Heading

Het proces van excitatie en geleiding in gewervelde gemyeliniseerde zenuwvezels wordt gekarakteriseerd door zijn discontinue en saltatorische kenmerken. Ongetwijfeld zijn deze onderscheidende kenmerken afgeleid van de volgende histologische en fysiologische eigenschappen van deze zenuwvezels.

• De myelineschede die de as-cylinder van deze zenuwvezels bedekt, is min of meer regelmatig onderbroken bij elk knooppunt van Ranvier.
• De stroom in en om deze zenuwvezels wordt beperkt door de isolatie van de as-cylinder met de myelineschede.
• De corticale laag van de as-cylinder bij het knooppunt van Ranvier is in staat om actiepotentialen te produceren op een alles-of-niets-wijze in reactie op de passage van naar buiten gerichte elektrische stroom.
• De actiepotentiaal die bij één knoop van Ranvier wordt geproduceerd, genereert een puls van sterke naar buiten gerichte stroom bij de aangrenzende knopen.

• 1 Myelineschede en knooppunten van Ranvier
• 2 Elektrische isolatie van as-cylinder door myelineschede
• 3 Capacitieve stroom door myelineschede
• 4 Inwaartse stroom in verband met excitatie van een knooppunt van Ranvier
• 5 Productie van alles-of-niets-actiepotentialen door één enkel knooppunt van Ranvier
• 5 Productie van alles-of-niets-actiepotentialen door één enkel knooppunt van Ranvier
• 4geen actiepotentialen door een enkel knooppunt van Ranvier
• 6 Veiligheidsmarge bij zenuwgeleiding
• 7 Saltatorische geleiding – Een historisch verhaal
• 8 Referenties
• 9 Zie ook

Myelineschede en knooppunten van Ranvier

Elektrische isolatie van as-cilinder door myelineschede

In 1934, kort na de ontwikkeling van de techniek van het chirurgisch isoleren van een motorische zenuwvezel die de gastrocnemiusspier van de pad in het laboratorium van G. Kato’s laboratorium, werd een ontdekking gedaan door M. Kubo en S. Ono waaruit bleek dat de myelineschede een sterke invloed uitoefent op de effectiviteit van een stimulerende stroomstoot.

Figuur 1: De drempelintensiteit van een lange stroomstoot voor het opwekken van een motorische zenuwvezel uitgezet tegen de afstand tot de knopen van Ranvier. B vertegenwoordigt een batterij. De stimulerende kathode (pipet elektrode van 100 m in diameter aan de tip) werd verplaatst in een ondiep zwembad van zoutoplossing stapsgewijs langs de zenuwvezel. De alles-of-niets spiertrekking werd genomen als een index van de zenuw excitatie.

Door het meten van de drempel intensiteiten van de stroom pulsen afgegeven aan een zenuwvezel drijvend in een ondiep zwembad van zoutoplossing met behulp van een pipet elektrode, werd ontdekt dat de drempel een scherp minimum bereikt wanneer de stimulerende kathode wordt geplaatst dicht bij een van de knooppunten en een scherp maximum wanneer de elektrode tip is op het punt halverwege tussen twee aangrenzende knooppunten. Uit uitgebreide analyses van deze en latere experimentele bevindingen worden de volgende conclusies getrokken.

• De ohmse weerstand van de myelineschede is zeer hoog.
• Het excitatieproces wordt uit een zenuwvezel opgewekt door een stroom van uitgaande stroom bij het knooppunt.

Capacitieve stroom door de myelineschede

Kort voor de Tweede Wereldoorlog werd het mogelijk actiestromen op te nemen die afkomstig waren van een kort segment van een zenuwvezel door de omringende zoutoplossing in onafhankelijke pools te verdelen door gebruik te maken van smalle luchtspleten. (Zie figuur 2.)

Figuur 2: Links: Schematische voorstelling van de opstelling die wordt gebruikt voor het opnemen van actiestromen uit een kort ( l mm lang) gemyeliniseerd segment van een geïsoleerde zenuwvezel en een voorbeeld van de verkregen registraties. Rechts: Actiestroom opgenomen van een kort segment met inbegrip van een knooppunt van Ranvier. Om een impuls geleid door de site van de opname op te roepen, werd een korte elektrische schok afgegeven aan de vezel in de buurt van de proximale einde.

De linker record in de figuur toont het tijdsverloop van de stroom die een korte gemyeliniseerde regio van een zenuwvezel op het moment dat een impuls wordt het passeren van de regio. Merk op dat het interval tussen de twee pieken van de transiënte uitgaande stroom samenvalt met de internodale geleidingstijd (~2mm / 20mm per msec). Het is duidelijk dat deze twee pieken worden geproduceerd door capacitieve stroom door de myelineschede in verband met het begin van een actiepotentiaal op knooppunt N_{1} en op N_{2} in het bovenste diagram. Uit deze en andere verwante experimenten wordt geconcludeerd dat de myelineschede zich gedraagt als een eenvoudige elektrische condensator met een hoge parallelle weerstand.

Inwaartse stroom geassocieerd met excitatie van een knoop van Ranvier

Figuur 2, rechts, toont het tijdsverloop van de actiestroom die het oppervlak doorkruist van een kort gedeelte van een zenuwvezel met inbegrip van een knoop van Ranvier (\(N_{1}\)). Het is opgenomen op het moment dat een impuls door het gedeelte gaat. Het is duidelijk dat de eerste opwaartse afbuiging de naar buiten gerichte stroom voorstelt die gepaard gaat met de ontwikkeling van een actiepotentiaal in het proximale knooppunt (N_{0}).

Door het effect te onderzoeken van een verdovende oplossing die aan de distale pool en aan de middelste pool van zoutoplossing werd toegevoegd, werd aangetoond dat de scherpe neerwaartse afbuiging de naar binnen gerichte stroom vertegenwoordigt die wordt geïnitieerd door het begin van een actiepotentiaal bij de middelste knoop (\(N_{1}\)) en wordt beëindigd door het begin van een actiepotentiaal bij de distale knoop (\(N_{2}\)).

Productie van all-of-none actiepotentialen door een enkele knoop van Ranvier

Actiepotentialen ontwikkeld door een enkele knoop van Ranvier kan worden opgenomen door het aansluiten van het distale gedeelte van een geïsoleerde zenuwvezel aan een versterker met een hoge input-impedantie, gevolgd door verdoving van alle knooppunten aan de proximale zijde van het knooppunt te bestuderen. (Zie figuur 3.)

Hier, elektrische reacties worden opgewekt uit knooppunt (N_{1}) door het leveren van korte spanningspulsen tussen het zwembad van normale zoutoplossing (waarin N_{1}) is ondergedompeld) en het proximale deel van de vezel (gescheiden van het zwembad met normale zoutoplossing door een smalle lucht-spleet). De waargenomen actiepotentialen zijn ongeveer 110 mV in amplitude en hebben een abrupte stijgende fase en een geleidelijke dalende fase, uiteindelijk gevolgd door een iets versnelde daling van het potentieel aan het eind. Merk op dat full-sized actiepotentialen worden geproduceerd in een alles-of-niets manier wanneer de potentiaal in de knoop wordt verhoogd tot het drempelniveau (ruwweg 20 mV in het onderhavige geval) door de toegepaste pulsen.

Veiligheidsmarge in zenuwgeleiding

De productie van een actiepotentiaal op een knoop van een zenuwvezel gaat gepaard met een stroom die plaatselijk circuleert tussen de aangeslagen knoop en de naburige rustende knoop. Het is herhaaldelijk bewezen dat de uitgaande stroom die bij de naburige knoop wordt opgewekt, veel intenser is dan het niveau dat nodig is om een knoop in rusttoestand op te wekken. Met andere woorden, het proces van opeenvolgende re-stimulatie van de knooppunten door de plaatselijke stroom (Strömchen, Hermann, 1879) verloopt met een aanzienlijke veiligheidsmarge. In dit verband zij eraan herinnerd dat de capacitieve stroom door de myelineschede een strikte ondergrens oplegt aan de tijd die nodig is voor het excitatieproces (d.w.z. abrupte verandering in e.m.f.) om van het ene knooppunt naar het volgende over te springen.

Saltatory conduction – A historical narrative

In de winter van 1938 was de auteur (I. Tasaki) bezig met de studie van het effect van anesthetica op geïsoleerde afzonderlijke zenuwvezels in het fysiologisch laboratorium van de Keio Universiteit in Tokio. Op dat moment waren er, op basis van eerdere experimenten op enkele zenuwvezels met behulp van de techniek van tripolaire stimulatie, voldoende aanwijzingen dat de zenuwvezel elektrisch geïsoleerd is door een myelineschede en ook dat een voortplantende zenuwimpuls wordt opgewekt door een uitgaande stroom door het ongeïsoleerde oppervlak van de as-cylinder bij de knopen van Ranvier.

Op een avond besloot de auteur het effect te onderzoeken van een 3 mM cocaïne-Ringer oplossing toegepast op een kort gedeelte – inclusief een enkele knoop van Ranvier – van een motorische zenuwvezel-gastrocnemius preparaat. Om de exciteerbaarheid van de knoop voor en na de toepassing van het verdovingsmiddel te testen, werd de techniek van tripolaire stimulatie toegepast zoals eerder gedaan.

Onmiddellijk na toepassing van de cocaïne-Ringer’s oplossing op de enkele knoop, werd aangetoond dat de gebruikte cocaïneconcentratie hoog genoeg was om de bestudeerde knoop volledig onexciteerbaar te maken. Toen het effect van een op de zenuwvezels toegepaste stimulans werd getest, werd verrassend en met grote opwinding vastgesteld dat geen blokkering van de geleiding door de verdovende oplossing tot stand werd gebracht. Dat wil zeggen, een zenuwimpuls opgewekt in het proximale deel van de vezel werd geleid over een totaal niet-ontvlambaar knooppunt naar het distale deel van de vezel. Onmiddellijk rees de volgende intrigerende vraag: hoe kan een zenuwimpuls door een niet-ontvlambaar deel van een zenuwvezel gaan?

In die dagen namen de meeste fysiologen aan dat zenuwimpulsen zich ononderbroken voortbewegen in het inwendige van de as-cylinder. Toen het bovenstaande verrassende experimentele feit aan het licht kwam, werd het onmiddellijk duidelijk dat de geldigheid van deze oude, algemeen aanvaarde veronderstelling in twijfel moest worden getrokken.

Verder experimenteren bracht de volgende feiten aan het licht:

• Elk mechanisch of osmotisch letsel toegebracht aan het verdoofde gebied blokkeert onmiddellijk de zenuwgeleiding door het gebied.
• Toepassing van de verdovende oplossing uitsluitend op het gemyeliniseerde segment van een zenuwvezel geeft geen significante verandering in de prikkelbaarheid van de vezel.
• Wanneer een gedeelte van de vezel dat twee opeenvolgende knopen omvat, wordt verdoofd, treedt incidenteel geleidingsblokkade op.
• Wanneer drie of meer knooppunten in het zwaar verdoofde gebied zijn opgenomen, kan geen geleiding van zenuwimpulsen over het gebied worden waargenomen.

Het was niet moeilijk om een redelijk inzicht te krijgen in al deze experimentele bevindingen. Kort voordat deze experimenten werden uitgevoerd, onderzocht A. L. Hodgkin (1937) het mechanisme van geleidingsblokkade geïnduceerd door mechanische compressie van de nervus ischiadicus (romp) van de kikker en verklaarde de verkregen resultaten aan de hand van Hermann’s lokale stroomtheorie. Hieruit bleek dat de theorie van Hermann een volkomen bevredigende verklaring biedt voor alle hierboven vermelde experimentele bevindingen. De bepleite verklaring luidt als volgt.

“Een actiepotentiaal geproduceerd door de knoop ondergedompeld in normale Ringer’s oplossing genereert een stroom van naar buiten gerichte stroom bij de naburige knopen. Deze stroom is zo sterk dat hij, zelfs na progressieve verzwakking in het verdoofde gebied met één of twee knopen, nog steeds in staat is de eerste normale knoop aan de distale zijde van het verdoofde gebied op te wekken. Geleidingsblokkade vindt plaats wanneer de uitgaande stroom die door de proximale normale knoop wordt opgewekt, subdrempel wordt voor de knoop aan de distale zijde van het verdoofde gebied.”

In feite werd, door het meten van de drempelsterkten van testelektrische schokken die op de distale knoop werden toegepast, op doorslaggevende wijze aangetoond dat de verwachte nauwelijks onderdrempelige stroom de distale knoop doorkruist op het ogenblik dat de geleidingsblokkade werkelijk optreedt. Bovendien werd aangetoond dat de zoutoplossing buiten de zenuwvezel rechtstreeks betrokken is als stroombaan in het proces van re-stimulatie van opeenvolgende knopen. Het manuscript dat al deze vroege waarnemingen over saltatoire geleiding beschreef, werd naar de Verenigde Staten gezonden en werd in 1939 gepubliceerd in de American Journal of Physiology.

In de daaropvolgende jaren herhaalde, bevestigde en breidde de auteur deze vroege waarnemingen uit door actiestromen van geïsoleerde enkele zenuwvezels te registreren met een kathodestraaloscilloscoop die de auteur zelf construeerde. Toen de tijd voor publicatie van de nieuwe resultaten was aangebroken, moest een nieuwe moeilijkheid worden overwonnen die voortvloeide uit de onrustige wereldsituatie in die tijd. Omdat het onmogelijk werd het nieuwe materiaal in de USA te laten publiceren, moesten de eerste twee manuscripten (geschreven in het Duits) via de Siberische spoorweg naar Frankfurt, Duitsland, worden gestuurd. Toen de Siberische route in 1941 onbereikbaar werd, werden de manuscripten per onderzeeër via Zuid-Amerika naar Frankfurt gestuurd.

Figuur 4: Dr. Ichiji Tasaki. Foto genomen in 1954, op een cruciaal moment in zijn carrière.

Lange tijd na het einde van de oorlog bleek dat alle manuscripten die naar Duitsland waren gestuurd, door het Pflügers Archiv waren geaccepteerd en gepubliceerd. Omstreeks die tijd werd in Tokio het bericht ontvangen dat nieuwe experimenten waren uitgevoerd op saltatorische geleiding door A.F.Huxley en R.Stämpfli.

Veel later, hier bij National Institutes of Health, werden de absolute waarden van de weerstand en de capaciteit van de myelineschede en van andere delen van de zenuwvezel gemeten met een redelijk betrouwbare methode (1955). Bovendien kon het tijdsverloop van de actiepotentiaal ontwikkeld door een enkele knoop van Ranvier met redelijke nauwkeurigheid worden bepaald (1956). Deze gegevens bleken een basis te vormen voor een kwantitatieve analyse van het verschijnsel saltatorische geleiding in gemyeliniseerde zenuwvezels (cf. Tasaki, 1982).

Ranvier, L. (1871) Contribution á l’histologie et á la physiologie des nerfs périphériques. C. R. 73, 1168-1171.

Hermann, L. (1879) Handbuch der Physiologie., Theil 1. 1-196, Vogel, Leibzig.

Kato, G. (1934) Microphysiology of Nerve, Maruzen, Tokyo.

Tasaki, I. (1939) Am. J. Physiol. 127: 211-227.

Tasaki, I., and Takeuchi, T, (1941) Pflügers Arch ges. Physiol. 244: 696-711; en (1942) 245; 764-782.

Huxley, A. F., and Stämpfli, R. (1949) J. Physiol. 108: 315-339.

Hodgkin, A. L. (1937) J. Physiol. 90: 183 – 232.

Tasaki, I. (1982) Physiology and Electrochemistry of Nerve Fibers, Academic Press,New York.

See Also

Electrofysiologie, Neuron, Neuronale Exciteerbaarheid