Neurobiologie
Samenvatting uit boek: Neuroscience (sixth edition), Dale Purves
Hoofdstuk 1: Studying the nervous system
Genetics and genomics
Gen=omvat zowel coderende stukken DNA (exons) die het templaat zijn van mRNA en regelgevende
DNA-sequenties (promotors, introns) die de expressie van een gen reguleren. Genetische analyse is
belangrijk om de structuur, functie en ontwikkeling van organen en orgaansystemen te begrijpen.
Ook is het onderzoek naar genen erg belangrijk om ziektes te begrijpen, zodat therapie kan worden
ontwikkeld. Genomics=de studie naar de analyse van complete DNA-sequenties, geeft inzicht hoe
nucleair DNA ons helpt de montage en werking van de hersenen en de rest van het zenuwstelsel te
bepalen. Naast genetische analyses, ook kennis nodig van het fenotype van de zenuwcellen en
hersenen.
Splice variants= variabele eiwitten getranscribeerd uit hetzelfde gen, dragen bij aan de diversiteit
genen.
Cellular Components of the Nervous System
Camillo Golgi (1843-1926): Reticulaire theorie. Voorheen werd geconcludeerd dat elke zenuwcel is
verbonden met zijn buurtcellen door protoplasmic links, een continu onderling verbonden
zenuwcelnetwerk (reticulum). Deze theorie kwam te vervallen door de neuron doctrine theorie.
Santiago R.Y. Cajal (1852-1934): Neuron Doctrine theorie. Neuronen zijn discrete cellen en niet één
continuüm, ze communiceren met elkaar via gespecialiseerde contacten (synapsen, zie pijltjes in
figuur 1).
Elektronenmicroscoopstudies lieten ook gap junctions
(delen continuüm van neuronen) zien tussen enkele
neuronen.
Cellen van het zenuwstelsel kunnen worden ingedeeld in
twee groepen:
• Zenuwcellen/neuronen
• Gliacellen/neuroglia/glia
Zenuwcellen zijn gespecialiseerd in elektrische signalering
Figuur 1 over lange afstanden d.m.v. elektrische actiepotentialen.
Gliacellen bieden structurele steun aan zenuwcellen,
vormen de myelineschede om axonen, spelen een rol bij de immuunrespons en kunnen als
stamcellen fungeren.
Mitochondriën bevinden zich meer in de synapsen en het RER (Ruw Endoplasmatisch Reticulum) in
cellichaam (niet in de axonen).
Neurons
Wat opvalt bij neuronen zijn de axonen en de dendrieten voor neuronale communicatie. Dendrieten
ontvangen signalen van axonterminals van andere zenuwcellen en zijn te herkennen aan hun
vertakking, grote hoeveelheid ribosomen en specifieke cytoskelet eiwitten. De vorm kan erg
verschillen (zie figuur 2). Neuronen met veel vertakkingen en dus meer inputs van andere neuronen
kunnen veel meer informatie uit verschillende bronnen integreren en verwerken. Dit laatste heet ook
wel een hoge maat van convergentie. Een hoge divergentie betekent dat een één neuron veel
outputs heeft (zie figuur 3).
1
, Figuur 3
Pre- en postsynaptische
receptoren communiceren met
elkaar via neurotransmitters, deze
moleculen overbruggen de
synaptische spleet (dit zijn
chemische synapsen, andere type
Figuur 2
is elektrical synapsen die
communiceren via gap junctions). Deze synaptische spleet bevat ook nog extracellulaire eiwitten die
betrokken zijn bij bijvoorbeeld de opruiming van neurotransmitters. De neurotransmitters bevinden
zich in synaptic vesicles in de presynaptische terminal van chemical synapsen. Als de
neurotransmitters worden vrijgelaten in de synaptische spleet, binden ze aan de receptoren van de
postsynapsen van andere neuronen waardoor het signaal verder wordt geleidt.
Lokale circuit neuronen/interneuronen= neuronen met relatief korte axonen.
Projection neuronen= neuronen met axonen die zelfs wel een meter lang kunnen zijn (van
ruggenmerg tot voet).
Actiepotentiaal= zelf generende golf van elektrische activiteit die wordt overgebracht door axonen.
Actiepotentialen zijn ook wel alles-of-niets veranderingen in elektronenpotentiaal langs het
celmembraan van zenuwcellen die informatie overbrengen van een plek naar een andere plek in het
zenuwstelsel. De informatie via actiepotentialen wordt overgedragen via synaptische transmissie
naar andere doelcellen.
Glial Cells (Grieks voor lijmcellen)
Gliacellen zijn niet direct het onderdeel van signaaloverdracht, echter dragen ze wel bij aan de
support van het contact tussen synapsen en het behoud van de signaleringseigenschappen van
neuronen. Andere gliacellen zijn stamcellen (in de hersenen) en zijn in staat om nieuwe gliacellen of
neuronen te vormen.
Dus nog een keer de functie van gliacellen:
- Behoud van ionisch milieu van zenuwcellen
- Het moduleren van de snelheid van voortplanting van zenuwcellen
- Betrokken bij heropname en recyclen van neurotransmitters in de synaptische spleet
- Ondersteuning bieden bij neuronale ontwikkeling
- Helpen/belemmeren van herstel bij letsel
- Betrokken bij de interactie tussen immuunsysteem en de hersenen
- Metabolisch afval opruimen (interstitiële vloeistof door de hersenen tijdens slaap)
- Structurele steun
- Vormen van myelineschede om axonen (niet allemaal)
Er zijn drie typen gliacellen in het zenuwstelsel:
• Astrocyten
2
, - Beperkt tot centraal zenuwstelsel (hersenen en ruggenmerg)
- Functie: behoud van optimale chemische omgeving voor neuronale signalering, bloed-hersen
barrière. Recente observaties suggereren dat astrocyten stoffen uitscheiden die de
constructie van nieuwe synaptische verbindingen beïnvloedt. Deel behoudt stamcelfunctie.
• Oligodendrocyten
- Beperkt tot centraal zenuwstelsel
- Is verantwoordelijk voor myelineschede om sommige axonen. In perifeer zenuwstelsel zijn de
Schwanncellen verantwoordelijk voor de myelineschede om axonen.
• Microglial cellen
- Afgeleid van hematopoietic voorlopercellen
- Delen eigenschappen met macrofagen (immuunsysteem): ruimen cellulair afval op bij letsel
en scheiden signaleringsstoffen uit (cytokines) die betrokken zijn bij lokale ontstekingen de
overleving of sterfte van zenuwcellen.
Glia stamcellen kunnen voorlopers van nieuwe gliacellen vormen of al gedifferentieerde gliacellen en
zelfs neuronen.
Twee categorieën:
- Subgroep van astrocyten (zie kopje astrocyten): kunnen alle cellen binnen het zenuwstelsel
worden.
- Oligodendrocyten voorlopers/polydendrocytes: aanleiding tot volwassen oligodendrocyten
als enkele astrocyten.
Cellular Diversity in the Nervous System
Visualisatie neuronen werd al voorheen gedaan met de Golgi-kleuringmethode. De functie van
zenuwcellen werd onderzocht m.b.v. fluorescentie en het injecteren van oplosbare moleculen.
Tegenwoordig worden er steeds meer genetische en moleculaire studies gedaan, zoals situ
hybridization. De Nissl methode laat de kern en andere celstructuren zien binnen neuronen.
Neural Circuits
Neuropil= regio’s tussen zenuwcellichamen waar de meeste synaptische connectiviteit plaatsvindt.
Afferente neuronen= sturen informatie door van periferie naar het centraal zenuwstelsel (CNS).
Efferente neuronen= sturen informatie door van CNS naar het perifeer zenuwstelsel.
Een voorbeeld van een neuronaal circuit: myotatic reflex (kniepeesreflex) (zie figuur 4). De
sensorische neuronen zijn de
afferente neuronen (cellichamen in
dorsal root ganglia). De axonen van
deze neuronen activeren
interneuronen in ruggenmerg en
motorneuronen (efferente neuronen).
De interneuonen inhiberen de flexor
spier waardoor ze geen activiteit
vertonen. De extensor spier zal juist
samentrekken.
Electrophysiological recording= meet
de elektrische activiteit van een
zenuwcel. Twee aanpakken:
extracellulaire en intracellulaire
recording.
Figuur 4
3
, Other Ways to Study Neural Circuits
Technieken om de activiteit van neuronen te monitoren:
- Calcium imaging=meet de kortdurende veranderingen in intracellulaire concentraties van
calciumionen die geassocieerd zijn met actiepotentialen.
- Voltage-sensitive dyes
- Optogenetics= moleculaire-genetische manier om de functie van neurale circuits te
manipuleren. Hierbij wordt gebruik gemaakt van opsins (bacteriële kanalen, zetten licht om
in een chemisch signaal die eiwitkanalen activeert. Dus licht kan worden gebruikt om
zenuwcelactiviteit te beïnvloeden.). Er zijn bacteriorhodopsins, halorhodopsins en
channelrhodopsins.
Organization of the Human Nervous System
Grote getale van cellen en circuits die tussen de sensorische en motorische systemen liggen, zijn de
associational systems.
Het zenuwstelsel kan worden ingedeeld worden in centraal zenuwstelsel (CNS) en het perifeer
zenuwstelsel (PNS). Het centraal zenuwstelsel bestaat uit de hersenen en het ruggenmerg. Het
perifeer zenuwstelsel bevat de sensorische en motorische neuronen. Somatisch zenuwstelsel=
motoraxonen die de hersenen en ruggenmerg met skeletspieren verbinden. Autonoom
zenuwstelsel=axonen die in verbinding staan met glad spierweefsel, hartspierweefsel en klieren.
De cellichamen in het PNS liggen in ganglia= lokale ophopingen van zenuwcellichamen en
ondersteunende cellen. Het autonoom zenuwstelsel is weer onder te verdelen in het sympatisch (in
staat van actie), parasympatisch (in staat van rust) en het enterisch zenuwstelsel.
Grijze kleur in de hersenen en ruggenmerg geeft aan dat er veel cellichamen en neuropil zijn. De
witte kleur refereert naar de axonen. Binnen de grijze materie, zijn zenuwcellen geaccumuleerd die
dezelfde connecties en functies hebben = nucleus. Cortex= bladachtige lagen van zenuwcellen.
Genetic Analysis of Neural Systems
- Aan de hand van de wetten van Mendel onderzoek doen in families en het voorkomen van
bepaalde ziektes.
- Genome Wide Association Studies (GWAS), hierbij wordt gekeken of een stukje DNA (meestal
een gen) in een hogere frequentie voorkomt dan normaal bij patiënten met een medische
aandoening. Als dit zo is, dan wordt dat stukje DNA gecorreleerd met die bepaalde ziekte die
de patiënt heeft.
- Genetic engineering: Homologous recombination (knock-in, knock-out muizen gemaakt)
m.b.v. Cre/lox system: waarin een exogene recombinase DNA excisie segmenten herkent in
een endogeen gen en het tussenliggende stuk elimineert. CRISPR-Cas9 is ook een vorm van
genetic engineering.
Structural Analysis of Neural Systems
- Lesies (bestudering anatomie van neuronale systemen)
- Technieken die neuronale connecties traceren van hun bron tot hun bestemming
(anterograde) of van hun bestemming tot de bron (retrograde). Deze technieken zijn
tracerstudies: met behulp van kleurstoffen kan dan worden aangetoond hoe het zich
verspreidt over de zenuwcellen.
- Gebruik van reportergenen die coderen voor een zichtbaar/gekleurd eiwit en deze tot
expressie wordt gebracht. Het gevolg is dat zenuwcellen zichtbaar worden gemaakt die dat
gen hebben.
Brain imaging (zie tabel hieronder)
4
Samenvatting uit boek: Neuroscience (sixth edition), Dale Purves
Hoofdstuk 1: Studying the nervous system
Genetics and genomics
Gen=omvat zowel coderende stukken DNA (exons) die het templaat zijn van mRNA en regelgevende
DNA-sequenties (promotors, introns) die de expressie van een gen reguleren. Genetische analyse is
belangrijk om de structuur, functie en ontwikkeling van organen en orgaansystemen te begrijpen.
Ook is het onderzoek naar genen erg belangrijk om ziektes te begrijpen, zodat therapie kan worden
ontwikkeld. Genomics=de studie naar de analyse van complete DNA-sequenties, geeft inzicht hoe
nucleair DNA ons helpt de montage en werking van de hersenen en de rest van het zenuwstelsel te
bepalen. Naast genetische analyses, ook kennis nodig van het fenotype van de zenuwcellen en
hersenen.
Splice variants= variabele eiwitten getranscribeerd uit hetzelfde gen, dragen bij aan de diversiteit
genen.
Cellular Components of the Nervous System
Camillo Golgi (1843-1926): Reticulaire theorie. Voorheen werd geconcludeerd dat elke zenuwcel is
verbonden met zijn buurtcellen door protoplasmic links, een continu onderling verbonden
zenuwcelnetwerk (reticulum). Deze theorie kwam te vervallen door de neuron doctrine theorie.
Santiago R.Y. Cajal (1852-1934): Neuron Doctrine theorie. Neuronen zijn discrete cellen en niet één
continuüm, ze communiceren met elkaar via gespecialiseerde contacten (synapsen, zie pijltjes in
figuur 1).
Elektronenmicroscoopstudies lieten ook gap junctions
(delen continuüm van neuronen) zien tussen enkele
neuronen.
Cellen van het zenuwstelsel kunnen worden ingedeeld in
twee groepen:
• Zenuwcellen/neuronen
• Gliacellen/neuroglia/glia
Zenuwcellen zijn gespecialiseerd in elektrische signalering
Figuur 1 over lange afstanden d.m.v. elektrische actiepotentialen.
Gliacellen bieden structurele steun aan zenuwcellen,
vormen de myelineschede om axonen, spelen een rol bij de immuunrespons en kunnen als
stamcellen fungeren.
Mitochondriën bevinden zich meer in de synapsen en het RER (Ruw Endoplasmatisch Reticulum) in
cellichaam (niet in de axonen).
Neurons
Wat opvalt bij neuronen zijn de axonen en de dendrieten voor neuronale communicatie. Dendrieten
ontvangen signalen van axonterminals van andere zenuwcellen en zijn te herkennen aan hun
vertakking, grote hoeveelheid ribosomen en specifieke cytoskelet eiwitten. De vorm kan erg
verschillen (zie figuur 2). Neuronen met veel vertakkingen en dus meer inputs van andere neuronen
kunnen veel meer informatie uit verschillende bronnen integreren en verwerken. Dit laatste heet ook
wel een hoge maat van convergentie. Een hoge divergentie betekent dat een één neuron veel
outputs heeft (zie figuur 3).
1
, Figuur 3
Pre- en postsynaptische
receptoren communiceren met
elkaar via neurotransmitters, deze
moleculen overbruggen de
synaptische spleet (dit zijn
chemische synapsen, andere type
Figuur 2
is elektrical synapsen die
communiceren via gap junctions). Deze synaptische spleet bevat ook nog extracellulaire eiwitten die
betrokken zijn bij bijvoorbeeld de opruiming van neurotransmitters. De neurotransmitters bevinden
zich in synaptic vesicles in de presynaptische terminal van chemical synapsen. Als de
neurotransmitters worden vrijgelaten in de synaptische spleet, binden ze aan de receptoren van de
postsynapsen van andere neuronen waardoor het signaal verder wordt geleidt.
Lokale circuit neuronen/interneuronen= neuronen met relatief korte axonen.
Projection neuronen= neuronen met axonen die zelfs wel een meter lang kunnen zijn (van
ruggenmerg tot voet).
Actiepotentiaal= zelf generende golf van elektrische activiteit die wordt overgebracht door axonen.
Actiepotentialen zijn ook wel alles-of-niets veranderingen in elektronenpotentiaal langs het
celmembraan van zenuwcellen die informatie overbrengen van een plek naar een andere plek in het
zenuwstelsel. De informatie via actiepotentialen wordt overgedragen via synaptische transmissie
naar andere doelcellen.
Glial Cells (Grieks voor lijmcellen)
Gliacellen zijn niet direct het onderdeel van signaaloverdracht, echter dragen ze wel bij aan de
support van het contact tussen synapsen en het behoud van de signaleringseigenschappen van
neuronen. Andere gliacellen zijn stamcellen (in de hersenen) en zijn in staat om nieuwe gliacellen of
neuronen te vormen.
Dus nog een keer de functie van gliacellen:
- Behoud van ionisch milieu van zenuwcellen
- Het moduleren van de snelheid van voortplanting van zenuwcellen
- Betrokken bij heropname en recyclen van neurotransmitters in de synaptische spleet
- Ondersteuning bieden bij neuronale ontwikkeling
- Helpen/belemmeren van herstel bij letsel
- Betrokken bij de interactie tussen immuunsysteem en de hersenen
- Metabolisch afval opruimen (interstitiële vloeistof door de hersenen tijdens slaap)
- Structurele steun
- Vormen van myelineschede om axonen (niet allemaal)
Er zijn drie typen gliacellen in het zenuwstelsel:
• Astrocyten
2
, - Beperkt tot centraal zenuwstelsel (hersenen en ruggenmerg)
- Functie: behoud van optimale chemische omgeving voor neuronale signalering, bloed-hersen
barrière. Recente observaties suggereren dat astrocyten stoffen uitscheiden die de
constructie van nieuwe synaptische verbindingen beïnvloedt. Deel behoudt stamcelfunctie.
• Oligodendrocyten
- Beperkt tot centraal zenuwstelsel
- Is verantwoordelijk voor myelineschede om sommige axonen. In perifeer zenuwstelsel zijn de
Schwanncellen verantwoordelijk voor de myelineschede om axonen.
• Microglial cellen
- Afgeleid van hematopoietic voorlopercellen
- Delen eigenschappen met macrofagen (immuunsysteem): ruimen cellulair afval op bij letsel
en scheiden signaleringsstoffen uit (cytokines) die betrokken zijn bij lokale ontstekingen de
overleving of sterfte van zenuwcellen.
Glia stamcellen kunnen voorlopers van nieuwe gliacellen vormen of al gedifferentieerde gliacellen en
zelfs neuronen.
Twee categorieën:
- Subgroep van astrocyten (zie kopje astrocyten): kunnen alle cellen binnen het zenuwstelsel
worden.
- Oligodendrocyten voorlopers/polydendrocytes: aanleiding tot volwassen oligodendrocyten
als enkele astrocyten.
Cellular Diversity in the Nervous System
Visualisatie neuronen werd al voorheen gedaan met de Golgi-kleuringmethode. De functie van
zenuwcellen werd onderzocht m.b.v. fluorescentie en het injecteren van oplosbare moleculen.
Tegenwoordig worden er steeds meer genetische en moleculaire studies gedaan, zoals situ
hybridization. De Nissl methode laat de kern en andere celstructuren zien binnen neuronen.
Neural Circuits
Neuropil= regio’s tussen zenuwcellichamen waar de meeste synaptische connectiviteit plaatsvindt.
Afferente neuronen= sturen informatie door van periferie naar het centraal zenuwstelsel (CNS).
Efferente neuronen= sturen informatie door van CNS naar het perifeer zenuwstelsel.
Een voorbeeld van een neuronaal circuit: myotatic reflex (kniepeesreflex) (zie figuur 4). De
sensorische neuronen zijn de
afferente neuronen (cellichamen in
dorsal root ganglia). De axonen van
deze neuronen activeren
interneuronen in ruggenmerg en
motorneuronen (efferente neuronen).
De interneuonen inhiberen de flexor
spier waardoor ze geen activiteit
vertonen. De extensor spier zal juist
samentrekken.
Electrophysiological recording= meet
de elektrische activiteit van een
zenuwcel. Twee aanpakken:
extracellulaire en intracellulaire
recording.
Figuur 4
3
, Other Ways to Study Neural Circuits
Technieken om de activiteit van neuronen te monitoren:
- Calcium imaging=meet de kortdurende veranderingen in intracellulaire concentraties van
calciumionen die geassocieerd zijn met actiepotentialen.
- Voltage-sensitive dyes
- Optogenetics= moleculaire-genetische manier om de functie van neurale circuits te
manipuleren. Hierbij wordt gebruik gemaakt van opsins (bacteriële kanalen, zetten licht om
in een chemisch signaal die eiwitkanalen activeert. Dus licht kan worden gebruikt om
zenuwcelactiviteit te beïnvloeden.). Er zijn bacteriorhodopsins, halorhodopsins en
channelrhodopsins.
Organization of the Human Nervous System
Grote getale van cellen en circuits die tussen de sensorische en motorische systemen liggen, zijn de
associational systems.
Het zenuwstelsel kan worden ingedeeld worden in centraal zenuwstelsel (CNS) en het perifeer
zenuwstelsel (PNS). Het centraal zenuwstelsel bestaat uit de hersenen en het ruggenmerg. Het
perifeer zenuwstelsel bevat de sensorische en motorische neuronen. Somatisch zenuwstelsel=
motoraxonen die de hersenen en ruggenmerg met skeletspieren verbinden. Autonoom
zenuwstelsel=axonen die in verbinding staan met glad spierweefsel, hartspierweefsel en klieren.
De cellichamen in het PNS liggen in ganglia= lokale ophopingen van zenuwcellichamen en
ondersteunende cellen. Het autonoom zenuwstelsel is weer onder te verdelen in het sympatisch (in
staat van actie), parasympatisch (in staat van rust) en het enterisch zenuwstelsel.
Grijze kleur in de hersenen en ruggenmerg geeft aan dat er veel cellichamen en neuropil zijn. De
witte kleur refereert naar de axonen. Binnen de grijze materie, zijn zenuwcellen geaccumuleerd die
dezelfde connecties en functies hebben = nucleus. Cortex= bladachtige lagen van zenuwcellen.
Genetic Analysis of Neural Systems
- Aan de hand van de wetten van Mendel onderzoek doen in families en het voorkomen van
bepaalde ziektes.
- Genome Wide Association Studies (GWAS), hierbij wordt gekeken of een stukje DNA (meestal
een gen) in een hogere frequentie voorkomt dan normaal bij patiënten met een medische
aandoening. Als dit zo is, dan wordt dat stukje DNA gecorreleerd met die bepaalde ziekte die
de patiënt heeft.
- Genetic engineering: Homologous recombination (knock-in, knock-out muizen gemaakt)
m.b.v. Cre/lox system: waarin een exogene recombinase DNA excisie segmenten herkent in
een endogeen gen en het tussenliggende stuk elimineert. CRISPR-Cas9 is ook een vorm van
genetic engineering.
Structural Analysis of Neural Systems
- Lesies (bestudering anatomie van neuronale systemen)
- Technieken die neuronale connecties traceren van hun bron tot hun bestemming
(anterograde) of van hun bestemming tot de bron (retrograde). Deze technieken zijn
tracerstudies: met behulp van kleurstoffen kan dan worden aangetoond hoe het zich
verspreidt over de zenuwcellen.
- Gebruik van reportergenen die coderen voor een zichtbaar/gekleurd eiwit en deze tot
expressie wordt gebracht. Het gevolg is dat zenuwcellen zichtbaar worden gemaakt die dat
gen hebben.
Brain imaging (zie tabel hieronder)
4
