1

Inleiding Biofysica

John van Opstal Deel 1: De Biofysica van het Neuron (wkn 1-4) Neurale Communicatie en Leren (5)

Deel 2: Lineaire Systeemtheorie Toepassing op Oogbewegingen (wkn. 6-8)

Bio-Moleculen

Netwerk SystemenMembraan Neuron

nanometerschaal micrometerschaal millimeterschaalcentimeterschaal

Coll 1 Coll 2 Coll 3-4 Coll 5 Coll 6-8

2

Collegestof:

• Syllabi: zie Blackboard onder Course Documents (deel 1 en deel 2)

• Uit ‘Neuroscience’ 3rd/4th/5th edition, Purves et al., Sinauer Assoc., MA, USA Hoofdstukken 1-5, 13 en 19 (pdf file van Ed. 3 boek evt. te downloaden)

• brainfacts.pdf een Neuroscience Primer

• Werkcollege opgaven (‘Assignments’ in BB) Inleveren werkcollege opgaven levert in totaal maximaal 1 extra bonuspunt op.

• Werkcolleges Maandag 15:45-17:30 of Vrijdag 10:45-12:30

Vrijdagen 12:45-13:45 vragenuur bij docent (kamer 0.10 afdeling Biofysica)

3

Basiskennis van de ‘topografie’ van het menselijk brein

7

Dwarsdoorsnede (mid-sagittale sectie) van het menselijk brein

8

Dwarsdoorsnede (coronale sectie) van het menselijk brein

9

Dwarsdoorsnede (andere coronale sectie) van het menselijk brein

10

Neocortex is gelaagd (I t/m VI). Lagen IV en V vormen input en outputvan de neocortex; de overige lagen vormen intra-corticale locale circuits.Ondanks de vele gespecialiseerde gebieden (Brodmann’s areas), is delocale circuitstructuur bijna overal hetzelfde.

11

De bouwstenen van het brein: - astrocyten - gliacellen - neuronen (vele verschillende typen)

12

Een aantal verschillende typen neuronen:

Cerebrale cortex Cerebellum

Retina-IIIRetina-IIRetina-I

hersenstam

13

Axon + myelineDe onderdelen v/e neuron

14

De onderdelen v/e neuron Synapsen en myeline

17

De onderdelen v/e neuron Axon met myeline en knoop van Ranvier

18

19

20

23

Structuur en functie: verschillende corticale gebiedenzijn betrokken bij verschillende functies. Bijvoorbeeld: verwerking en representatie van sensorischeinput. Hier de primaire somatosensorische cortex.

Concept: het receptieve veld van een neuron. = dié verzameling stimuli die het neuron doen vuren

de homunculusde somatosensorischemap

24

Receptief veld van een neuron

25

26

De transmissie van visuele informatie door het CZS

Ocular dominancekolommen (L,R)

L R

V1

V1

27

De visuele wereld wordt in multipele kaarten afgebeeld: V1 – V4

V1

V2

V3V4

Achterstedeel van hethumane brein

28

Meting van het receptieve veld van een neuron in de primaire visuele hersenschors (V1).

Dit neuron is gevoelig voor deoriëntatie van lijnelementenin een bepaald deel van de visuele omgeving (het visuele receptieve veld) .

De oriëntatiegevoeligheidvarieert op een systematischemanier tussen naburige ‘kolommen’in de visuele cortex, en isconstant binnen een kolom.

Hubel & Wiesel filmpjes

34

Membraan scheidt het intracellulaire medium van de buitenwereld.Membraan is semipermeabel voor specifieke ionen (Na+, K+, Cl-, Ca2+).Membraan is volledig permeabel voor watermoleculen.Tussen binnen- en buitenzijde van het membraan heerst een concentratieverschil voor de verschillende ionen.

Wat is hiervan het fysische gevolg?

Hoofdstuk 2: Fysische modelbeschrijving van de

electrische potentiaal over het celmembraan

35

De vier belangrijkste ionen voor neuronen:

36

De Wet van Fick voor diffusie van deeltjes in een inhomogene oplossing

∃Concentratiegradiënt in x-richting; c(x) = N(x)/(YZL)

Flux: D = diffusieconstante = L2/(2Δt)

Flux ≡ #deeltjes per tijdseenheid (∆t) door oppervlakte-eenheid (YZ)

N(x)N(x-L)

37

( ζ = wrijvingscoëfficiënt vd vloeistof)Wordt op het vragenuur behandeld

38

De Nernst vergelijking

Electrische energie v/e ion (valentie z) in electrisch veld (potentiaal V):

Boltzmann: in evenwicht is de kans om een ion in gebied i met potentiaal Vi te vinden:

Membraan: tweegebieden. Binnen (i)

en buiten (o).

De Nernst evenwichtspotentiaal(Doen we op vragenuur)

39

De Nernst evenwichtspotentiaal

IN OUTV=0,

c=20 mM/lV=-58 mV, c=400 mM/l

K+ K+

IN OUTV=+50 mV, C=440 mM/l

V=0 mV, C=50 mM/l

Na+ Na+

Electrostatische kracht

Entropische kracht Electrostatische kracht

Entropische kracht

40

Stel dat het membraan alleenK+ doorlaatbaar is (oranje). Welk potentiaalverschilontstaat er dan a.g.v. eenconcentratieverschil?

De Wet v Nernst:

Geen netto K+ fluxnetto K+ fluxvan 1 naar 2Potentiaalverschil

heft K+ flux op

41

En andersom: de membraanpotentiaalbeïnvloedt de ionconcentraties:

-58 mV is de evenwichtspotentiaal

Netto K+ flux van1 naar 2

Geen netto K+ flux

Netto K+ flux van 2 naar 1

42

Bij een actiepotentiaal verandert de membraanpotentiaal heelsnel, en dientengevolge ook de geleiding voor de Na en K ionen.

Het mechanisme hiervan komt in volgende college aan bod.

44

Deze week:

Bestudeer:• Purves: Hoofdstuk 1, Neuroscience Primer Syllabus: t/m pag. 24

Maak:• Werkcollege: Opg. 1 + 2 pag. 17/18 Opg. 1 - 3 pag. 32