Heading

Wat je zult leren: de basisstructuren van een neuron identificeren, de functie van elke structuur, en hoe boodschappen door het neuron reizen

Figuur 1. Neuronen in weefselkweek.

Vraagt u zich wel eens af hoe uw hersenen eigenlijk werken? Wat gebeurt er precies binnenin uw kleine, rimpelige massa terwijl u deze tekst leest? In dit gedeelte leert u de basisprincipes van neurale communicatie in de hersenen, dat is de manier waarop de hersenen berichten van en naar verschillende gebieden sturen om kritische informatie over uw lichaam en de omgeving door te geven.

Glia en neuronen zijn de twee celtypen waaruit het zenuwstelsel is opgebouwd. Terwijl gliacellen meestal een ondersteunende rol spelen, is de communicatie tussen neuronen van fundamenteel belang voor alle functies van het zenuwstelsel. Neuronale communicatie wordt mogelijk gemaakt door de gespecialiseerde structuren van het neuron, zoals het soma, de dendrieten, de axonen, de eindknoppen en de synaptische blaasjes.

Neuronale communicatie is een elektrochemische gebeurtenis. De dendrieten bevatten receptoren voor neurotransmitters die worden afgegeven door neuronen in de buurt. Als de signalen die van andere neuronen worden ontvangen sterk genoeg zijn, zal een actiepotentiaal zich over de lengte van het axon naar de eindknoppen verplaatsen, wat resulteert in het vrijkomen van neurotransmitters in de synaps.

Verschillende neurotransmitters zijn geassocieerd met verschillende functies. Bij psychische stoornissen gaat het vaak om onevenwichtigheden in een bepaald neurotransmittersysteem. Daarom worden psychotrope geneesmiddelen voorgeschreven in een poging de neurotransmitters weer in balans te brengen. Geneesmiddelen kunnen werken als agonisten of als antagonisten voor een bepaald neurotransmittersysteem.

Neuronen

Psychologen die de menselijke geest willen begrijpen, kunnen het zenuwstelsel bestuderen. Leren hoe de cellen en organen (zoals de hersenen) functioneren, helpt ons de biologische basis achter de menselijke psychologie te begrijpen. Het zenuwstelsel bestaat uit twee basis celtypen: gliacellen (ook bekend als glia) en neuronen. Van gliacellen, die tien keer talrijker zijn dan neuronen, wordt traditioneel aangenomen dat zij de neuronen ondersteunen, zowel fysiek als metabolisch. Gliacellen vormen de steigers waarop het zenuwstelsel is gebouwd, helpen neuronen dicht bij elkaar te liggen om neuronale communicatie mogelijk te maken, isoleren neuronen, transporteren voedingsstoffen en afvalproducten, en bemiddelen bij immuunreacties. Neuronen daarentegen fungeren als onderling verbonden informatieverwerkers die essentieel zijn voor alle taken van het zenuwstelsel. Dit hoofdstuk beschrijft in het kort de structuur en functie van neuronen.

Neuronenstructuur

Neuronen zijn de centrale bouwstenen van het zenuwstelsel, 100 miljard sterk bij de geboorte. Zoals alle cellen bestaan neuronen uit verschillende onderdelen, die elk een gespecialiseerde functie hebben. De buitenkant van een neuron bestaat uit een semipermeabel membraan. Dit membraan laat kleinere moleculen en moleculen zonder elektrische lading door, terwijl het grotere of sterk geladen moleculen tegenhoudt.

Figuur 1. Deze illustratie toont een prototypisch neuron, dat wordt gemyeliniseerd.

De kern van het neuron bevindt zich in het soma, of cellichaam. Het soma heeft vertakkingen die dendrieten worden genoemd. Het neuron is een kleine informatieverwerker, en de dendrieten dienen als ingangsplaatsen waar signalen worden ontvangen van andere neuronen. Deze signalen worden elektrisch doorgegeven via het soma en langs een grote uitloper van het soma, het axon, dat eindigt op meerdere eindknoppen. De eindknoppen bevatten synaptische blaasjes die neurotransmitters bevatten, de chemische boodschappers van het zenuwstelsel.

Axonen variëren in lengte van een fractie van een centimeter tot enkele meters. In sommige axonen vormen gliacellen een vettige substantie die myelineschede wordt genoemd. Deze myelineschede omhult het axon en fungeert als een isolator, waardoor de snelheid waarmee het signaal wordt overgebracht, toeneemt. De myelineschede is van cruciaal belang voor de normale werking van de neuronen in het zenuwstelsel: het verlies van de isolatie die zij biedt, kan schadelijk zijn voor de normale functie. Om te begrijpen hoe dit werkt, nemen we een voorbeeld. Bij multiple sclerose (MS), een auto-immuunziekte, gaat op grote schaal de myelineschede op axonen in het hele zenuwstelsel verloren. De resulterende storing in het elektrische signaal verhindert de snelle overdracht van informatie door neuronen en kan leiden tot een aantal symptomen, zoals duizeligheid, vermoeidheid, verlies van motorische controle, en seksuele disfunctie. Hoewel sommige behandelingen kunnen helpen om het verloop van de ziekte te wijzigen en bepaalde symptomen te beheersen, is er momenteel geen genezing voor multiple sclerose bekend.

Bij gezonde mensen beweegt het neuronale signaal zich snel langs de axon naar de terminale knoppen, waar synaptische blaasjes neurotransmitters afgeven in de synaps. De synaps is een zeer kleine ruimte tussen twee neuronen en is een belangrijke plaats waar communicatie tussen neuronen plaatsvindt. Zodra neurotransmitters vrijkomen in de synaps, reizen zij door de kleine ruimte en binden zich aan overeenkomstige receptoren op de dendriet van een aangrenzend neuron. Receptoren, eiwitten op het celoppervlak waaraan neurotransmitters hechten, variëren in vorm, waarbij verschillende vormen “passen” bij verschillende neurotransmitters.

Hoe “weet” een neurotransmitter aan welke receptor hij zich moet binden? De neurotransmitter en de receptor hebben een zogeheten “slot-en-sleutel”-relatie: specifieke neurotransmitters passen op specifieke receptoren, net zoals een sleutel op een slot past. De neurotransmitter bindt zich aan elke receptor die hij past.

Figuur 2. (a) De synaps is de ruimte tussen de eindknop van een neuron en de dendriet van een ander neuron. (b) In dit pseudo-gekleurde beeld van een aftastelektronenmicroscoop is een terminale knop (groen) geopend om de synaptische blaasjes (oranje en blauw) binnenin te onthullen. Elk blaasje bevat ongeveer 10.000 neurotransmittermoleculen. (credit b: modificatie van werk van Tina Carvalho, NIH-NIGMS; schaal-staafgegevens van Matt Russell)

Nu we meer hebben geleerd over de basisstructuren van het neuron en de rol die deze structuren spelen bij neuronale communicatie, gaan we nu dieper in op het signaal zelf: hoe beweegt het zich door het neuron en springt het vervolgens naar het volgende neuron, waar het proces wordt herhaald.

We beginnen bij het neuronale membraan. Het neuron bevindt zich in een vloeibare omgeving – het is omgeven door extracellulaire vloeistof en bevat intracellulaire vloeistof (d.w.z. cytoplasma). Het neuronale membraan houdt deze twee vloeistoffen gescheiden – een cruciale rol omdat het elektrische signaal dat door het neuron gaat afhankelijk is van het feit of de intra- en extracellulaire vloeistoffen elektrisch verschillend zijn. Dit verschil in lading over het membraan, het membraanpotentiaal genoemd, levert energie voor het signaal.

De elektrische lading van de vloeistoffen wordt veroorzaakt door geladen moleculen (ionen) die in de vloeistof zijn opgelost. De semipermeabele aard van het neuronale membraan beperkt enigszins de beweging van deze geladen moleculen, en als gevolg daarvan hebben sommige van de geladen deeltjes de neiging om meer geconcentreerd te raken, hetzij binnen of buiten de cel.

Tussen de signalen wordt de potentiaal van het neuronale membraan in een staat van paraatheid gehouden, die de rustpotentiaal wordt genoemd. Net als een elastiekje dat is uitgerekt en wacht om in actie te komen, staan ionen aan weerszijden van het celmembraan op een rij, klaar om over het membraan te razen wanneer het neuron actief wordt en het membraan zijn poorten opent (d.w.z. een natrium-kaliumpomp die beweging van ionen over het membraan mogelijk maakt). Ionen in gebieden met een hoge concentratie staan klaar om naar gebieden met een lage concentratie te gaan, en positieve ionen staan klaar om naar gebieden met een negatieve lading te gaan.

In rusttoestand heeft natrium (Na+) hogere concentraties buiten de cel, dus zal het de neiging hebben om de cel in te gaan. Kalium (K+) daarentegen is meer geconcentreerd in de cel, en zal de neiging hebben de cel uit te gaan (figuur 3). Bovendien is de binnenkant van de cel licht negatief geladen in vergelijking met de buitenkant. Dit zorgt voor een extra kracht op natrium, waardoor het de cel in beweegt.

Figuur 3. Bij rustpotentiaal is Na+ (blauwe vijfhoeken) sterker geconcentreerd buiten de cel in de extracellulaire vloeistof (weergegeven in blauw), terwijl K+ (paarse vierkanten) sterker geconcentreerd is nabij het membraan in het cytoplasma of de intracellulaire vloeistof. Andere moleculen, zoals chloride-ionen (gele cirkels) en negatief geladen eiwitten (bruine vierkantjes), dragen bij aan een positieve netto lading in de extracellulaire vloeistof en een negatieve netto lading in de intracellulaire vloeistof.

Vanuit deze rustpotentiaal-toestand ontvangt het neuron een signaal en verandert de toestand abrupt (figuur 4). Wanneer een neuron signalen ontvangt bij de dendrieten – doordat neurotransmitters van een aangrenzend neuron zich binden aan zijn receptoren – openen zich kleine poriën of poorten in het neuronale membraan, waardoor Na+-ionen, voortgestuwd door zowel ladings- als concentratieverschillen, de cel kunnen binnenstromen. Met deze toevloed van positieve ionen wordt de interne lading van de cel positiever. Als die lading een bepaald niveau bereikt, dat de excitatiedrempel wordt genoemd, wordt het neuron actief en begint de actiepotentiaal. Dit proces van wanneer de lading van de cel positief wordt, of minder negatief, wordt depolarisatie genoemd.

Veel extra poriën gaan open, waardoor een massale instroom van Na+-ionen ontstaat en een enorme positieve piek in de membraanpotentiaal, de piek actiepotentiaal. Op het hoogtepunt van de piek sluiten de natriumpoorten en gaan de kaliumpoorten open. Als positief geladen kaliumionen de cel verlaten, begint de cel snel met repolarisatie. Eerst hyperpolariseert hij, wordt iets negatiever dan de rustpotentiaal, en daarna vlakt hij af en keert terug naar de rustpotentiaal.

Figuur 4. Tijdens de actiepotentiaal verandert de elektrische lading over het membraan dramatisch.

Deze positieve piek vormt de actiepotentiaal: het elektrische signaal dat zich gewoonlijk van het cellichaam langs de axon naar de axonterminals beweegt. Het elektrische signaal beweegt zich als een golf door het axon; op elk punt diffunderen sommige van de natriumionen die de cel binnenkomen naar het volgende deel van het axon, waardoor de lading de excitatiedrempel overschrijdt en een nieuwe instroom van natriumionen op gang wordt gebracht. De actiepotentiaal beweegt zich helemaal door het axon naar de eindknoppen.

De actiepotentiaal is een alles-of-niets-fenomeen. Eenvoudig gezegd betekent dit dat een inkomend signaal van een ander neuron ofwel voldoende ofwel onvoldoende is om de excitatiedrempel te bereiken. Er is geen tussenweg, en er is geen uitschakeling van een actiepotentiaal als het eenmaal begint. Zie het als het versturen van een e-mail of een sms. Je kunt er zoveel over denken als je wilt, maar het bericht is pas verzonden als je op de verzendknop drukt. En als je het bericht eenmaal hebt verzonden, is het niet meer te stoppen.

Omdat het alles of niets is, wordt de actiepotentiaal op elk punt langs het axon op volle sterkte opnieuw gecreëerd, of voortgeplant. Net als het aangestoken lont van een rotje, vervaagt het niet naarmate het verder door het axon beweegt. Het is deze alles-of-niets eigenschap die verklaart waarom je hersenen een verwonding aan een ver weg gelegen lichaamsdeel als je teen als even pijnlijk ervaren als een verwonding aan je neus.

Zoals eerder gezegd, wanneer de actiepotentiaal bij de terminale knop aankomt, laten de synaptische blaasjes hun neurotransmitters los in de synaps. De neurotransmitters reizen over de synaps en binden zich aan receptoren op de dendrieten van het aangrenzende neuron, en het proces herhaalt zich in het nieuwe neuron (ervan uitgaande dat het signaal sterk genoeg is om een actiepotentiaal op te wekken). Zodra het signaal is afgegeven, drijven overtollige neurotransmitters in de synaps weg, worden afgebroken tot inactieve fragmenten, of worden geherabsorbeerd in een proces dat bekend staat als heropname. Bij heropname wordt de neurotransmitter teruggepompt in het neuron dat het signaal heeft afgegeven, om de synaps op te ruimen (figuur 5). Het opruimen van de synaps dient zowel om een duidelijke “aan”- en “uit”-toestand tussen signalen te verkrijgen, als om de productie van neurotransmitters te reguleren (volle synaptische blaasjes geven het signaal dat er geen extra neurotransmitters geproduceerd hoeven te worden).

Figuur 5. Bij heropname wordt een neurotransmitter vanuit de synaps teruggevoerd naar de axon-terminal van waaruit hij is vrijgekomen.

Neuronale communicatie wordt vaak aangeduid als een elektrochemische gebeurtenis. De beweging van de actiepotentiaal over de lengte van het axon is een elektrische gebeurtenis, en de beweging van de neurotransmitter door de synaptische ruimte vertegenwoordigt het chemische gedeelte van het proces.

Neurotransmitters en Drugs

Er zijn verschillende soorten neurotransmitters die door verschillende neuronen worden afgegeven, en we kunnen in grote lijnen spreken over het soort functies dat met de verschillende neurotransmitters wordt geassocieerd (tabel 1). Veel van wat psychologen weten over de functies van neurotransmitters komt uit onderzoek naar de effecten van drugs bij psychische stoornissen. Psychologen die een biologisch perspectief hanteren en zich richten op de fysiologische oorzaken van gedrag, beweren dat psychische stoornissen zoals depressie en schizofrenie samenhangen met onevenwichtigheden in één of meer neurotransmittersystemen. In dit perspectief kunnen psychotrope medicijnen helpen om de symptomen die met deze stoornissen gepaard gaan te verbeteren. Psychotrope medicijnen zijn geneesmiddelen die psychiatrische symptomen behandelen door de neurotransmitterbalans te herstellen.

Psychoactieve drugs kunnen werken als agonisten of antagonisten voor een bepaald neurotransmittersysteem. Agonisten zijn chemische stoffen die een neurotransmitter nabootsen op de plaats van de receptor en zo de effecten ervan versterken. Een antagonist daarentegen blokkeert of belemmert de normale activiteit van een neurotransmitter bij de receptor. Agonist en antagonist geneesmiddelen worden voorgeschreven om de specifieke neurotransmitter onevenwichtigheden die ten grondslag liggen aan de aandoening van een persoon te corrigeren. Zo wordt de ziekte van Parkinson, een progressieve aandoening van het zenuwstelsel, in verband gebracht met een laag dopamineniveau. Daarom zijn dopamine-agonisten, die de effecten van dopamine nabootsen door zich te binden aan dopaminereceptoren, een behandelingsstrategie.

Zekere symptomen van schizofrenie worden geassocieerd met overactieve dopamine-neurotransmissie. De antipsychotica die worden gebruikt om deze symptomen te behandelen zijn antagonisten voor dopamine – zij blokkeren de effecten van dopamine door zich aan de receptoren te binden zonder deze te activeren. In tegenstelling tot agonisten en antagonisten, die beide werken door binding aan receptorplaatsen, voorkomen heropnameremmers dat ongebruikte neurotransmitters terug naar het neuron worden getransporteerd. Hierdoor blijven er langer meer neurotransmitters in de synaps, waardoor de effecten toenemen. Depressie, die in verband wordt gebracht met een verlaagde serotoninespiegel, wordt meestal behandeld met selectieve serotonineheropnameremmers (SSRI’s). Door heropname tegen te gaan, versterken SSRI’s het effect van serotonine, waardoor het meer tijd krijgt om te interageren met serotoninereceptoren op dendrieten. Veel voorkomende SSRI’s die tegenwoordig op de markt zijn, zijn Prozac, Paxil en Zoloft. De drug LSD lijkt structureel erg op serotonine, en het beïnvloedt dezelfde neuronen en receptoren als serotonine. Psychotrope drugs zijn geen directe oplossingen voor mensen die lijden aan psychische stoornissen. Vaak moet iemand een middel een aantal weken nemen voordat hij verbetering ziet, en veel psychoactieve middelen hebben aanzienlijke negatieve bijwerkingen. Bovendien verschillen individuen enorm in hoe ze op de drugs reageren. Om de kans op succes te vergroten, is het niet ongebruikelijk dat mensen die farmacotherapie krijgen ook psychologische en/of gedragstherapieën ondergaan. Sommige onderzoeken suggereren dat het combineren van medicamenteuze therapie met andere vormen van therapie over het algemeen effectiever is dan een behandeling alleen (voor een voorbeeld, zie March et al, 2007).