Les 17 Zenuwstelsel PDF

Het zenuwstelsel Hoofdstuk 42 in handboek  Overzicht 1. Organisatie van het zenuwstelsel 2. Zenuwcellen 3. Membraanpotentiaal 4. Mechanisme van de zenuwimpuls 5. Synapsen 6. Centraal zenuwstelsel 7. Perifeer zenuwstelsel 2 1. Orga...

Het zenuwstelsel Hoofdstuk 42 in handboek  Overzicht 1. Organisatie van het zenuwstelsel 2. Zenuwcellen 3. Membraanpotentiaal 4. Mechanisme van de zenuwimpuls 5. Synapsen 6. Centraal zenuwstelsel 7. Perifeer zenuwstelsel 2 1. Organisatie van het zenuwstelsel Alle dieren moeten kunnen reageren op omgevingsfactoren en veranderingen in hun omgeving. Alle dieren (behalve sponzen) hebben een netwerk van zenuwen. Het zenuwstelsel is uitgerust om informatie van het externe of interne milieu te verzamelen, deze gegevens te verwerken, en er een gepaste reactie aan te koppelen.  Hersenen Cerebrum Centraal zenuwstelsel Cerebellum Perifere zenuwen Ruggen- merg Cervicale zenuwen Ventrale zenuw- Zenuwnetwerk strengen Thoracale Annelida zenuwen Cnidaria Arthropoda Lumbale + sacrale Associatie zenuwen neuronen Femorale Reuzenaxon zenuw Zenuwstrengen Hersenen Heup- Zenuwring zenuw Radiale Tibiale zenuwen zenuw Mollusca Platyhelminthes Echinodermata Mens  Organisatie van het zenuwstelsel Het zenuwstelsel bestaat uit: – Sensorische neuronen die stimuli detecteren. – Motorneuronen die effectors (bv. spieren) aansturen om een respons of reactie uit te voeren. – Interneuronen die de sensorische receptoren en motor- neuronen met elkaar verbinden. – Ondersteunende cellen die neuronen voeden, beschermen, isoleren,...  Organisatie van het zenuwstelsel Centraal zenuwstelsel (CZS): – Hersenen en ruggenmerg Perifeer zenuwstelsel – Netwerk van neuronen van (motorisch systeem) en naar (sensorisch systeem) het CZS. 6  Organisatie van het zenuwstelsel Bij vertebraten komen drie types neuronen voor: 1. Sensorische neuronen: detecteren stimuli en voeren zenuwimpulsen (actiepotentialen) naar het CZS. 2. Motorneuronen: voeren zenuwimpulsen van het CZS naar effectors (spieren of klieren). 3. Interneuronen (associatieneuronen) Verbinden andere neuronen Enkel in het CZS 7  Sensorische neuronen Cellichaam Richting Sensorische van geleiding Cellichaam Tast neuronen Dendrieten Dendrieten Smaak Richting van geleiding Motorische neuronen Gladde Effectors Axon uiteinden Cellichamen spieren Skelet spieren Richting van geleiding 8  Zenuwstelsel Centraal Perifeer zenuwstelsel zenuwstelsel Ruggen- Sensorisch Motorisch Hersenen merg systeem systeem Somatisch Autonoom of vegetatief (willekeurig) (onwillekeurig) zenuwstelsel zenuwstelsel Sympatisch Parasympatisch zenuwstelsel zenuwstelsel 10  Organisatie van het zenuwstelsel Perifeer zenuwstelsel: – Somatisch zenuwstelsel: Innerveert de skeletspieren Staat onder invloed van de wil – Autonoom zenuwstelsel Innerveert hartspier en gladde spieren (en klieren) Sympatisch (vecht of vlucht) en parasympatisch (rust) ZS 11  2. Zenuwcellen Twee types van zenuwcellen: neuronen en neurogliacellen. Neuronen geven elektrische impulsen door. Neuronen bestaan uit drie delen: – Dendrieten = cytoplasmatische uitlopers die stimuli detecteren of ontvangen – Cellichaam (soma) = vergroot centraal deel dat de kern bevat – Axon = lange uitloper die elektrische impulsen weg van het cellichaam leidt 12  Soma Dendrieten Nucleus Axon Schwann cel Axon Knoop van Ranvier Myeline schede Myeline schede 13  Zenuwcellen Neurogliacellen – Ondersteunen de neuronen structureel en functioneel. – Schwanncellen (PZS) en oligodendrocyten (CZS) vormen een isolerende myelineschede rond axonen. Axon Schwann cel Nucleus Myelineschede 14 15  Zenuwcellen In het CZS vormen de gemyeliniseerde axonen de witte stof. Dendrieten en cellichamen vormen de grijze stof. In het PZS worden (gemyeliniseerde) axonen gebundeld tot zenuwen. 16  3. Membraanpotentiaal Cellen hebben een elektrisch potentiaalverschil over de celmembraan (membraanpotentiaal). 17  Membraanpotentiaal Membraanpotentiaal bij een cel in rust: – Cytoplasma = negatief geladen – Extracellulair gebied = positief geladen Wanneer een neuron niet wordt gestimuleerd, onderhoudt het een rustpotentiaal: – tussen –40 en –90 millivolt (mV) – gemiddeld –70 mV 18  Membraanpotentiaal Potentiaalverschil over de celmembraan ontstaat door 1. Na+/K+ pomp: pompt 2 K+ naar binnen, 3 Na+ naar buiten. 2. Ionenkanalen: K+ ionen lekken makkelijker door de celmembraan naar buiten dan Na+ ionen naar binnen. 3. Grote moleculen zoals eiwitten, suikers en DNA zijn negatief geladen bij fysiologische pH en zijn in hogere concentratie aanwezig in de cel dan er buiten. 19  Extracellular P Intracellular + ADP 1. Carrier in membrane binds ATP intracellular sodium. 6. Dephosphorylation of protein triggers change back to original 2. ATP phosphorylates protein with conformation, with low affinity for K+. bound sodium. K+ diffuses into the cell, and the cycle repeats. K+ Na+ Pi 3. Phosphorylation causes Pi conformational change in protein, 5. Binding of potassium causes reducing its affinity for Na+. The Na+ dephosphorylation of protein. 4. This conformation has higher then diffuses out. affinity for K+. Extracellular potassium binds to exposed sites. 20  Membraanpotentiaal Er is een opbouw van positieve lading aan de buitenzijde en van negatieve lading aan de binnenzijde van de cel. Deze elektrische potentiaal trekt K+ ionen terug in de cel. Balans tussen diffusie/transport en elektrische krachten leidt tot de rustpotentiaal (op te meten met een voltmeter en twee elektroden). 21  Membraanpotentiaal Extracellular + + + + + + + + + + – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – + + + + + + + + + + – – -- – – Electrode -- +40 mV Electrode – outside axon -- inside axon Intracellular – -- –0 mV – -- Oscilloscope -- screen proteins and nucleic acids –70 mV K+ Na+ 22 4. Mechanisme van de zenuwimpuls De membraanpotentiaal kan afwijken van de rustpotentiaal wanneer ionenkanalen in de celmembraan openen of sluiten. Depolarizatie: potentiaal is meer positief (bv. instroom Na+ of Ca2+) Hyperpolarizatie: potentiaal is meer negatief (bv. uitstroom K+)  Mechanisme van de zenuwimpuls Ionenkanalen in de celmembraan kunnen openen of sluiten door binding van neurotransmitters of door veranderingen in de membraanpotentiaal. Ligandafhankelijke ionenkanalen − Openen of sluiten na binding van neurotransmitters Spanningsafhankelijke kanalen − Openen of sluiten door verandering in membraanpotentiaal 24 Mechanisme van de zenuwimpuls Synaptic cleft Na+ Na+ Na+ Acetylcholine Cell membrane Receptor Na+ protein Ion Na+ channel Cytoplasm in postsynaptic cell Ligandafhankelijk ionenkanaal 25 Mechanisme van de zenuwimpuls 26  Mechanisme van de zenuwimpuls Kleine veranderingen in de membraanpotentiaal door het openen of sluiten van verschillende ligandafhankelijke ionenkanalen leiden tot graduele potentialen die elkaar kunnen tegenwerken of versterken (sommatie).  Mechanisme van de zenuwimpuls Wanneer de depolarisatie van het neuron een drempelpotentiaal bereikt van -55 mV ontstaat een actiepotentiaal (zenuwimpuls). Wanneer de drempel bereikt wordt, gaan spanningsafhankelijke Na+ en K+ kanalen open: – Na+ kanalen openen snel. – Tijdelijke influx van Na+ leidt tot een verdere depolarisatie. – Daarentegen openen K+ kanalen traag. – Efflux van K+ repolariseert de membraan.  Mechanisme van de zenuwimpuls Spanningsafhankelijke Na+ kanalen openen eerst: – Activatiepoort opent het kanaal bij overschrijden van de drempelwaarde. – Inactivatiepoort sluit het kanaal bij maximale depolarisatie. Spanningsafhankelijke K+ kanalen openen trager: – Hebben maar één poort. – K+ stroomt uit de cel en membraanpotentiaal daalt weer. 30 Mechanisme van de zenuwimpuls Actiepotentialen bestaan uit drie fasen: – Depolarisatie, repolarisatie en hyperpolarisatie (of undershoot) Actiepotentialen zijn alles-of-niets gebeurtenissen – Altijd zelfde amplitude +50 Membrane potential (mV) – Beïnvloeden elkaar niet 0 –70 1 2 3 Time (ms) 31  Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. 2. Rising Phase 3. Top of Curve Stimulus causes above threshold voltage Maximum voltage reached Potassium gate opens K++ K Na+ Na Na+ channel Sodium channel inactivation gate activation gate opens closes Membrane potential (mV) +50 0 –70 1. Resting Phase 1 2 3 4. Falling Phase Time (ms) Equilibrium between diffusion of K+ out Undershoot occurs as excess potassium of cell and voltage pulling K+ into cell diffuses out before potassium channel closes Potassium Voltage-gated Potassium channel gate open potassium channel gate closes Equilibrium restored Potassium Na+ channel Voltage-gated Sodium channel channel inactivation gate sodium channel activation gate closes. closed Inactivation gate opens. 32  Impulsgeleiding Actiepotentialen worden doorgegeven over en tussen neuronen. – Influx van Na+ bij een actiepotentiaal kan ook aangrenzende gebieden depolarizeren. – Aangrenzende gebieden produceren hun eigen actiepotentiaal. – De vorige regio repolarizeert tot de rustpotentiaal: Na+ kanalen zijn hier tijdelijk ongevoelig tot de inactivatiepoort is hergeopend. Signaal kan maar in 1 richting over het axon bewegen. 33  resting repolarized depolarized + + + + + + + + + + – – – – – – – – – – Cytoplasm Cell – – – – – – – – – – membrane + + + + + + + + + + – – + + + + + + + + + + – – – – – – – – Na+ + + – – – – – – – – – – + + + + + + + + K+ + + – – + + + + + + – – + + – – – – – – Na+ – – + + – – – – – – + + – – + + + + + + K+ K+ + + + + – – – + + + – – – – + + + – – – Na+ – – – – + + + – – – + + + + – – – + + + K+ K+ + + + + + + + + – – – – – – – – – – + + Na+ – – – – – – – – + + + + + + + + + + – – 34 K+  Impulsgeleiding Twee manieren om de geleidingssnelheid te verhogen: – Vergroten van de diameter (minder weerstand) van axonen. Voornamelijk bij invertebraten – Myeliniseren van axonen. Actiepotentialen worden enkel gegenereerd aan de knopen van Ranvier. Impuls springt van knoop tot knoop (saltatorische conductie). 35  Impulsgeleiding Saltatory conduction Action Action potential potential Na+ Na+ Myelin Axon + + + + + + – Na+ 36  5. Synapsen Intercellulaire juncties tussen de axonterminus van één neuron met een spiercel, kliercel of een ander neuron. Presynaptische cel: steeds een neuron; verzendt zenuwimpuls Postsynaptische cel: neuron, spier- of kliercel; ontvangt de impuls Twee basistypes: – Elektrische synaps – Chemische synaps  Synapsen Elektrische synaps – Direct cytoplasmatisch contact tussen twee cellen – Gevormd door gap junctions Chemische synaps – Synaptische spleet tussen twee cellen – Uiteinde van het axon van de presynaptische cel bevat vesikels met neurotransmitters 39  Synapsen Mitochondria Axon terminal Synaptisch vesikel Synaptische spleet Postsynaptische cel (skeletspier) 0.2 µm 40  Synapsen Overdracht zenuwimpuls t.h.v. een chemische synaps: 1. Actiepotentiaal veroorzaakt een influx van Ca2+. 2. Vesikels fuseren met de celmembraan en neurotransmitters worden vrijgezet via exocytose. 3. Neurotransmitters binden receptoren op postsynaptische cel. 4. Opening ligandafhankelijke ionenkanalen veroorzaakt een depolarisatie van de postsynaptische cel. 5. Neurotransmitters worden afgebroken of opgenomen. 41  Synapsen Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. (ACh) Neurotransmitter Action potential Inward diffusion of Ca2+ Terminal branch of axon Synaptic Ca2+ cleft Synaptic vesicle Receptor protein Na+ 42  Neurotransmitters Acetylcholine (ACh) – Excitatorische neurotransmitter bij synapsen tussen een motorneuron en spiervezel (neuromusculaire junctie of motorische eindplaat). 15 µm © Ed Reschke 43  Neurotransmitters Cholinerge impulsoverdracht t.h.v. neuromusculaire junctie 1. ACh bindt een receptor op postsynaptische membraan. 2. Ligandafhankelijke Na+ kanalen openen. 3. Depolarisatie (excitatorische postsynaptische potentiaal of EPSP) van de spiervezel. 4. Stimuleert spiercontractie. 5. Acetylcholinesterase (AChE) breekt ACh af wat leidt tot spierrelaxatie. 44  Neurotransmitters Aminozuren – Glutamaat Belangrijkste excitatorische neurotransmitter in het CZS. – Glycine en GABA (g-aminoboterzuur): Inhibitorische neurotransmitters Openen ligandafhankelijke kanalen voor Cl– Veroorzaakt hyperpolarisatie (IPSP of inhibitorische postsynaptische potentiaal) 46  Gate Closed Gate Open EPSP Na+ Membrane potential (mV) Na+ 0 –70 0 1 Time (ms) Na+ Neurotransmitters Gate Closed Gate Open IPSP Cl– Cl– Membrane potential (mV) 0 –70 0 1 Cl– Time (ms) Neurotransmitters 47  Neurotransmitters Biogene amines – Adrenaline en noradrenaline: “fight or flight” respons – Dopamine: beloningscentrum, motorcontrole (Parkinson) – Serotonine: regulatie van slaap, emoties, stemming, eetlust,... tekort leidt tot depressie – Histamine bevordert waakzaamheid, voorkomt slaap. – Hebben allen ook functies als hormoon. 48  Neurotransmitters Heel wat drugs werken in op neurotransmittersystemen. Bv. Cocaïne beïnvloedt neuronen in het beloningscentrum van de hersenen (limbisch systeem) Bindt aan dopamine transporters en verhindert de heropname van dopamine. Dopamine komt langer voor in de synaps en de‘pleasure pathways’ vuren meer en meer. 49  Neurotransmitters Aangehouden blootstelling triggert neuronen in het limbisch systeem om het aantal dopaminereceptoren te verminderen. De cocaïne gebruiker is nu verslaafd: cocaïne is nodig om een normale activiteit te bekomen binnen het limbisch systeem. Bij stoppen van het gebruik: zware depressie, geen enkel positief gevoel mogelijk – volhouden is daardoor extreem moeilijk. 50  Transporter protein Dopamine Cocaine Receptor protein Neurotransmitter Synapse Transporter protein Drug Receptor protein molecule 2. Drug molecules block 3. Neuron adjusts to 4. Decreased number of 1. Reuptake of neuro- transporter and cause overstimulation by receptors make the transmitter by transporter overstimulation of the decreasing the number synapse less sensitive51 at a normal synapse. postsynaptic membrane. of receptors. 51 when the drug is removed.  Neurotransmitters Neuropeptiden – Substance P is belangrijk bij het doorgeven van pijnprikkels. – Intensiteit van pijnperceptie hangt ook af van endorfines,... Stikstofmonoxide (NO) – Gas gesynthetiseerd vanuit arginine wanneer nodig. – Diffundeert door membranen, niet opgeslagen in vesikels. – Veroorzaakt relaxatie van gladde spieren (erectie – Viagra verhoogt vrijstelling van NO). 52  Synaptische integratie Een postsynaptisch neuron moet vaak zenuwimpulsen van verschillende presynaptische neuronen integreren. Som van alle EPSP en IPSP bepaalt of er een actiepotentiaal in het postsynaptisch neuron wordt gegenereerd (sommatie). – Spatiaal – Temporeel 53  Synaptische plasticiteit De sterkte van de impulsoverdracht t.h.v. synapsen kan veranderen door ervaring (synaptische plasticiteit). Cellulaire basis van leren en geheugen – Versterken of verzwakken van synaptische connecties Twee voorbeelden van synaptische plasticiteit – Long-term potentiation (LTP) – Long-term depression (LTD) 54  LTP LTD Presynaptic terminal Glu Glu Dendritic Mg2+ Mg2+ spine NMDAR NMDAR AMPAR AMPAR Ca2+ Ca2+ CaMKII Calcineurin PPI Postsynaptic dendrite LTP and LTD modulate synaptic function. Expression: postsynaptic insertion of AMPARs Expression: internalization of postsynaptic AMPARs a. b. 55  6. Centraal zenuwstelsel Hersenen en ruggenmerg Alle vertebrate hersenen zijn opgebouwd uit 3 basiszones: – Voorhersenen (prosencephalon) – Middenhersenen (mesencephalon) – Achterhersenen (rhombencephalon)  Centraal zenuwstelsel - Hersenen Voorhersenen − Cerebrum (telencephalon): enorm vergroot bij mensen, toegewijd aan associatieve activiteit − Thalamus (diencephalon): integratie- en schakelcentrum, regulatie van lichaamsfuncties door hypothalamus Middenhersenen Achterhersenen Cerebellum (metencephalon) Myelencephalon  Centraal zenuwstelsel - Hersenen Olfactorische Ruggenmerg Optisch lob Cerebellum tectum Thalamus Cerebrum Optisch chiasma Hypofyse Medulla Hypothalamus oblongata Achterhersenen Middenhersenen Voorhersenen (Rhombencephalon) (Mesencephalon) (Prosencephalon) 58  Haai Kikker Krokodil Ruggenmerg Kat Medulla oblongata Mens Cerebellum Tectum opticum Middenhersenen Cerebrum Tractus olfactorius Vogel De relatieve grootte van verschillende hersenregios veranderde tijdens de evolutie van vertebraten. 59  Centraal zenuwstelsel - Hersenen Bij vissen: – Achterhersenen = grootste deel, coördineert reflexen en beweging – Middenhersenen = verwerkt visuele informatie – Voorhersenen = staat in voor de reuk Voorhersenen worden later in de evolutie een meer dominant kenmerk. 60  Centraal zenuwstelsel - Hersenen Toename in de grootte van de hersenen bij zoogdieren reflecteert vooral een grote toename van het cerebrum. – Rechter en linker cerebrale hemisfeer, verbonden via het corpus callosum. – Twee hemisferen worden opgedeeld in lobben met elks zijn functie: frontale, pariëtale, temporale en occipitale lob. 61  Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. Epifyse Pariëtale lob van de cerebrale cortex Frontale lob van de cerebrale cortex Laterale ventrikel Occipitale lob van de cerebrale cortex Optisch chiasma Temporale lob van de cerebrale cortex Hypofyse 62  Centraal zenuwstelsel - Hersenen Het belangrijkste deel van het cerebrum wordt gevormd door de cerebrale cortex. – Buitenste laag van het cerebrum (grijze stof). – Bevat ongeveer 10% van alle neuronen in de hersenen. – Sterk geplooid bij zoogdieren, inclusief de mens. – Verdrievoudigt oppervlak bij mensen. 63  Centraal zenuwstelsel - Hersenen Cerebrale cortex wordt opgedeeld in drie regio’s met elks een specifieke functie: − Primaire motorcortex: controle van beweging − Primaire sensorische cortex: sensorische controle (horen, zien, voelen) − Associatieve cortex: hogere geestelijke functies (plannen, leren, taal) 64  Motor areas, controle gewilde spierbeweging Sensorische (gevoel) areas Broca’s Pariëtale lob taal area Frontale lob Centrale sulcus Occipitale lob Laterale sulcus Auditieve area Temporale lob Visuele area Wernicke’s taal area 65 66  Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. Max Hearing Words Seeing Words Min Speaking Words Generating Words © Dr. Marcus E. Raichle, Washington University, McDonnell Center for High Brain Function 67 Centraal zenuwstelsel - Ruggenmerg Informatiesnelweg tussen de hersenen en rest van het lichaam. Wordt beschermd door het ruggenmergvlies en de wervelkolom. Bestaat uit grijze stof (cellichamen) en witte stof (sensorische en motorische axonen). Belangrijk bij reflexen: – Soms monosynaptisch (bv. kniepeesreflex) – De meeste reflexen maken gebruik van 1 interneuron (bv. pijnreflex)  Strekreceptor Zenuw (spierspoel) Sensorisch neuron Stimulus Spinaal ganglion Monosynaptische Witte synaps stof Motorneuron Grijze stof Skeletspier Quadriceps Ruggenmerg (effector) Respons Geen interneuron kniepeesreflex 69  Cellichaam in dorsaal Stimulus Witte wortel ganglion stof Grijze Dorsaal stof Receptor in huid Interneuron Sensorisch neuron Motor Effector neuron (spier) Ventraal Ruggenmerg pijnreflex 70  7. Perifeer zenuwstelsel Bestaat uit zenuwen en ganglia – Zenuwen zijn bundels van axonen – Ganglia zijn groepjes van soma Functies zijn: – Ontvangen van informatie uit de omgeving en doorsturen naar CZS. 5 µm – Informatie van CZS doorgeven aan spieren en klieren. 71  Perifeer zenuwstelsel Sensorische neuronen – Axonen komen het ruggenmerg binnen langs de dorsale zijde. – Cellichamen zijn gegroepeerd in de spinale ganglia dicht bij het ruggenmerg. Motorneuronen – Axonen verlaten het ruggenmerg aan de ventrale zijde. – Cellichamen liggen in het ruggenmerg. 72 Perifeer zenuwstelsel 73  Zenuwstelsel Centraal Perifeer zenuwstelsel zenuwstelsel Ruggen- Sensorisch Motorisch Hersenen merg systeem systeem Somatisch Autonoom of vegetatief (willekeurig) (onwillekeurig) zenuwstelsel zenuwstelsel Sympatisch Parasympatisch zenuwstelsel zenuwstelsel  Perifeer zenuwstelsel Somatisch (willekeurig) zenuwstelsel: – Somatische motorneuronen stimuleren de skeletspieren tot spiercontractie. – Als respons op een bewust commando of als reflex (bv. pijnreflex). – Antagonist van de spier (bv. biceps/triceps) moet worden geïnhibeerd via hyperpolarisatie. 75  Perifeer zenuwstelsel Autonoom (onwillekeurig) zenuwstelsel – Sympatische of parasympatische motorneuronen reguleren werking van gladde spieren, hartspier of klieren. – Preganglionisch neuron verlaat het CZS en maakt synaps met een autonoom ganglion dicht bij de bestemming. – Postganglionisch neuron verlaat het ganglion en maakt contact met het orgaan (gladde spieren, hartspieren of klieren).  Interneuron Dorsaal wortel ganglion Preganglionisch neuron Autonoom Ruggenmerg ganglion Sensorisch neuron Postganglionisch neuron Viscera 77  Sympathetic Parasympathetic Dilate Constrict Stop secretion Secrete saliva Spinal cord Sympathetic ganglion chain Dilate bronchioles Constrict bronchioles Speed up heartbeat Slow down heartbeat Adrenal gland Stomach Secrete adrenaline Decrease secretion Increase secretion Large intestine Decrease motility Increase motility Small intestine Retain colon contents Empty colon Delay emptying Empty bladder Bladder 78  Hypothalamus activeert sympatisch zenuwstelsel Hartslag, bloeddruk en adem- haling nemen toe Bijnier secreteert epinephrine en norepinephrine Bloedtoevoer maag naar skeletspieren contracties stijgt geïnhibeerd 80