beloningsroutes als reactie op nicotineconsumptie.

Woordenlijst


Dendrieten

Dendrieten zijn boomachtige uitlopers aan het begin van een neuron die helpen het oppervlak van het cellichaam te vergroten. Deze kleine uitsteeksels ontvangen informatie van andere neuronen en geven elektrische stimulatie door aan de soma. Dendrieten zijn ook bedekt met synapsen.

Kenmerken

  • Hebben veel dendrieten, of slechts één dendriet
  • Zijn kort en sterk vertakt
  • Informatie doorgeven aan het cellichaam

De meeste neuronen bezitten deze vertakte uitlopers die zich naar buiten uitstrekken, weg van het cellichaam. Deze dendrieten ontvangen vervolgens chemische signalen van andere neuronen, die vervolgens worden omgezet in elektrische impulsen die naar het cellichaam worden verzonden.

Sommige neuronen hebben zeer kleine, korte dendrieten, terwijl andere cellen zeer lange hebben. De neuronen van het centrale zenuwstelsel hebben zeer lange en complexe dendrieten die vervolgens signalen ontvangen van maar liefst duizend andere neuronen.

Als de elektrische impulsen die naar binnen naar het cellichaam worden gestuurd groot genoeg zijn, zullen ze een actiepotentiaal genereren. Hierdoor wordt het signaal door het axon verzonden.​

De soma, of het cellichaam, is waar de signalen van de dendrieten worden samengevoegd en doorgegeven. De soma en de kern spelen geen actieve rol bij de overdracht van het neurale signaal. In plaats daarvan dienen deze twee structuren om de cel te behouden en het neuron functioneel te houden.

Kenmerken

  • Bevat talrijke organellen die betrokken zijn bij verschillende celfuncties
  • Bevat een celkern die RNA produceert dat de synthese van eiwitten aanstuurt
  • Ondersteunt en onderhoudt de werking van het neuron

Zie het cellichaam als een kleine fabriek die het neuron van brandstof voorziet.

Het soma produceert de eiwitten die de andere delen van het neuron, inclusief de dendrieten, axonen en synapsen, nodig hebben om goed te kunnen functioneren.

De ondersteunende structuren van de cel omvatten mitochondriën, die de cel van energie voorzien, en het Golgi-apparaat, dat door de cel aangemaakte producten verpakt en naar verschillende locaties binnen en buiten de cel verzendt.


Abstract

Achtergrond en Doel- Omdat het herstelproces van axonuiteinden, synapsen en wervelkolomdendrieten in de ischemische penumbra van de hersenschors onduidelijk is, hebben we het temporele profiel van deze structuren tot 12 weken na de ischemische beschadiging bestudeerd met behulp van een gerbil-model.

methoden— Beroerte-positieve dieren werden geselecteerd op basis van hun beroerte-indexscore tijdens de eerste 10 minuten durende occlusie van de linker carotis, tweemaal uitgevoerd met een interval van 5 uur. De dieren werden op verschillende tijdstippen geëuthanaseerd na de tweede ischemische belediging. Ultradunne secties inclusief de 2e tot 4e corticale lagen werden verkregen uit de neocortex coronaal doorgesneden op het infundibulaire niveau, waarin de penumbra verscheen. We telden het aantal synapsen, stekels en meerdere synapsbouten, gemeten neurietdikte en bepaalden het procentuele volume van de axonuiteinden en stekels met de Weibel-punttelmethode.

Resultaten— Het aantal synapsen, synaptische blaasjes en stekels en het totale procentuele volume van de axonuiteinden en stekels nam af tot de 4e dag. Van 1 tot 12 weken na de ischemische beschadiging namen deze waarden toe tot of overtroffen ze de controlewaarden, en trad neuritische verdikking op en een toename van het aantal meerdere synapsbouten.

conclusies— In de ischemische penumbra degenereerden de bovengenoemde structuren, met een vermindering van hun aantal en grootte, tot 4 dagen en herstelden daarna van 1 tot 12 weken na de ischemische aanval.

Een herseninfarct ontwikkelt zich snel na een groot ischemisch letsel. Eerder ontwikkelden we een model van tijdelijke ischemie waarbij een focaal infarct omgeven door een grote penumbra werd geproduceerd in de hersenschors van Mongoolse gerbils door een drempelwaarde van ischemische beschadiging te geven om een ​​focaal infarct te induceren. 1,2

Wat het neuronale herstel betreft, hebben recente bevindingen aangetoond dat synapsen en hun netwerken een hoge mate van functionele en structurele plasticiteit uitdrukken. 3 Ultrastructurele veranderingen in de postsynaptische dichtheid in hippocampus CA-1 werden onderzocht na tijdelijke ischemie. 4-6 Gedegenereerde boutons en multiple synaps boutons (MSB's) in deze regio werden onderzocht met elektronenmicroscopie (EM) na tijdelijke ischemie, 7-9 en na tijdelijke hypoxie / hypoglykemie in hippocampale plakjes. 10 Veranderingen in stekels en dendrieten werden bestudeerd door time-lapse microscopie na tijdelijke anoxie/hypoglykemie in celcultuur, 11,12 door lichtmicroscopie (LMS) van met Golgi-vlek geïmpregneerde coupes van de 3e tot 5e corticale laag van de hersenschors na tijdelijke ischemie, 13 en door EM na tijdelijke hypoxie/glykemie in hippocampus slice. 10 Veranderingen in CA-1 dendrieten na tijdelijke ischemie werden onderzocht door lichtmicroscopie van met mierikswortelperoxidase geïnjecteerde monsters, 14 door EM na tijdelijke ischemie in CA-1, 15,16 en door EM van met Golgi-kleuring geïmpregneerde hersenschors na tijdelijke ischemie voor 20 minuten. 17

Bijna alle bovenstaande onderzoeken werden uitgevoerd in verband met vertraagde ischemie-geïnduceerde schade aan CA-1-neuronen, en waarnemingen werden gedaan gedurende een korte periode na ischemie. Klinisch vertonen de meeste patiënten echter een geleidelijk herstel van gedragsstoornissen na een beroerte. Het geïntegreerde langetermijnprofiel van axonuiteinden, synapsen, stekels en dendrieten tijdens de herstelfase na een ischemische beschadiging is onduidelijk gebleven, vooral in de ischemische penumbra van de hersenschors.

Omdat er geen functioneel herstel wordt verwacht in het infarct zelf, 18-20 probeerden we het proces van neuronale remodellering in de ischemische penumbra op te helderen waarin neuronale dood op een gedissemineerde manier vordert, 2,18,20 door ons te concentreren op de temporele profielen van axonterminals, synapsen, stekels en neurieten.

Materialen en methodes

Onder narcose met 2% halothaan, 70% lachgas en 30% zuurstof werd de linker halsslagader van volwassen mannelijke Mongoolse gerbils (60 tot 80 g) tweemaal afgesloten met een Heifetz aneurismal clip gedurende 10 minuten elke keer, met een 5- interval van een uur tussen de 2 occlusies, werd de anesthesie onmiddellijk na elke cervicale operatie stopgezet, de dieren werden snel wakker en bewogen spontaan.

Ischemie-positieve dieren die >13 punten registreerden, werden geselecteerd op basis van de beroerte-indexscore bepaald tijdens de eerste occlusie. 21 De gerbils werden op verschillende tijdstippen geëuthanaseerd, namelijk op 5, 12, 24, 48 uur, 4 dagen en 1, 5, 8 en 12 weken na de ischemische belediging. Anesthesie werd gevolgd door intracardiale perfusie met verdund fixeermiddel (1% paraformaldehyde, 1,25% glutaaraldehyde in 0,1 mol/L cacodylaatbuffer) gedurende 5 minuten, gevolgd door perfusie met geconcentreerd fixeermiddel (4% paraformaldehyde, 5% glutaaraldehyde in 0,1 mol/L cacodylaatbuffer ) gedurende 20 minuten voor EM (3 dieren in elke tijdsgroep), of met 10% fosfaat-gebufferde formaldehyde fixeermiddel gedurende 30 minuten voor LMS (5 dieren in elke tijdsgroep).

In dit model verscheen, na het herstel van de bloedstroom, alleen ischemische penumbra met voortschrijdende gedissemineerde selectieve neuronale necrose (DSNN) in het coronale gezicht doorgesneden op het infundibulaire niveau (gezicht B) en een focaal infarct ontwikkeld onder de DSNN in het coronale gezicht doorgesneden op het chiasma (gezicht A). Ultradunne secties met inbegrip van de 2e tot 4e corticale lagen werden geprepareerd uit de linker hersenschors in het midden tussen de interhemisferische en rhinale fissuren op Face B, penumbra >1 mm caudaal tot infarctrand. De coupes werden dubbel gekleurd met uranylacetaat en loodoplossing en bekeken met een elektronenmicroscoop (H9000, Hitachi). Paraffinecoupes van beide vlakken werden afzonderlijk gekleurd met hematoxyline-eosine (HE) of perjoodzuurfuchsine Schiff (PAS) of door Bodian-zilverimpregnering of gebruikt voor immunohistochemische detectie van gliaal fibrillair zuur eiwit.

Door 1,0 cm x 1,0 cm kwadratische roosters van punten op 5000 x 2,67 keer vergrote EM-foto's te plaatsen, hebben we het aantal synapsen gemeten (synapsen: bestaande uit de pre- en postsynaptische dichtheden geassocieerd met hun cytoplasmatische vlakken en de synaptische spleet daartussen) en stekels (stekels: een eivormige bol die is gevuld met een pluizig materiaal en direct of door een stengel is verbonden met dendriet) in de neuropil in een gebied van 100 cm 2 (56 m 2 , op ware grootte) door 1800 ± 364 cm 2 te onderzoeken in de neuropil van 3 dieren in elke tijdgroep. We bepaalden het procentuele volume van de axonuiteinden (axonuiteinden: presynaptische expansie van het axon dat synaptische blaasjes en mitochondriën bevat) en stekels met behulp van de puntentelmethode 22 waarbij het aantal kruisende punten wordt aangeraakt door de axonuiteinden en/of stekels werden geteld onder 1000 tot 15.000 punten (telaantal varieerde volgens de vergelijking van de relatieve fout voor verschillende volumetrische verhoudingen) van het kwadratische rooster in elke tijdsgroep. We maten de dikte van 194 ± 38 neurieten (neurieten: axonen en dendrieten die microtubuli, neurofilamenten en mitochondriën bevatten, differentiatie tussen hen in dwarsdoorsnede is vaak moeilijk, vooral in kleine) in elke tijdgroep, aangezien de maximale diameter loodrecht op hun neurofilamenten staat en/of microtubuli. We hebben ook het percentage MSB's gemeten door 327 ± 38 synapsen in elke tijdgroep te tellen, allemaal op dezelfde EM-foto's. De statistische verschillen tussen elk van de tijdgroepen werden geanalyseerd door ANOVA, gevolgd door de Bonferroni-Dunn-test. Alle gegevens in de tabel en figuur 6 werden gepresenteerd als gemiddelde ± SEM en een statistisch verschil werd geaccepteerd bij P<0,05 niveau.

Percentage MSB's onder synapsen

Resultaten

In de ischemische penumbra van de hersenschors in gezicht B verschenen eosinofiele ischemische neuronen (HE-kleuring) op verspreide wijze onder de normaal uitziende neuronen in de 2e tot 6e corticale laag door LMS, ongeveer 5 uur na de ischemische belediging. Sommige van deze eosinofiele cellichamen werden opmerkelijk gekrompen en stierven gedurende de periode van 12 tot 48 uur, wat wijst op DSNN (Figuur 1A). De eosinofiele ischemische neuronen bleken door EM verspreide elektronendichte donkere neuronen te zijn die in aantal toenamen gedurende de periode van 12 tot 48 uur na de ischemische aanval.

Figuur 1. Lichtmicroscopie van de 2e tot 4e corticale laag van de hersenschors in gezicht B. A. Vierentwintig uur na de ischemische beschadiging vertonen sommige van de eosinofiele ischemische neuronen een duidelijke krimp vergeleken met de meer normaal ogende neuronen, wat wijst op verspreide selectieve neuronale necrose. Deze abnormale neuronen namen in aantal toe tot dag 2 tot 3 postischemie (HE, Bar 31,3 m). B, Acht weken na de ischemische belediging. De eosinofiele spookcellen van zwak gevormde cellichamen zijn verkleind en worden gevonden in de 3e corticale laag (PAS, Bar 12,5 m).

Van 4 dagen tot 8 weken werden deze gecondenseerde elektronendichte donkere neuronen gefragmenteerd in een accumulatie van elektronendichte korrelige fragmenten, die door LMS werden waargenomen als eosinofiele spookcellen van zwak gevormde cellichamen door HE- en PAS-kleuring (Figuur 1B). Gedurende 2 tot 12 weken stapelden deze eosinofiele spookcellen zich op in de 3e en soms in de 5e corticale laag, die in omvang afnam vanwege het verlies van hun periferie (Figuur 1B). In gezicht A evolueerde en ontwikkelde het brandpuntsinfarct zich onder de DSNN van 12 uur tot 4 dagen.

Van 4 dagen tot 12 weken na de ischemische beschadiging bleken de axonuiteinden van de overlevende neuronen vast te zitten aan de perifeer gelegen elektronendichte granulaire fragmenten en dendritische delen van de gekrompen donkere neuronen. Sommige van deze terminals leken stukken van de dode neuronen te hebben afgeknepen en ze droegen een korst van de elektronendichte korrelige fragmenten van de dode neuronen (Figuur 2A). Andere axonterminals werden gevonden bevestigd aan de elektronendichte dikke neurieten van dode neuronen (Figuur 2B). Sommige van de met fragmenten ingelegde axonterminals werden af ​​en toe waargenomen als synapsen met de stekels en neurieten van de overlevende neuronen (Figuur 3A). Sommige axonen verbonden met de stervende neuronen vertoonden bolvormige en abnormale uitzettingen van hun terminals zoals gezien door zilverimpregnatie (Figuur 4A). Deze structuren verschenen als gedegenereerd axon door EM. Het geamplificeerde gedegenereerde axon bevatte gedegenereerde mitochondriën, gelamineerde dichte lichamen en onregelmatig gelegen neurofilamenten en microtubuli, het gedegenereerde axon maakte af en toe synapsen op aangrenzende structuren (inzet van figuur 4A).

Figuur 2. Elektronenmicroscopie van de 3e laag van de hersenschors in gezicht B, 1 week na de ischemische belediging. A, De axonuiteinden van de overlevende neuronen maken contact met de periferie van de geaccumuleerde fragmenten van elektronendichte korrels van dode neuronen (DN). Sommigen van hen leken stukjes van de dode neuronen te hebben afgeknepen en zijn bedekt met de elektronendichte korrelige fragmenten van de dode neuronen (pijlen). Bar 2,3 m. B, Sommige axonuiteinden zijn bevestigd aan de elektronendichte dikke neurieten van dode neuronen (pijlen). Bar 2.6 m.

Figuur 3. A, elektronenmicroscopie van de 3e corticale laag in gezicht B, 1 week na de ischemische belediging. Van sommige axonuiteinden die zijn ingelegd door de elektronendichte korrelige fragmenten van de dode neuronen, wordt af en toe waargenomen dat ze synapsen hebben gemaakt met de stekels en neurieten van de overlevende neuronen (pijl). Staaf 3,1 m. B, elektronenmicroscopie van de 3e corticale laag van de hersenschors in gezicht B, 12 weken na de ischemische belediging. MSB's met >2 stekels gesynapseerd (pijlen) naar 1 axonterminal (a). Er wordt een verbrede ruggengraat (en) met meerdere synapsen op axonterminal (a) gezien. Staaf 3,2 m.

Figuur 4. A, Lichtmicroscopie. Vier dagen na de ischemische belediging vertonen sommige axonen die aan stervende neuronen zijn gehecht, bolvormige en abnormale uitzetting van hun uiteinden (pijlpunten). Staaf 8,9 m. Bodian zilver impregnatie. Inzet: EM-waarneming van het opgezwollen gedegenereerde axon 3 weken na de ischemische insult. Het bevat gedegenereerde mitochondriën, gelamineerde dichte lichamen en onregelmatig geplaatste neurofilamenten en microtubuli en heeft synapsen langs de wand (pijlen). Staaf 1,3 m. B, elektronenmicroscopie van de 3e laag van de hersenschors in gezicht B, 2 weken na de ischemische belediging. Deze versterkte gedegenereerde axonen (pijlen) worden waargenomen rond ophopingen van de gefragmenteerde elektronendichte korrelige stukjes van de dode neuronen (DN). Bar 0,6 m.

Dergelijke axonen werden vaak waargenomen rond de ophopingen van de gefragmenteerde elektronendichte korrelige stukken van de dode neuronen (Figuur 4B).

Tegen 12 weken na de ischemische belediging waren neuritische schachten en hun takken opmerkelijk verdikt (Figuur 5B) vergeleken met die op dag 4 (Figuur 5A), en ze maakten synapsen met volumineus vergrote en soms ontspruitende veelhoekige axonenterminals gevuld met synaptische blaasjes (Figuur). 5B). MSB's 23 van de axonenterminals (Figuur 3B) namen toe in frequentie in vergelijking met die van de controledieren (tabel).

Figuur 5. Elektronenmicroscopie van de 3e laag van de hersenschors in Face B. A, vier dagen na de ischemische belediging. Het volume van axon-terminals en stekels is afgenomen met een afname van de frequentie van synaptische blaasjes, vooral die dicht bij de synaps (pijlen). De dikte van gedegenereerde neurieten is iets afgenomen in vergelijking met die van de controle (pijlpunten). Staaf 1,5 m. B, Twaalf weken na de ischemische belediging. De neuritische schachten en hun takken zijn opmerkelijk verdikt (pijlpunten) en maken synapsen met volumineus vergrote en soms ontspruitende veelhoekige axonuiteinden gevuld met synaptische blaasjes (pijlen). Staaf 1,5 m.

Het volumepercentage van de totale axonuiteinden (Figuur 6A) en stekels (Figuur 6B) in de neuropil nam drastisch af tot respectievelijk 30,9% en 24,8% van de controlewaarde op dat moment na de ischemische belediging, met een afname van de frequentie van synaptische blaasjes, vooral die dicht bij de synapsen (Figuur 5A). Het aantal synapsen nam ook af tot 73,5% van de controlewaarde op 4 dagen, na een tijdelijke toename tot 135% op 5 uur na de ischemische insult (Figuur 6A). Het aantal stekels nam ook af tot 35,8% van de controlewaarde (Figuur 6B), met 4 dagen. Van 1 tot 12 weken na de ischemische belediging nam het volumepercentage van de totale axonterminals (Figuur 6A) en het volumepercentage van de totale stekels (Figuur 6B) toe, respectievelijk 162,8% en 86,7% van de controlewaarde bij 12 weken. Het aantal synapsen (Figuur 6A) en stekels (Figuur 6B) steeg ook en werd op dat moment respectievelijk 113,2% en 91,9%.

Figuur 6. A, Tijdsverloop van het volumepercentage van de axonuiteinden en het aantal synapsen in de neuropil op verschillende tijdstippen na ischemische belediging. B, Tijdsverloop van procent volume en aantal stekels in de neuropil op verschillende tijdstippen na ischemie. C, Tijdsverloop door spreidingsgrafiek (bovenste) en gemiddelde dikte (onderste) van neurieten in de neuropil na de ischemische belediging. a Vergeleken met controle b vergeleken met 4 dagen *P<0.001, †P<0,05.

De gemiddelde dikte van neurieten in de neuropil van de controledieren was 0,607 m. Deze waarde was onveranderd op 0,587 m op dag 4, 0,604 m op 1 week en 0,665 m op 8 weken, en nam toe tot 0,934 m op 12 weken na de ischemische belediging (Figuur 6C).

Discussie

In de neuropils van de ischemische penumbra in de hersenschors vonden we een duidelijke afname van het aantal synapsen en het volume van de axonuiteinden van 5 uur tot 4 dagen na de ischemische insult, samen met een afname van het aantal synaptische blaasjes. . Deze veranderingen kunnen worden toegeschreven aan een afgebroken synaptische neurotransmissie die toe te schrijven is aan calciumafhankelijke neuronale hyperexcitatie 4-6 en zou kunnen worden verminderd door NMDA (N-methyl-d-asparaat) receptorantagonisten zoals werd gerapporteerd in een morfologisch onderzoek dat het prikkelende postsynaptische potentieel vastlegde van hippocampale plakculturen die werden onderworpen aan korte anoxie-hypoglykemie. 10

Bijna in overeenstemming met onze huidige studie, toonde de LMS-studie van met Golgi-zilver geïmpregneerde wervelkolom en dendrieten aan dat het aantal stekels en de dikte van de dendrieten maximaal afnam in 4 tot 7 dagen na de tijdelijke ischemie en ongeveer 5 weken herstelde in de 2e tot 3e corticale lagen van de hersenschors van de rat. 13 Eerdere studies op gekweekte neuronen toonden een verminderd aantal ruggengraat en segmentale dendritische kralen na tijdelijke hypoxie/hypoglykemie gevolgd door herstel, 11,12 en een LMS-studie met mierikswortel-eiwitinjectie toonden kralen van dendrieten in de CA-1 van de hippocampus na tijdelijke ischemie . 14 Ook een EM-onderzoek op de CA-1 toonde degeneratie en krimp van dendriet rond 3 tot 4 dagen na tijdelijke ischemie. In de huidige studie ontdekten we dat de neurieten rond 4 dagen degenereerden en dat hun dikte toenam, in samenhang met het herstel tot normaal van het aantal en het percentage van het volume van de stekels, 12 weken na de belediging.

Van 1 tot 12 weken na de ischemische belediging, vonden we dat het synaptische aantal geleidelijk toenam in samenhang met een toename van het volume van axonuiteinden die ontkieming vertoonden. De huidige studie toonde ook een toename van het aantal MSB's van 8 tot 12 weken na de ischemische belediging, welke toename geassocieerd was met één in het aantal en het volume van axonuiteinden en stekels. De MSB's vertegenwoordigen 2 onafhankelijke dendritische stekels die contact maken met hetzelfde axonuiteinde. 23 Eén ruggengraat vertakt om synapsen te maken op >2-gedeelten van 1 axonuiteinde wordt beschouwd als de neurotransmissie te vergemakkelijken. 10 In een andere studie was er een toename van het aantal MSB's in CA-1, parallel aan de duidelijke toename van het aantal synaptische blaasjes na tijdelijke ischemie 7 en na tijdelijke hypoxie/hypoglykemie in hippocampus-plakjes. 10

Van 4 dagen tot 12 weken na de ischemische beschadiging vertoonden sommige axonen die aan de stervende neuronen waren gehecht een abnormale uitzetting van hun uiteinden, die gedegenereerde mitochondriën, gelamineerde dichte lichamen en onregelmatig geplaatste neurofilamenten en microtubuli (gedegenereerde axonen) bevatten. 8,9 Ze werden vaak waargenomen rond ophopingen van de elektronendichte granulaire fragmenten van de dode neuronen.

Sommige axonuiteinden bedekt met de elektronendichte korrelige fragmenten van de dode neuronen werden verbonden met de stekels en neurieten van de overlevende neuronen. Deze axonuiteinden, die eerder waren vastgemaakt aan de stervende en/of dode neuronen, leken opnieuw verbonden te worden met de stekels en met de verdikte dendrieten van de overlevende neuronen die geassocieerd zijn met synaptogenese in de neuropil. 24 Het kan echter ook zijn dat sommige van deze axonuiteinden oorspronkelijk contact maakten met meer dan één dendrieten of stekels.

Klinisch vertonen de meeste overlevenden van een beroerte herstel van gedragsstoornissen. Het herstel op korte termijn kan worden toegeschreven aan het verdwijnen van hersenoedeem. Een meer geleidelijk herstel, bevorderd door oefening voor revalidatie, kan worden toegeschreven aan het anatomische en functionele herstel van de halfschaduw. Stroemer 24 rapporteerde gedragsherstel na neocorticaal infarct bij ratten, welk herstel geassocieerd was met neuronale kieming gevolgd door synapto-genese, zoals aangetoond door immunohistochemische kleuring voor GAP-43, een groei-geassocieerd eiwit dat tot expressie wordt gebracht op axonale groeikegels, en voor synaptophysine. Functionele hermodellering van de hersenschors op afstand van het infarct werd gedetecteerd door intracorticale microstimulatie-kartering van de hand van de doodshoofdaap. 25,26

Activering van het complementsysteem bleek neuronale overleving en weefselremodellering te bevorderen. 27 Postischemische behandeling met van de hersenen afgeleide neurotrofe factor en fysiek getrainde dieren had een beter functioneel motorisch herstel, toe te schrijven aan de inductie van wijdverbreide neuronale hermodellering, zoals aangetoond door MAP1B en synaptophysine-expressie. 19 Klinische introductie van nieuwe middelen en functionele methoden om synaptogenese en neuronale netwerken in de ischehmische halfschaduw te bevorderen, wordt lang verwacht.

Samenvatting

In de penumbra rond een focaal infarct van de hersenschors degenereerden synapsen, synaptische blaasjes, axonuiteinden, stekels, met een vermindering van hun aantal en grootte, tot 4 dagen en herstelden daarna van 1 tot 12 weken na de ischemische belediging.


Neurowetenschap voor kinderen

Neuronen hebben gespecialiseerde projecties genaamd dendrieten en axonen. Dendrieten brengen informatie naar het cellichaam en axonen nemen informatie weg van het cellichaam.

Informatie van het ene neuron stroomt naar een ander neuron over een synaps. De synaps bevat een kleine spleet die de neuronen scheidt. De synaps bestaat uit:

  1. een presynaptisch einde dat neurotransmitters, mitochondriën en andere celorganellen bevat
  2. een postsynaptisch einde dat receptoren voor neurotransmitters bevat
  3. een synaptische spleet of ruimte tussen de presynaptische en postsynaptische uiteinden.

Elektrische trigger voor neurotransmissie

Om communicatie tussen neuronen te laten plaatsvinden, moet een elektrische impuls door een axon naar het synaptische uiteinde reizen.

Mobilisatie en afgifte van neurotransmitters

Aan de synaptische terminal (het presynaptische einde), zal een elektrische impuls de migratie van blaasjes (de rode stippen in de figuur links) met neurotransmitters naar het presynaptische membraan. Het blaasje membraan zal fuseren met het presynaptische membraan waardoor de neurotransmitters vrijkomen in de synaptische spleet. Tot voor kort werd gedacht dat een neuron slechts één type neurotransmitter produceerde en afgaf. Dit werd de "wet van Dale" genoemd. Er is nu echter bewijs dat neuronen meer dan één soort neurotransmitter kunnen bevatten en afgeven.

Diffusie van neurotransmitters over de synapsspleet

De neurotransmittermoleculen diffunderen dan door de synaptische spleet waar ze kunnen binden met receptorplaatsen op het postsynaptische uiteinde om de elektrische respons in het postsynaptische neuron te beïnvloeden. In de figuur rechts is het postsynaptische einde een dendriet (axodendritische synaps), maar synapsen kunnen voorkomen op axonen (axoaxonische synaps) en cellichamen (axosomatische synaps).

Wanneer een neurotransmitter zich bindt aan een receptor aan de postsynaptische kant van de synaps, verandert dit de prikkelbaarheid van de postsynaptische cel: het maakt dat de postsynaptische cel meer of minder kans heeft om een ​​actiepotentiaal af te vuren. Als het aantal prikkelende postsynaptische gebeurtenissen groot genoeg is, zullen ze een actiepotentiaal veroorzaken in de postsynaptische cel en een voortzetting van de 'boodschap'.

Veel psychoactieve drugs en neurotoxinen kunnen de eigenschappen van de afgifte van neurotransmitters, de heropname van neurotransmitters en de beschikbaarheid van receptorbindingsplaatsen veranderen.

Soorten synapsen

Gelukkige 123e verjaardag voor het woord "SYNAPSE." In 2020 werd het woord "synaps" 123 jaar oud. Het woord synaps werd voor het eerst gebruikt in een boek genaamd A Textbook of Physiology, deel drie: het centrale zenuwstelsel, door Michael Foster en bijgestaan ​​door Charles S. Sherrington, in 1897. Het was waarschijnlijk Charles S. Sherrington die de term synaps bedacht. Het woord "synaps" is afgeleid van de Griekse woorden "syn" en "haptein" die respectievelijk "samen" en "sluiten" betekenen.

'Jij bent je synapsen. Ze zijn wie je bent.'
--- Joseph LeDoux, 2002 (in Synaptische zelf)

Speel het interactieve woordzoekspel op het neuron en de neurotransmitters. Speel een buitenspel om te versterken wat je hebt geleerd over de synaps. Kleur de synaps online: Afbeelding 1| Afbeelding 2


Bekijk de video: zenuwstelsel - neuronen (December 2021).