HOOFDSTUK 5 : INFORMATIE-OVERDRACHT IN FYSIOLOGISCHE PROCESSEN

Hoofdstuk 5

Informatie-overdracht

___________________________________________________________________________________

HOOFDSTUK 5 : INFORMATIE-OVERDRACHT IN FYSIOLOGISCHE PROCESSEN.

5.1. Zenuwcorrelatie.

5.1.1. Functionele organisatie van het zenuwstelsel.

Anatomisch gezien wordt het zenuwstelsel ingedeeld in een centraal deel (centraal zenuwstelsel, CZS ; Eng. "central nervous system, CNS"), dat de hersenen en het ruggenmerg omvat, en een perifeer deel (perifeer zenuwstelsel, PZS ; Eng. "peripheral nervous system, PNS") dat bestaat uit al het zenuwweefsel buiten het CZS.

Functioneel gezien kan het zenuwstelsel worden ingedeeld in een somatisch deel, dat betrokken is bij vrijwillige acties, en een autonoom deel (Eng. "autonomic nervous system, ANS") dat controle uitvoert over een grote verscheidenheid aan onvrijwillige functies.

Histologisch gezien echter bestaat het ganse zenuwstelsel uit neuronen en hun ondersteuningsweefsel, met bepaalde variaties naargelang de plaats van voorkomen.

5.1.1.1. Neuronen. (fig. 5.1, 5.2, 5.3 en 5.4)

Alle neuronen hebben dezelfde basisstructuur :

· het grote cellichaam (soma) omvat de kern of nucleus, omgeven door cytoplasma. Dit laatste bevat lichtmicroscopisch zichtbare grote aggregaties ruw endoplasmatisch reticulum = stof van Nissl.

· vanuit het cellichaam stulpen twee types van uitlopers uit : één enkel axon en één of meerdere dendrieten. De dendrieten zijn sterk vertakte uitlopers die eindigen in gespecialiseerde sensorische receptoren of die synapse vormen met naburige neuronen (van dewelke ze stimuli ontvangen). Het axon vertrekt vanop een verdikking (axonheuvel ; Eng. "axon hillock") van het neuronlichaam en zet zich verder als een cylindrische buis van variabele lengte. Naar het einde splitst het axon zich in een aantal kleine takjes (collateralen): deze eindigen in zgn. eindknopjes bij een synaps en maken hier contact met andere neuronen (soma, dendriet of axon) of met een effectororgaan.

Over het algemeen zijn de cellichamen van alle neuronen gelokaliseerd in het CZS (d.i. de "grijze stof"), behalve de cellichamen van de meeste primaire sensorische neuronen en van de terminale effectorneuronen van het ANS (in dat geval zijn de cellichamen gegroepeerd in zgn. ganglia die op bepaalde plaatsen in de periferie van het lichaam gelegen zijn).

Naargelang de vorm kunnen bij de neuronen drie basistypes onderscheiden worden :

· multipolair neuron : een groot aantal dendrieten vertrekt vanop één plaats van het cellichaam of vanop het ganse cellichaamoppervlak (bvb. motorische neuronen)

· bipolair neuron : één enkele dendriet vertrekt vanop die pool van het cellichaam die zich net tegenover de aanzet van het axon bevindt (bvb. receptorneuron voor smaak, zicht en evenwicht)

· pseudo-unipolair neuron : één enkele dendriet en het axon vertrekken beide vanop een gemeenschappelijke stam op het cellichaam (t.g.v. fusie van hun begindelen tijdens de embryonale ontwikkeling) (bvb. meeste andere primaire sensorische neuronen)

Gemyeliniseerde en niet-gemyeliniseerde zenuwvezels :

T.h.v. het perifeer zenuwstelsel zijn alle axonen omgeven door gespecialiseerde cellen, de Schwanncellen, die zowel structurele als metabole ondersteuning geven aan de cel. De wijze waarop de Schwanncellen het axon omgeven is over het algemeen afhankelijk van de diameter van het axon :

· axonen met een kleine diameter (bvb. vezels van het ANS, kleine pijnvezels) zijn enkel omgeven door het cytoplasma van de Schwanncel (m.a.w. het axon ligt in een invaginatie van de plasmamembraan van de Schwanncel) : deze vezels zijn niet-gemyeliniseerd

· axonen met een grote diameter zijn omgeven door een aantal concentrische lagen van de plasmamembraan van de Schwanncel : het geheel van deze lagen vormt de myelineschede, de vezels zijn gemyeliniseerd.

T.h.v. het centraal zenuwstelsel gebeurt myelinisatie op een gelijkaardige manier, maar hier zijn het de oligodendrocyten die de myelineschede vormen.

Zoals eerder vermeld is bij gemyeliniseerde vezels de geleidingssnelheid hoger dan bij ongemyeliniseerde vezels met eenzelfde axondiameter.

Knoop van Ranvier :

De myelineschede van een individueel axon wordt gevormd door meerdere Schwanncellen (m.a.w. elke Schwanncel omgeeft slechts een klein segmentje van het axon). Tussen de opeenvolgende Schwanncellen is er telkens een kleine onderbreking in de myelineschede : deze ongemyeliniseerde stukjes noemt men de "knopen van Ranvier". Zoals eerder vermeld (zie : hoofdstuk 1, 1.4.2)kan de AP zich sprongsgewijze van de ene knoop naar de andere voortbewegen = saltatorische geleiding. De afstand tussen twee opeenvolgende knopen staat in evenredigheid tot de diameter van het axon (tussen 0,3 en 2 mm bij de grootste vezels). Saltatorische geleiding gebeurt met hogere snelheid en met minder energieverlies dan gewone progressieve geleiding en is dus meer efficiënt (evolutionair voordeel bij de hogere vertebraten).

Functies van de neuronen :

Alles-of-niets principe :

Elk neuron geleidt een impuls steeds aan dezelfde geleidingssnelheid en met dezelfde amplitude, ongeacht de sterkte van de uitlokkende prikkel. De energie voor een neuraal impuls ligt bij het neuron zelf : het wordt bepaald door de ladingsverschillen over de celmembraan en door verplaatsingen van ionen doorheen de membraan.

Wel kunnen er voor één bepaald neuron verschillen bestaan in het aantal impulsen per tijdseenheid en in de afstand tussen opeenvolgende impulsen : een sterke prikkel veroorzaakt een reeks impulsen die kort op elkaar volgen, terwijl een zwakke prikkel binnen eenzelfde tijdspanne minder impulsen zal voortbrengen (groter interval tussen twee opeenvolgende impulsen). Bovendien brengt een sterke prikkel de activiteit op gang in een groter aantal neuronen.

Drempel van respons :

Een neuron reageert niet op een prikkel die de drempelwaarde niet bereikt, terwijl elke prikkel die deze waarde wel overschrijdt, ongeacht hoe sterk, precies hetzelfde effect in het neuron teweegbrengt wat betreft geleidingssnelheid en amplitude van de impuls.

Wel kan de drempelwaarde wijzigen bij herhaalde stimulatie en kunnen een reeks (te) zwakke prikkels door summatie toch de drempelwaarde overschrijden.

Snelheid van geleiding :

Eénmaal een impuls gestart beweegt hij zich weg van de plaats van oorsprong aan een welbepaalde snelheid = geleidingssnelheid : deze snelheid is afhankelijk van de axondiameter en de myelinisatiegraad. Opm. : een ongemyeliniseerde vezel met grote axondiameter heeft een grotere geleidingssnelheid dan een gemyeliniseerde vezel met een kleinere diameter !

De AP moet continu "heropgefrist" of geregenereerd worden tijdens zijn voortbeweging over de zenuwvezel : dit gebeurt door kleine plaatselijke stroompjes die opgewekt worden tussen de actieve gedepolariseerde zone op het axon (negatieve lading aan de buitenzijde van de membraan) en de naburige nog niet geactiveerde zone (positieve lading aan de buitenzijde van de membraan). Deze stroompjes onttrekken lading (Na+) uit de omgeving, wat leidt tot (regeneratieve) depolarisatie van de naburige zone met het ontstaan van een nieuwe AP, enz…(zie ook : hoofdstuk 1, 1.4.2.).

Synapsen en neuromusculaire juncties (motorische eindplaten) :

Synapsen zijn hoog-gespecialiseerde intercellulaire juncties die de verbinding vormen tussen twee neuronen of tussen een neuron en een effectororgaan, zoals bvb. een spiervezel (in dit laatste geval spreekt men van een neuromusculaire junctie of motorische eindplaat). Over het algemeen vormt het axon van één neuron een synapse met een dendriet van een ander neuron, maar een synapse kan ook gevormd worden met het cellichaam of met het axon van een ander neuron. Ook dendriet-dendriet en cellichaam-cellichaam synapsen werden reeds beschreven. Bij een welbepaalde synapse gebeurt de prikkelgeleiding steeds in één richting, maar de respons kan excitatorisch of inhibitorisch zijn (zie ook : hoofdstuk 1).

De voortgeleiding van de zenuwimpuls over de synapse omvat de vrijstelling door exocytose van een chemische substantie, de neurotransmittor, die opgeslagen zit in microvesikels t.h.v. het eindknopje van de zenuwvezel en die diffundeert doorheen de smalle intercellulaire ruimte (synaptische spleet ; Eng. : synaptic cleft ; 20 à 30 nm breed) in de richting van de tegenoverliggende plasmamembraan. Hier binden de neurotransmittors op specifieke membraanreceptoren en oefenen zo een excitatorisch of inhibitorisch effect uit op het neuron of op de effector. Tussen twee opeenvolgende impulsen worden de neurotransmittors geïnactiveerd door hydrolytische en oxidatieve enzymen.

De chemische aard van de neurotransmittors en de morfologie van de synapsen vertoont grote verschillen naargelang de plaats van voorkomen in het zenuwstelsel. In het perifeer zenuwstelsel komen slechts twee typen neurotransmittor voor : acetylcholine en noradrenaline (of norepinefrine).

Voorbeeld : cholinergische synapse : acetylcholine (ACh) wordt gesynthetiseerd t.h.v. de mitochondriën in het presynaptisch eindknopje door acetylering van choline - de ACh-moleculen worden opgeslagen in kleine microvesikels : elke vesikel bevat zo'n 1000 ACh-moleculen - de neurotransmittor wordt vrijgesteld in kleine "pakketjes" of "quanta", waarbij elk quantum waarschijnlijk overeenkomt met de inhoud van één microvesikel - de neurotransmittor bindt op de receptoren t.h.v. de postsynaptische membraan, waarna een toename in de permeabiliteit van deze membraan optreedt - depolarisatie (excitatie : EPSP) van de postsynaptische membraan - verwijdering of inactivatie van ACh door acetylcholinesterase.

Aan de basis van een IPSP (inhibitorische postsynaptische potentiaal) ligt de binding van een neurotransmittor op receptoren van de postsynaptische membraan, waarna hyperpolarisatie van die membraan optreedt. Dit is het gevolg van een toename in permeabiliteit van de postsynaptische membraan voor kalium- en chloorionen (in plaats van voor natriumionen).

Neuromusculaire synapse : heeft dezelfde basisstructuur als andere synapsen, met enkele belangrijke bijkomende details :

· één motoneuron kan enkele tot een duizendtal spiervezels innerveren, afhankelijk van de precisie van beweging van de geïnnerveerde spier ; elk motoneuron en alle door dit neuron verzorgde spiervezels samen vormen een motorische eenheid. Hoe meer motorische eenheden een spier bezit, hoe meer de spieractiviteit genuanceerd kan worden. Hoe meer motorische eenheden in een spier geprikkeld worden, hoe meer kracht de spier kan opbrengen (door verhoging van de prikkelfrequentie kan de spierkracht maximaal verviervoudigd worden)

· het terminale deel van het axon van een motoneuron splitst in een aantal takken, die alle eindigen als motorische eindplaat op een afzonderlijke skeletspiervezel. Elke terminale tak is opgesplitst in een cluster van kleine bolvormige "zwellingen", die ieder afzonderlijk dezelfde basisstructuur hebben als de hoger beschreven synapse behalve wat de postsynaptische membraan betreft (zie volgend punt)

· de postsynaptische membraan van de neuromusculaire junctie is sterk geplooid en vormt zo secundaire synaptische spleten. Ook de presynaptische membraan is onregelmatig van vorm.

· prikkeloverdracht gebeurt d.m.v. acetylcholine. Vrijgemaakt ACh depolariseert de postsynaptische membraan door verhoging van de permeabiliteit voor natrium : er ontstaat dan een eindplaatpotentiaal (EPP), te vergelijken met een EPSP. Bij vrijstelling van voldoende quanta ACh kan de EPP zover verhoogd worden dat de drempelwaarde overschreden wordt : de daardoor gestarte AP kan zich uitbreiden over de ganse spiercel en leiden tot de contractie ervan.

· ACh wordt in de synaptische spleten door cholinesterase zeer snel weer gesplitst zodat een snelle repolarisatie mogelijk is

Opmerking : een aantal farmaca kunnen de chemische prikkeloverdracht t.h.v. de motorische eindplaat blokkeren, zodat spierzwakte en in extreme gevallen spierverlamming optreedt :

· curare : verdringt ACh van zijn receptoren (competitieve inhibitie) maar brengt zelf geen depolarisatie teweeg en wordt niet geïnactiveerd door cholinesterase. Dit leidt tot algemene spierrelaxatie. Het effect van curare kan worden opgeheven door toediening van cholinesteraseremmers : hierdoor wordt de lokale concentratie aan ACh verhoogd, zodat deze op zijn beurt het curare van de receptoren kan verdringen.

· succinylcholine, decamethonium : analogen van ACh, hebben wel een depolariserende werking maar worden veel langzamer afgebroken en veroorzaken dus blijvende depolarisatie : na initiële spiercontractie leidt dit ook tot spierverlamming

· Botuline-toxine : verhindert de synthese en vrijstelling van ACh in de synaptische spleet. Dit effect is irreversibel !

Reflexen :

Een reflex is een onvrijwillige activiteit van een effectororgaan (spier, klier), opgewekt na prikkeling van een receptor. Over het algemeen is de "reflexboog" opgebouwd uit vijf elementen :

· de receptor : ligt t.h.v. spier, viscera of huid

· afferente neuronen : cellichamen gelegen in het ganglion van de dorsale wortel (groep I A)

· interneuronen t.h.v. het ruggenmerg (in geval van de buigreflex)

· efferente neuronen : innerveren het effectororgaan (bvb. motoneuron voor de gestreepte spieren)

· de effector : gestreepte spier, gladde spier, hartspier, kliercel

(1) extensor druk-reflex : het uitoefenen van een druk op de palmaire of plantaire zijde van de voetzool van een hond veroorzaakt een uitgesproken strekking van het lidmaat door het gelijktijdig contraheren van extensoren en flexoren ; het signaal gaat uit van strekreceptoren in de spieren en cutane drukreceptoren t.h.v. de voetkussentjes ; reflex is van belang voor houdingsregulering

(2) buig- (of terugtrekkings- of vlucht)reflex : het toedienen van een schadelijke stimulus aan het distale deel van een lidmaat veroorzaakt een snel terugtrekken van dit lidmaat, weg van de stimulus (het gaat hierbij niet steeds om een flexie !). Werd de prikkel toegediend aan het lidmaatuiteinde, dan treedt de zgn. "gekruiste strekreflex" op : verslappen van de contralaterale (d.w.z. van het niet-geprikkelde lidmaat) buigers en strekken van de contralaterale strekkers : dit helpt om het receptororgaan nog meer van de schadelijke prikkel te verwijderen en beschermt tegen vallen.

(3) inverse myotactische reflex ("knipmesreflex"): wanneer een lidmaat onder dwang gebogen wordt, dan stijgt de spiertonus van de extensoren en daalt deze van de flexoren (= myotactische reflex, mr). Blijft de dwangmatige buiging voortduren, dan zal de extensortonus plots afnemen en de flexortonus toenemen m.a.w. het lidmaat gaat actief buigen (= inverse myotactische reflex, imr); het signaal voor de inverse myotactische reflex gaat uit van de Golgi peesorgaantjes (strekreceptoren in de pezen van spieren) : bij afwezigheid van actieve spiercontractie bestaat voor deze receptoren een veel hogere activiteitsdrempel dan voor de spierspoeltjes (strekreceptoren in de spieren), zodat de imr dan ook later optreedt dan de mr

(4) myotactische reflex : de enige reflexboog die slechts uit vier componenten bestaat ! Het gaat hier om een monosynaptische reflexboog, waarbij de afferente neuronen rechtstreeks synapse vormen met de efferente neuronen, zonder tussenkomst van interneuronen. Voorbeeld is de patellareflex : plotse uitrekking van een spier of zijn pees (bij kloppen op patellapees) veroorzaakt contractie van de uitgerekte spiervezels. Het gaat hier om een posturale reflex, vermits het dier erdoor in staat gesteld wordt zijn houding te bewaren : plotseling doorbuigen in het kniegewricht veroorzaakt uitrekking van de m.quadriceps en daardoor reflectorisch contractie van diezelfde spier om de lichaamsmassa op te vangen (men spreekt ook van "proprioceptieve reflex" vermits het optreedt binnen hetzelfde orgaan, dezelfde spier)

(5) krabreflex : het toedienen van cutane prikkels t.h.v. de huid van dorsale en laterale thoraxdelen lokt de krabreflex uit bij de hond : hierbij steunt het dier op één achterste lidmaat en voert het met het andere lidmaat een gerichte krabbeweging uit om de stimulus te kunnen verwijderen

5.1.1.2. Algemene opbouw van het zenuwstelsel. (fig. 5.5 en 5.6)

° het centraal zenuwstelsel bestaat uit de hersenen en het ruggenmerg : beide kunnen opgedeeld worden in zones met grijze stof (cellichamen van vnl. efferente neuronen) en zones met witte stof (axonen)

° het weefsel van het CZS bestaat uit een vast aantal neuronen omgeven door een massa (mechanisch en metabolisch) ondersteuningsweefsel, het neurogliaweefsel. Hierbij kunnen vier hoofdtypes van cellen onderscheiden worden :

· oligodendrocyt : cel met een klein aantal korte uitlopers ; staat in voor de myelinisatie van de axonen in het CZS (één enkele oligodendrocyt kan instaan voor de myelinisatie van zo'n 50 zenuwvezels) en is dus het predominante celtype t.h.v. de witte stof ; in de grijze stof komt ze voor in aggregaties rond de cellichamen van neuronen (structurele en metabolische ondersteuningsfunctie cfr. satellietcellen t.h.v. de perifere ganglia)

· astrocyt : stervormige cel met lange sterk vertakte uitlopers ; in de grijze stof maken de uiteinden van de uitlopers contact enerzijds met de basaalmembraan van capillairen (d.m.v. zgn. perivasculaire "voetjes") en anderzijds met een niet-synaptisch deel van de membraan van neuronen : wschl. mediëert deze cel een metabole uitwisseling tussen neuronen en bloed ; daarnaast levert ze ook een structurele ondersteuning van de neuronen en speelt ze een belangrijke rol bij het in stand houden van het osmotisch evenwicht van het zenuwweefsel en bij het herstel van CZSweefsel na beschadiging

· microglia : kleine cel met onregelmatige kern, weinig cytoplasma en dunne sterk vertakte uitlopers ; in respons op weefselbeschadiging verandert de cel in een amoeboïde fagocyt (maakt deel uit van het mononucleair fagocyterend systeem)

· ependymale cellen : vormen t.h.v. de ventrikels en het ruggenmergkanaal (of centraal kanaal) een éénlagig laag-cylindrisch epitheel ; aan de luminale zijde zijn de cellen onderling verbonden door de gebruikelijke intercellulaire juncties en bezitten ze cilia (propulsie van cerebrospinaalvocht) en microvilli (absorberende en secreterende functies) ; aan de basale zijde rusten ze niet op een basaalmembraan : het basale uiteinde van de cel versmalt en splitst op in een aantal fijne vertakkingen die zich verweven met een onderliggende laag uitlopers van astrocyten

° hersenen en ruggemerg worden beschermd tegen mechanische krachten door een beenderig omhulsel, een aantal membranen of meningen en een speciale vloeistof, het cerebrospinaal vocht (Eng. : cerebrospinal fluid, CSF) :

· tegen het zenuwweefsel aan ligt de dunne pia mater (fibroblasten en collageenvezels); daarop volgt de dikkere fibreuze arachnoidea-laag (spinnenwebachtige vezels die verbonden zijn met de pia mater ; pia + arachnoidea = leptomeninges); de buitenste laag is de dikke fibro-elastische dura mater (deze vergroeit t.h.v. de hersenen met het periost van de schedel maar laat t.h.v. het ruggenmerg een ruimte vrij, de epidurale ruimte)

· het cerebrospinaal vocht vult ongeveer 10% van de holten of ruimten in het CZS en speelt een belangrijke rol bij het in stand houden van de hydrostatische druk (deze bedraagt gewoonlijk tussen 0 en 18 cm H2O bij de meeste dieren), bij uitwisselingsprocessen van water, electrolyten en organische stoffen met bloed en bij de weerstand tegen infectie ; het wordt continu gevormd t.h.v. de choroïdale plexussen van de hersenventrikels en vloeit van hieruit in het ruggenmergkanaal en in de subarachnoidale ruimten rondom het ganse CZSweefsel ; reabsorptie in het (meer visceuze) bloed van de veneuze sinussen gebeurt via uitlopers van de arachnoidea, de arachnoidale villi.

° t.h.v. het ruggenmerg ligt de grijze stof centraal en bestaat ze vnl. uit de cellichamen van de efferente zenuwbanen en hun ondersteuningsweefsel :

· de kernen van de motoneuronen liggen in de ventrale hoorn (somatische motorische activiteit) en in de intermediolaterale celkolom (t.h.v. het thoracale, de bovenste lumbale en de sacrale delen van het ruggenmerg ; kernen voor visceraal efferent systeem)

· multipolaire zenuwcellen :° de type II Golgicellen hebben korte vertakkende axonen die de grijze stof niet verlaten. Via deze cellen kunnen afferente neuronen in contact gebracht worden met een reeks motoneuronen : daarom noemt men deze Golgicellen ook interneuronen

° de motoneuronen hebben een lang axon : deze axonen liggen buiten de grijze stof en vormen de perifere motorische zenuwvezels

° t.h.v. het ruggenmerg ligt de witte stof perifeer en bestaat ze uit bundels zenuwvezels (axonen) die in craniale of in caudale richting verlopen. De afferente vezels in de spinale zenuwen lopen naar het CZS toe en bevatten (1) dikke gemyeliniseerde vezels die impulsen aanbrengen vanuit de strekreceptoren en de spieren, (2) dunne gemyeliniseerde en niet-gemyeliniseerde vezels die impulsen aanbrengen vanuit pijn-, temperatuur- en tactiele receptoren : al deze vezels betreden de witte stof van het ruggenmerg via de dorsale wortel (Eng. "dorsal root"). De efferente vezels vertrekken via de ventrale wortel uit het ruggenmerg.

° de cellichamen van de afferente zenuwvezels liggen buiten het ruggenmerg nl. in de spinale ganglia (op het verloop van de dorsale wortels)

5.1.1.3. Bloed-hersenbarrière.

° bloed-hersenbarrière (Eng. : blood-brain barrier, BBB) wordt hfdz. gevormd door de hersencapillairen : (1) tight junctions tussen de endotheelcellen laten enkel ionen en kleine moleculen door en (2) daarnaast kunnen enkel vetoplosbare of door een carriër getransporteerde substanties het endotheel passeren

° de capillairen van de circumventriculaire organen, zoals de plexus choroideus, zijn wel poreus en laten dus snelle diffusie toe naar de omgevende interstitiële ruimte : er bestaat echter een bloed-CSVbarrière t.h.v. de membraan die de ventrikels aflijnt (opgebouwd uit ependymcellen : zie hoger) en die het verder binnendringen van grotere moleculen in het CZS verhindert

° rol van de boed-hersenbarrière : regulatie van het hersenmetabolisme, bescherming van het CZS tegen vreemde organismen en chemische substanties, bescherming tegen ongewenst contact met endogene moleculen (bvb. dopamine inhibeert reticulorumen activiteit, maar veroorzaakt gedragsveranderingen bij contact met CZSweefsel)

5.1.1.4. Sensorische receptoren en functies.

° gevoel = gewaarwording bij stimulatie van afferente zenuwen ; kan exteroceptief (met betrekking tot stimuli vanuit de buitenwereld) of interoceptief (of ook : proprioceptief d.i. met betrekking tot stimuli vanuit het lichaam zelf) zijn ; kan epicritisch (scherp gedefinieerd bvb. perceptie van een puntvormige prikkel t.h.v. uitstekend lichaamsdeel zoals neus, lippen, oren, voetzolen) of protopatisch (vaag gelokaliseerd bvb. diepe spierpijn) zijn

° receptororganen : hun taak bestaat erin de toegediende energie om te zetten in een patroon van zenuw-actiepotentialen, waardoor het CZS kan ingelicht worden over eventuele veranderingen in externe of interne omgeving

Classificatie van de receptoren :

° de energievorm waarvoor een bepaalde receptor het meest gevoelig is, is de "adequate" stimulus voor deze receptor bvb. voor de staafjes en kegeltjes in de retina van het oog is dit een lichtstraal. Op basis van deze adequate stimuli kunnen de receptoren ingedeeld worden in thermoreceptoren, mechanoreceptoren, chemoreceptoren en fotoreceptoren. Een vijfde groep receptoren omvat de zgn. nociceptoren of pijnreceptoren : ze zijn niet-selectief en reageren op elke stimulus in zoverre die sterk genoeg is om eventueel schade aan de weefsels te kunnen veroorzaken. Deze receptoren lokken een reflexactiviteit uit waardoor het organisme zich van de schadelijke stimulus zal verwijderen.

° op basis van hun functie kunnen de sensorische receptoren ingedeeld worden in drie groepen :

· exteroceptoren : geven respons op stimuli van buiten het lichaam bvb. tastzin, gehoor, smaakzin, reukzin, gezicht, lichte en sterke druk, cutane pijn, temperatuur

· proprioceptoren : gelokaliseerd in het skeletsysteem ; geven informatie over oriëntatie, positie, spierspanning en beweging ; bvb. spierspoeltjes, peesorgaantjes, vestibulair apparaat in het oor

· interoceptoren : geven respons op stimuli vanuit de viscera bvb. chemoreceptoren van het bloed, vasculaire baroreceptoren, strekreceptoren in holle organen zoals gastro-intestinum en urineblaas en receptoren voor weinig omschreven gevoelens als honger, dorst, viscerale pijn enz

Adaptatie en selectiviteit van receptoren.

° afhankelijk van de snelheid waarmee een receptor zich aanpast aan een volgehouden toediening van een adequate stimulus, spreekt men van een fasische (bvb. corpusculi) of een tonische (bvb. spierspoeltjes) receptor.

° over het algemeen zal, na het toedienen van een stimulus, de ontladingsfrequentie snel een piekwaarde bereiken en daarna afnemen (= dynamische fase van de respons). Hierop kan een langere periode volgen tijdens dewelke de ontladingsfrequentie langzaam afneemt (=statische fase).

Opm. : de intensiteit van de stimulatie bepaalt de ontladingsfrequentie : hoe sterker de prikkel, hoe hoger de receptorpotentiaal, hoe vaker een AP wordt opgewekt en verder geleid. De oorspronkelijke informatie is dus in de vorm van frequentie (aantal impulsen/sec) vastgelegd.

° de receptoren van de afferente vezels kunnen de drempelwaarde van de axonen voor één bepaalde soort stimulus verlagen : de receptoren kunnen nog door andere stimuli geprikkeld worden, maar de prikkelintensiteit moet dan wel hoger zijn om de drempelwaarde te kunnen overschrijden bvb. thermische receptoren kunnen ook mechanisch geprikkeld worden, maar hiervoor is een 2000 maal sterkere stimulus nodig dan bij thermische prikkeling

° t.h.v. de (harige) huid van aap, kat en konijn zijn drie mechanoreceptoren met duidelijk onderscheiden functie te herkennen :

· lichaampjes van Pacini : vnl. gevoelig aan vibraties ; snelle adaptatie

· haarwortelreceptoren : reageren op bewegingen van de haren (aanraking), waarbij het niet zozeer gaat om de intensiteit van de prikkeling maar wel om de snelheid van verandering in prikkeling

· tastlichaampjes van Merkel (= niet-neurale elementen !) in combinatie met vrije zenuwuiteinden : worden geprikkeld door verschillende drukbelastingen (impulsfrequentie evenredig met druk van het gewicht)

Daarnaast zijn nog andere afferente receptoren, zoals thermoreceptoren en nociceptoren aanwezig t.h.v. de huid :

· thermoreceptoren : in te delen in twee grote groepen : de warmte- en de koudereceptoren. Koudereceptoren worden geprikkeld door een daling in huidtemperatuur en onderdrukt door een temperatuursstijging, terwijl warmtereceptoren omgekeerd reageren. Eigenschappen van deze receptoren zijn : (1) onveranderde impulsfrequentie bij constante temperatuur, (2) toenemende frequentie bij temperatuursverandering, (3) relatieve ongevoeligheid voor mechanische stimulatie en (4) klein receptief veld

· cutane nociceptoren : worden zowel door hoge als door lage temperatuur en door intense mechanische stimuli geprikkeld ; klein receptief veld (( 1 cm2) ; respons neemt af wanneer de prikkel aan een relatief hoge frequentie wordt toegediend (interval kleiner dan 30 sec)

Addendum : receptoren t.h.v. buik- en bekkenorganen :

· mucosale receptoren : liggen in of net onder het mucosa-epitheel van maag en dundarm ; snel adapterende mechanoreceptoren ; deze en andere epitheliale receptoren reageren ook op bepaalde chemische prikkels

· strekreceptoren : komen voor t.h.v. maag en dundarm bij kat en rat, voormaag bij het schaap en urineblaas bij de kat ; sensoren voor de vullingsgraad van het holle orgaan en voor de effectiviteit van spiercontractie bij het ledigen ervan

· serosa-receptoren : gelegen in het mesenterium of onder de serosa van een orgaan bvb. uterus, maag, darmen,…; gevoelig aan veranderingen in vullingsgraad van deze organen (gaat gepaard met verplaatsing van mesenteriumaanhechting)

Over het algemeen zijn viscerale gewaarwordingen eerder vaag doordat :

· er een convergentie bestaat van viscerale afferente signalen in het CZS

· elk receptortype t.h.v. de viscera door verschillende stimuli geprikkeld kan worden

· één bepaalde prikkel (wschl.) meer dan één receptortype kan prikkelen

Sensorische functies van de cerebrale cortex. (fig. 5.7 en 5.8)

Het CZS krijgt informatie uit de omgeving via huidreceptoren en via de hogere zintuigen , en informatie over het eigen lichaam via spier-, pees- en gewrichtsreceptoren : de signalen uit genoemde receptoren bereiken het ruggenmerg via de dorsale wortel en lopen via een aantal corticospinale banen centraalwaarts (thalamus en kleine hersenen). In de thalamus worden de afferente banen omgeschakeld op een "derde" neuron dat de cerebrale cortex (schors van de grote hersenen) bereikt : het gaat hierbij om specifieke thalamus-cortexverbindingen (= projectiebanen), zodat ieder deel van het lichaam zijn eigen specifiek schorsveld (projectieveld of primair sensorisch gebied) heeft = somatotopische opbouw van de hersenschors. De voorstelling van het lichaam t.h.v. het ventrobasaal kernencomplex van de thalamus is niet lineair maar hangt samen met de graad van innervatie van de verschillende lichaamsdelen : het lichaam wordt hierdoor als een misvormd beeld geprojecteerd. Door t.h.v. de hersencortex alle punten uit te tekenen die overeenkomen met gestimuleerde punten t.h.v. het huidoppervlak verkrijgt men een beeld van het contralateraal lichaamsoppervlak : de "homunculus"(mens), “felunculus” (kat), “canunculus” (hond),…: het is eveneens een vertekend beeld waarbij sommige lichaamsdelen een uitgebreide weergave hebben over een groot deel van de hersencortex, terwijl andere delen slechts een minimale corticale weergave bezitten (bvb. bij ungulaten zenden enkel receptoren uit lippen en snuit impulsen naar de cortex).

Addendum : opiaatreceptoren t.h.v. het CZS :

° mu (() receptoren : worden geactiveerd door de klassieke opiaatalkaloiden ; zijn afwezig in het grootste deel van de hypothalamus ; mogelijk actief bij het moduleren van pijngewaarwording en bij sensorimotorische integratie

° delta (() receptoren : afwezig in het diencephalon en de hersenstam ; mogelijk actief bij motorische integratie, reuk en cognitie

° kappa (() receptoren : binden drugs van de ketocyclazine groep ; vnl. aanwezig t.h.v. diencephalon, basale ganglia en delen van het limbisch systeem ; betrokken bij regulering van waterbalans, voederopname, neuro-endocriene functies en pijnperceptie

Er bestaan grote interspecies-verschillen wat betreft verdeling en densiteit van deze receptoren en van hun agonisten (opioide peptiden) : wschl. verklaart dit de grote verschillen in respons (functioneel en gedragsmatig) op toediening van opiaten bij de verschillende species.

Bij dieren neemt het gehalte aan opioide peptiden toe o.a. bij fysieke inspanning en bij bepaalde acupunctuurtechnieken om pijn te verlichten.

5.1.1.5. Motorische functies. (fig. 5.9)

Hersencontrole over motorische activiteit.

Verschillende hersengebieden oefenen controle uit over motorische activiteit. Gemakshalve worden ze onderverdeeld in twee grote groepen, hoewel ze noch anatomisch noch functioneel duidelijk van elkaar gescheiden zijn. Beide werken samen bij de coördinatie van de skeletspieractiviteit :

Pyramidaal systeem (monosynaptische corticospinale banen) :

° de tractus corticospinalis bestaat uit neuronen met descenderende axonen die samen de bulbaire pyramiden vormen - cellichamen zijn gelegen in de cerebrale frontale (motor)cortex, o.a. de grote pyramidale Betz-cellen

° een deel van de vezels uit de motorcortex eindigen bij motorische kernen van de hersenstam, nog vóór ze de pyramiden bereikt hebben

° de meeste vezels van de tractus corticospinalis zijn dun en niet-gemyeliniseerd ; slechts zo'n 2% van de tractus bestaat uit grote gemyeliniseerde vezels (cellichamen = wschl. Betz-cellen)

° de tractus corticospinalis verloopt vanuit de cortex via de capsula interna en de cerebrale pedunculi naar de pyramiden van de hersenstam en vandaar naar het ruggenmerg - de vezels decusseren (kruisen) vooraleer ze het ruggenmerg bereiken : een meerderheid kruist in de medulla en vormt zo de decussatio pyramidalis, de overige vezels kruisen t.h.v. het ruggenmerg, wschl. in de buurt van hun eindpunt

° vezels van de tractus corticospinalis eindigen nooit rechtstreeks maar steeds via de tussenkomst van interneuronen op de motorische (-motoneuronen (behalve bij primaten) : deze interneuronen zijn excitatorisch voor de buigspieren en inhibitorisch voor de strekspieren

° functies van het pyramide-systeem :

· initiatie van een vrijwillige activiteit van het motorisch syteem

· behoud van spiertonus ter ondersteuning van het lichaam (tegen inwerking van zwaartekracht in), zodat vanuit deze positie een vrijwillige activiteit gestart kan worden

· controle van spieractiviteit in verband met viscerale functies (respiratoir, cardiovasculair en excretorisch)

Extrapyramidaal systeem (multisynaptische corticospinale banen) :

° omvat alle motorische mechanismen van de hersenen, uitgezonderd deze die tot het pyramidaal systeem behoren (alhoewel deze scheiding eerder artificieel is) : nucleus caudatus, putamen, globus pallidus, substantia nigra, nucleus ruber, nucleus subthalamicus, thalamus, colliculus rostralis en formatio reticularis

° verschillende van hoger genoemde kernen ontvangen vezels van het voorste derde deel van de cerebrale cortex (dus van hetzelfde gebied waar de pyramidebanen hun oorsprong hebben) nl. formatio reticularis en nucleus ruber - ze projecteren rechtstreeks naar het ruggenmerg via de tractus corticoreticulospinalis

° vezels naar de overige kernen zijn afkomstig van andere cortexgebieden - ze projecteren niet rechtstreeks naar het ruggenmerg maar wel naar andere delen van het CZS (die wel naar het ruggenmerg verlopen) of naar het cerebellum, waar controle op motorische activiteit plaatsvindt

° de meeste kernen van het extrapyramidaal systeem ontvangen afferente vezels van verschillende sensorische systemen : de ontvangen informatie wordt in de kernen geïntegreerd met andere informatie om zo tot een gepaste respons (motorische activiteit) te komen

° het extrapyramidaal systeem moduleert de spiertonus via controle over de myotactische en posturale reflexen

Opm. : posturale reflexen kunnen ingedeeld worden in twee groepen : (1) ondersteuningsreflexen : beïnvloeden skeletspieractiviteit zodanig dat de ledematen "steunpilaren" worden die weerstandig zijn aan de zwaartekracht, en (2) houdingsreflexen : beïnvloeden spieractiviteit zodanig dat het lichaam een positie aanneemt die geschikt is om bepaalde bewegingen te kunnen uitvoeren. Twee types receptororganen, de nek en het labyrint, zijn hierbij werkzaam : (1) tonische nekreflex : bvb. kat die opkijkt naar een vogel in een boom : voorpoten gestrekt ter ondersteuning van de voorzijde van het lichaam, achterste poten gebogen in zithouding ; (2) tonische labyrintreflex : evenwichts- en versnellingsinformatie uit het labyrint zorgt voor een correctie van de houding tot een normale staande positie bvb. val van een kat vanuit ruglig : dankzij de tonische labyrintreflex gaat het hoofd t.o.v. de nek roteren - dit initieert de tonische nekreflex zodat ook de rest van het lichaam gaat roteren om weer tot een normale rechtstaande houding te komen (vallende kat komt altijd op haar pootjes terecht !)

Spiervezeltypes en spiermoeheid.

° de skeletspieren vormen een belangrijke component van het karkas van vleesproducerende dieren : het groeipotentieel van een spier wordt vnl. in utero bepaald - het aantal spiervezels bij de geboorte geeft een indicatie van het potentiële postnatale groeivermogen, vermits de postnatale groei beperkt blijft tot een hypertrofie van de op dat ogenblik aanwezige spiervezels (deze hypertrofie wordt begrensd door het punt waarop de spiervezels die grootte hebben bereikt waarbij ze nog net efficiënt kunnen functioneren)

° de contractiele eigenschappen van spiervezels staan in verband met hun myosine-ATPase activiteit : op basis hiervan worden één "slow-twitch"spiervezel (type I) en twee "fast-twitch"spiervezels (type IIA en IIB) onderscheiden

° een andere indeling is gebaseerd op de contractiele eigenschappen van de spiervezels, tesamen met hun oxidatieve capaciteiten :

· "slow-twitch high-oxidative"vezels : vooral bij uithoudingsprestaties (vezels meer bestand tegen uitputting); trage contracties ; energie vnl. uit aëroob metabolisme

· "fast-twitch high-oxidative"vezels

· "fast-twitch low-oxidative"vezels : type II spiervezels meer geschikt voor het ontwikkelen van snelheid, doordat frequente contracties mogelijk zijn ; snelle uitputting ; energie bijna uitsluitend vanuit anaërobe metabolisme

° voor het ontwikkelen van kracht is de diameter van de spiervezel en het aantal spiervezels per spier van belang : training heeft geen invloed op het spiervezeltype of op het aantal spiervezels, maar wel op bepaalde metabolische karakteristieken en op de grootte (diameter) van de spiervezels

° spiermoeheid wordt hfdz. bepaald door twee mechanismen : uitputting van de glycogeenvoorraad en opstapeling van melkzuur.

Opm. : de directe energiebron voor spiercontractie is het ATP (adenosinetrifosfaat) : verbruikt ATP wordt geregenereerd via drie processen : (1) splitsing van creatininefosfaat (CP), een snel beschikbare maar zeer beperkte energiebron, (2) anaërobe afbraak van glycogeen (glycolyse) tot op het stadium van melkzuur en (3) oxidatieve fosforylering (aërobe verbranding van glucose), een traag en O2-afhankelijk proces. Bij (2) zorgt het melkzuur voor een pH-daling in de spier waardoor de voor spiercontractie noodzakelijke chemische reacties geremd worden en er spiervermoeidheid optreedt. Bovendien gaat het organisme een O2-schuld aan die tijdens een aansluitende rustpauze weer ingelost moet worden.

° bij snelheden waarbij alle energie (onder vorm van ATP) verkregen wordt via aërobe energiewinning zijn glycogeen en vrije vetzuren (Eng. : free fatty acids, FFA) de brandstoffen : eens de glycogeenvoorraad uitgeput is de intensiteit van de geleverde prestatie afhankelijk van de hoeveelheid FFA die ter beschikking staan van de spiervezels.

5.1.2. Hogere hersenfuncties en biologische basis van gedrag.

5.1.2.1. Tactiele en kinesthetische sensorische functies. (fig. 5.10.a)

° tactiele signalen komen vanuit drie types receptororganen : peritrichale plexus (reageert op ombuiging van haren), drukreceptoren in de huid (corpusculi van Pacini, corpusculi van Meissner en vrije zenuwuiteinden) en huidreceptoren gevoelig voor vibraties

° receptoren van het vestibulair apparaat : haarcellen in de ampulla van de semicirculaire kanalen van het binnenoor en haarcellen geassocieerd met otolieten in de maculae van het labyrint ; van belang bij de standreflexen (zie hoger)

° varkenssnuit : uitstekend ontwikkelde reukzin en belangrijk tactiel en effectororgaan (cfr. handen bij de mens !)

5.1.2.2. Geur- en smaaksysteem. (tab. 5.1)

°geurreceptororganen gelegen in het caudodorsale deel van de nasale mucosa (olfactorische mucosa) : het geheel der axonen vormt de nervi olfactorii (vezels van deze zenuwen zijn de dunste van het ganse zoogdierzenuwstelsel nl. met diameter 0,2 (m)

° het orgaan van Jacobson (organum vomeronasale), dat verantwoordelijk is voor het opkrullen van de bovenlip (flemen) bij paard en rundvee, maakt ook deel uit van het olfactorisch systeem : het is een receptor voor seksuele signalen bij de zoogdieren (via speciale moleculen, de zgn. feromonen)

° reukzin is zeer belangrijk bij de meeste diersoorten o.a. bij het herkennen van individuen van eenzelfde of van een andere species, bij het waarnemen van de sexuele cyclusstand, bij het waarnemen van territoriumafbakening (met klier- of andere lichaamssecreties) door een rivaal enz…

° de vier smaken die door de mens waargenomen kunnen worden, zuur - zoet - zout - bitter, worden niet noodzakelijk ook (of op eenzelfde manier) door het dier ervaren :

· "water"vezels : sensorische zenuwvezels die reageren op gedistilleerd water (via het receptororgaan = smaakpapillen) ; aanwezig bij kat, hond, kip, aap, varken en duif maar niet bij geit, schaap, kalf en rat of bij mens

· "zout"smaakvezels : rodentia (cavia, hamster, rat) worden meer geprikkeld bij smaken van NaCl dan bij KCl, terwijl het omgekeerde geldt voor carnivoren

· "zuur"smaakvezels : geprikkeld door hoge concentraties waterstofionen (gevoeligheid is pH-afhankelijk : drempel-pH is 3 à 4 ; een oplossing van een sterk zuur prikkelt meer dan een oplossing van een zwak zuur, aangezien dit laatste minder gedissocieerd is)

· "bitter"smaakvezels : geprikkeld door o.a. alkaloïden bvb. quinine, cafeïne en strychnine

· "zoet"smaakvezels : reageren op oplossingen die organische substanties bevatten bvb. koolhydraten (D-fructose), maar ook aldehyden, ketonen, aminozuren en synthetische zoetmakers zoals saccharine ; complexe moleculen zoals saccharine kunnen meer dan één vezeltype prikkelen (nl. zoet en bitter)

5.1.2.3. Visueel systeem. (fig. 5.10.b)

° receptororgaan = oog : bestaat uit twee hemisferen :

· kleine voorste hemisfeer = transparante cornea waar het licht doorheen valt en op de retina terechtkomt

· grotere achterste hemisfeer : bestaat uit drie lagen nl. (van binnen naar buiten) retina (bevat fotoreceptoren), choroïd (bevat bloedvaten) en sclera (beschermende bindweefsellaag)

· de lichtgevoelige receptoren van het netvlies of de retina zijn de staafjes en de kegeltjes (Eng. : rods and cones) : de kegeltjes worden gebruikt voor het (kleuren)zien van details bij heldere belichting = fotopisch zicht, terwijl de staafjes dienen voor het (zwart-wit)zien in de schemering = scotopisch zicht of schemerzicht (dit laatste met verlies van gezichtsscherpte)

· de staafjes en kegeltjes bevatten de gezichtskleurstoffen zoals het rhodopsine (staafjesrood) : deze komen tussen in de omzetting van een lichtprikkel in een elektrisch signaal

° verloop van de gezichtsbaan : nervus opticus - chiasma opticum (kruising van gezichtvezels in min of meerdere mate bvb. complete kruising bij vogels maar minder dan 10% bij paard en konijn) - tractus opticus - corpus geniculatum laterale (thalamus) - primaire visuele cortex (t.h.v. occipitale kwab van het cerebellum) ; vanuit het corpus geniculatum lopen ook banen naar de colliculi rostrales en caudales, naar de formatio reticularis , de oogspierkernen enz : hierlangs lopen de pupilreflex, de reflexen voor de regulering van de oogbewegingen, enz

° kleurenzien :

· varken : nemen licht waar binnen hetzelfde spectrum (( 420 nm tot 760 nm) als de mens en wschl. zelfs daarbuiten

· vogels bvb. duif : kunnen licht onderscheiden met golflengten in de buurt van het ultraviolet (onzichtbaar voor de mens) en hebben dus een beter kleurenzicht

· zoogdieren : kleurenzicht cfr. mens met kleurenblindheid bvb. grondeekhoorn en wschl. ook hond en kat nemen kleuren waar zoals een mens met rood-groen-kleurenblindheid

° opm. : de colliculus ontvangt ook informatie via somatische en acoustische afferenten bvb. bij de kat is de colliculus betrokken bij visueel geleid gedrag (oriëntatie en spoorlopen)

° in de retina bevindt zich de fovea centralis, een plaats die uitsluitend kegeltjes bevat en daardoor de grootste gezichtsscherpte heeft - deze fovea heeft een vergrote weergave t.h.v. de colliculus, wat vooral van belang is voor het binoculair zicht

(zie ook : studentenseminaries)

5.1.2.4. Gehoor- en evenwichtssysteem.

° de receptororganen van het vestibulair (evenwichts)systeem zijn gelegen in het binnenoor nl. de drie loodrecht op elkaar staande halfcirkelvormige kanalen, die in hun ampullen een kam (crista ampullaris) met zintuigcellen (= haarcellen, bedekt met stereociliën : deze liggen ingebed in een gelatineuze laag = cupula) bevatten, en de sacculus en utriculus (bevatten gelijkaardige haarcellen ; de gelatineuze laag bevat hier calciumcarbonaatkristallen = otolieten)

° afferente impulsen lopen via bipolaire neuronen, met cellichaam gelegen in het ganglion vestibulare, langs het vestibulaire deel van de achtste craniale zenuw (n.VIII = n.vestibulocochlearis) naar de hersenstam, het cerebellum en de cerebrale cortex waar sensorische informatie vanuit verschillende bronnen geïntegreerd wordt met als doel het oriënteren in de ruimte en het behoud van het evenwicht

° de receptororganen van het gehoorsysteem zijn ook gelegen in het binnenoor nl. in het slakkenhuis (cochlea) : hierin bevinden zich de gespecialiseerde orgaantjes van Corti met de zintuigcellen (= haarcellen) die reageren op geluidsgolven

° de gehoorbaan verloopt via het ganglion spirale en de nucleus cochlearis (pons) naar de colliculi caudales en het corpus geniculatum mediale (thalamus) en vandaar naar de primaire gehoorschors in de temporale kwab van de hersenen

(zie ook : studentenseminaries)

5.1.2.5. Slaap en slaappatronen bij mens en dier. (fig. 5.11.a-b, tab. 5.2)

° toestand gekenmerkt door een karakteristieke relatief onbeweeglijke houding en een verminderde maar snel omkeerbare gevoeligheid voor externe stimuli

° slaapcyclus : een karakteristieke fase van de slaap is gekenmerkt door het voorkomen van een gesynchroniseerd HVSA-type ("high voltage, slow wave" nl. 1 tot 5 Herz en 200 (V) van electro-encefalogram (EEG), daarom spreekt men ook van trage-golf slaap (Eng. : slow-wave sleep, SWS) of gedesactiveerde slaap ; deze wordt afgewisseld met fasen van diepe of paradoxale slaap (PS) waarvan de golflengte en het voltage niet verschillen van de waarden waargenomen in waaktoestand (nl. 25 tot 27 Hz en 50 (V) : men spreekt ook van asynchrone slaap of REM-slaap (met voorkomen van snelle oogbewegingen of "Rapid Eye Movements")

° rol van de formatio reticularis : de slaaptoestand wordt geïnduceerd door verminderde sensorische corticopetale inwerkingen op de cortex, terwijl de waaktoestand ontstaat door toename van deze sensorische prikkels. Bij de kat kan slaap actief geïnduceerd worden door elektrische stimulatie van thalamische kernen via permanent ingeplante elektroden : het dier vertoont verminderde spieractiviteit, zoekt een rustplaats op, rolt zich op een bolletje en schijnt in een natuurlijke slaaptoestand te verkeren. Een gelijkaardige reactie kan worden verkregen door injectie van acetylcholine in een bepaald gebied van de hersenstam.

° selectieve slaapberoving : rechtstaande koeien kennen SWS-slaap maar geen REM-slaap. Dit laatste type vindt wel plaats 's nachts wanneer de dieren kunnen neerliggen. Bij ruminantia wordt de tijd beschikbaar voor slaap beperkt door de noodzakelijkheid om voeder op te nemen (8 u/dag). Partiële slaapberoving door geforceerd rechtstaan 's nachts verhindert de nachtelijke REM-slaap maar laat nog REM-slaap overdag toe (als het dier dan kan gaan liggen). Bij langdurige partiële slaapberoving (8 weken) neemt de hoeveelheid REM-slaap sterk af (van 1,8 naar 0,4%) en neemt de hoeveelheid SWS-slaap toe (van 12,1 naar 17%) : deze laatste wordt opgedeeld in microcycli van 2 tot 5 minuten, afgewisseld met korte waakfasen (gekenmerkt door stereotypische orale bewegingen). Voederopname beslaat alle beschikbare vrije tijd (4 u/dag). Wordt het dier gedurende 20 u/dag verhinderd neer te liggen en wordt de toegang tot het voeder beperkt tot de overblijvende 4 uren, dan neemt de voederopnamesnelheid toe en wordt de helft van de vrije tijd besteedt aan REM-slaap (tijdens neerliggen ; na een aanpassingsperiode blijkt de tijd besteed aan REM-slaap even lang als onder normale condities). Wordt nu de toegang tot het voeder beperkt tot 2 u/dag (minder dan noodzakelijk om in normale behoefte te kunnen voorzien) dan treedt een gewichtsverlies op dat vergelijkbaar is met het gewichtsverlies bij dieren die eenzelfde hoeveelheid voeder ter beschikking hebben maar die niet aan slaapberoving onderworpen zijn.

° vergelijking van slaappatronen bij huisdieren : natuurlijke selectie heeft de ontwikkeling van lang-slapende prooidieren verhinderd vermits deze dan niet snel genoeg wakker zouden worden om aan hun predatoren te ontsnappen - slaap komt enkel voor bij hogere diersoorten en niet bij bvb. amfibieën - jonge dieren slapen meer dan oudere dieren van dezelfde species en het grootste deel van deze slaap bestaat uit REM-slaap (bvb. lam van 8 dagen oud slaapt ongeveer de helft van de tijd en 15% hiervan is REM-slaap) : het aandeel van de REM-slaap neemt af bij het ouder worden ; reeds in utero is het aandeel van de REM-slaap zeer hoog (bvb. bij een kalverfoetus op 30 dagen vóór de partus bestaat de slaap voor de helft uit REM-slaap) - paard, rund en schaap slapen vnl. 's nachts terwijl het varken ook overdag veel tijd met slapen doorbrengt ; bij het paard bestaat het grootste deel van de slaap uit REM-slaap

° aan slaap verwante toestanden :

· hypnose : (Eng. ook "immobility reflex") een unieke toestand van onbeweeglijkheid en relatief gebrek aan reactievermogen die getriggerd kan worden door verschillende vormen van stimulatie - deze toestand kan spontaan of door visuele, auditieve of tactiele stimulatie worden beëindigd. Het meest kenmerkend is de onbeweeglijkheid die wschl. een reflex is aangezien het gaat om een specifieke stereotiepe onvrijwillige en niet-geconditioneerde respons op welbepaalde stimuli bvb. bij een konijn dat op z'n rug gelegd wordt houdt men de ledematen voor een korte periode in bedwang (= stimulus) - laat men daarna zeer voorzichtig de ledematen los, dan blijft het dier in hypnose liggen

· overwintering : dieren die overwinteren worden tijdelijk poikilotherm d.w.z. met een lichaamstemperatuur in de buurt van deze van hun (koude) omgeving - in tegenstelling tot echte poikilotherme dieren, gaan overwinteraars hun hoge lichaamstemperatuur hernemen onder gunstige omstandigheden en bij activiteit - tijdens de winterslaap vinden fysiologische veranderingen plaats zoals daling van het metabolisme, daling van hart- en ademhalingsritme en daling van bloeddruk en elektrische hersenactiviteit - opm. : overwinterende dieren slaan vooraf een grote vetreserve op (bruin vet) ; kleine dieren zoals marmot en hamster kunnen geen voldoende grote reserve aanleggen en moeten af en toe ontwaken om voeder op te nemen ; pseudo-overwinteraars zoals de beer slapen wel gedurende het grootste deel van de winter maar kunnen snel ontwaken - ook hun lichaamstemperatuur is slechts licht gedaald

· anesthesie : de meest gebruikte anesthetica zijn de barbituraten (via injectie) en halothaan (via inhalatie) : het zijn lipofiele stoffen met een hoge vetoplosbaarheid die gemakkelijk de bloed-hersen-barrière kunnen passeren

(zie ook : studentenseminaries)

5.1.2.6. Pijn.

Zie : studentenseminaries

5.1.2.7. Geheugen, leren en intelligentie.

Zie : studentenseminaries

5.1.3. Het autonoom zenuwstelsel.

° het autonome (d.i. onttrokken aan willekeurige controle) of vegetatieve zenuwstelsel verzorgt de regeling van de orgaanfuncties in het lichaam, past ze aan de heersende behoefte aan en controleert het inwendig milieu. In de lichaamsperiferie bestaat een sterke scheiding tussen het somatische en het autonome zenuwstelsel, zowel functioneel als anatomisch, maar t.h.v. het CZS bestaan er tussen beide nauwe verbindingen.

° het perifere autonome zenuwstelsel bestaat uit twee delen die zowel anatomisch als functioneel sterk gescheiden zijn : de (ortho)sympathicus en de parasympathicus (zie ook verder : 5.1.3.1.)

° werking : afferente vezels melden pijnprikkels en prikkels vanuit intestinum, urineblaas en vaatstelsel - efferente vezels gaan als reflexantwoord de werking van het hart, van de klieren of de gladde spieren van verschillende organen (oog, long, intestinum, blaas,…), reguleren. Eenvoudige reflexen kunnen binnen eenzelfde orgaan verlopen terwijl complexe mechanismen onder invloed staan van vegetatieve centra in het CZS (bovenste integratiecentrum = hypothalamus). De vegetatieve centra van de sympathicus liggen t.h.v. het thoracale en het lumbale ruggenmerg, deze van de parasympathicus t.h.v. de hersenstam (voor ogen, klieren en de door n.vagus geïnnerveerde organen ; Eng. "cranial outflow") of t.h.v. het sacrale merg (voor urineblaas, dikdarm en geslachtsorganen ; Eng. "sacral outflow).

° de efferente vezels bestaan uit een preganglionair deel dat in de gangliën op een postganglionair deel wordt overgeschakeld. De preganglionaire vezels van de sympathicus eindigen in de grensstreng (truncus sympaticus : de ketenvormige aaneenschakeling van gangliën laat toe dat één bepaald neuron contact kan maken met een groot aantal neuronen via ascenderende of descenderende banen : dit kan leiden tot een brede waaier aan effecten), in de hals- of buikgangliën of in de zgn. terminale gangliën. De gangliën van de parasympathicus eindigen in of nabij het geïnnerveerde orgaan.

° bij de sympathicus vindt de signaaloverdracht in de gangliën cholinergisch (met transmittorstof acetylcholine) plaats, in het eindorgaan adrenergisch (transmittorstof noradrenaline ; behalve bij zweetklieren) ; bij de parasympathicus is de transmittorstof zowel in het ganglion als in het eindorgaan acetylcholine

° de meeste organen worden zowel ortho- als parasympathisch geïnnerveerd, waarbij beide systemen een tegengestelde (= antagonistische, bvb. op het hart) of een gelijke werking (bvb. bij de speekselklieren) kunnen uitoefenen

° bijzondere situatie t.h.v. het bijniermerg : preganglionaire vezels van de sympathicus lokken de vrijstelling van de bijniermerghormonen adrenaline en noradrenaline (verzamelnaam : catecholaminen) uit

5.1.3.1. Sympathisch (S) en parasympathisch (PS) zenuwstelsel. (fig. 5.12, 5.13, 5.14, 5.15.a-b)

° stimulatie van de sympathicus lokt responsen uit die het lichaam in gereedheid brengen om het hoofd te bieden aan noodsituaties (Eng. : fear - fright - fight - flight), terwijl tegelijk onnodige functies onderdrukt worden :

· pupildilatatie

· bloedsuikerspiegel stijgt

· hartritme stijgt

· spierdoorbloeding neemt toe ; doorbloeding van intestinum en nieren neemt af

· t.h.v. de huid : constrictie van huidbloedvaten, pilo-erectie, zweetsecretie

Hogere hersencentra hebben een inhibitorische invloed op de hypothalamische sympathische centra : verwijdering van de voorhersenen bij dieren lokt agressief gedrag uit (Eng. "sham rage": schijnagressie), tesamen met andere veralgemeende sympathische effecten.

° bij de parasympathicus is de mogelijkheid tot het bereiken van uiteenlopende effecten beperkt door de manier waarop de postganglionaire neuronen georganiseerd zijn : bijgevolg lokt stimulatie van de parasympathicus eerder discrete effecten uit. Toch speelt de PS een belangrijke rol bij de coördinatie van de activiteiten van het intestinum.

5.1.3.2. Functionele en anatomische relatie tussen autonoom en somatisch zenuwstelsel.

De term "autonoom" suggereert een veel grotere graad van onafhankelijkheid van de rest van het zenuwstelsel dan in werkelijkheid bestaat. Het bestaan van functionele "links" tussen het vegetatieve en het somatische zenuwstelsel werd experimenteel aangetoond aan de hand van Pavloviaanse conditionering en de somatische projectie van bepaalde viscerale punten (acupunctuur). Door conditionering kan men, via prikkeling van sensorische receptoren die normaal enkel betrokken zijn bij ongeconditioneerde autonome reflexen, een respons uitlokken van somatische motoneuronen. Waarschijnlijk gebeurt de coördinatie tussen autonome (onvrijwilllige) en vrijwillige activiteiten door associatievezels t.h.v. de hersencortex. Immers, frontale delen van de hersencortex bevatten centra die de autonome activiteiten controleren. Daarnaast worden de autonome centra van het ruggenmerg en van de lagere hersenstam gecontroleerd door nuclei in de hypothalamus (= belangrijkste subcorticale autonome centrum) : stimulatie van de caudale delen van de hypothalamus veroorzaakt sympathicus-activiteit, terwijl stimulatie van de rostrale delen parasympathicus-activiteit uitlokt. De hypothalamus heeft ook verbindingen met hogere centra zoals het limbisch systeem en de hypofyse : op die manier vindt de coördinatie plaats tussen autonome, somatische en endocriene activiteiten met het oog op het behoud van de homeostase.

5.1.3.3. Neurochemische transmissie in het AZS.

° een chemische stof kan geklasseerd worden als neurotransmittor als hij aan vier criteria voldoet :

· de neurotransmittor moet gesynthetiseerd worden in het neuron zelf waaruit hij wordt vrijgesteld

· een mogelijkheid tot het opslaan van de neurotransmittor moet aanwezig zijn in het neuron waarin de transmittor gesynthetiseerd wordt

· vrijstelling van neurotransmittor is calcium-afhankelijk

· een mechanisme moet voorhanden zijn voor een snelle beëindiging van de werking van de vrijgestelde neurotransmittoren

° neurotransmissie kan op verschillende plaatsen onderbroken worden :

· belemmering van axoplasma-stroming van genetische informatie of substraten (peptideprecursoren)

· interferentie met ionenconcentratiegradiënten zodat geen normale depolarisatie plaatsvindt

· interferentie met de beschikbaarheid van precursoren, met hun transport naar of hun opname in de neurale eindknop

· interferentie met de beschikbaarheid van noodzakelijke enzymen, cofactoren en ionen, of veranderingen in noodzakelijke feedbackmechanismen die de synthese controleren

· veranderingen aan structuren waar de transmittoren worden opgeslagen of veranderingen aan complexen die de transmittoren beschermen tegen enzymatische afbraak (of andere vormen van desactivatie)

· malfuncties t.h.v. de organellen en enzymen die nodig zijn voor de metabole en neurotransmittor-activiteiten van het neuron bvb. door een tekort aan "brandstof" voor de nodige biochemische reacties, door de inhibitie of afbraak van enzymen nodig voor transmittorsynthese, enz…

· interferentie met de (calcium-gebonden) vrijstelling van de neurotransmittoren of veranderingen t.h.v. de presynaptische membraan

· t.h.v. de receptor kan neurotransmissie gemodifieerd zijn door competitieve inhibitie d.w.z. binding van andere substraten op de receptoren, of door fysiologische blokkering nl. wanneer de binding van bepaalde substanties op andere receptoren in hetzelfde weefsel een tegengestelde werking uitlokt ; gewijzigde gevoeligheid van een receptor voor een bepaalde neurotransmittor treedt op bij veranderingen in affiniteit of bij verandering van het aantal receptoren

· de normale respons van het "target"weefsel na het binden op de receptoren kan wijzigen door onderbreking van de enzymatische inactivatie-mechanismen of door neuronale re-uptake van de gesecreteerde neurotransmittors via actief transport

Cholinergische synapsen : (fig. 5.16 en 5.17)

° acetylcholine is de transmittorstof bij (1) alle preganglionaire autonome zenuwuiteinden, (2) alle parasympathische postganglionaire zenuwuiteinden, (3) enkele sympathische postganglionaire zenuwuiteinden (bvb. zweetklier, AVanastomosen van de skeletspieren), (4) de motorische eindplaten en (5) enkele synapsen in het CZS

° opslag en vrijstelling van ACh : ACh wordt in vesikels opgeslagen t.h.v. de neuronale eindknopjes ; de opgeslagen hoeveelheid blijft constant aangezien de synthese zich aanpast aan de vrijstelling. De hoeveelheid moleculen opgeslagen in één vesikel (= kwantum) bedraagt ongeveer 4000. Elke presynaptische AP zet via calcium-instroom (vanuit de ECV) meerdere honderden van deze kwanten vrij, zodat zich een EPSP kan vormen (zie hoofdstuk 1 : 1.4.4.). Er bestaat tevens een continue spontane vrijstelling van ACh-kwanta en de snelheid waarmee dit gebeurt is deels afhankelijk van de calciumconcentratie : vrijstelling van ACh wordt geïnhibeerd bij calciumgebrek of bij overmaat aan magnesium (sommige stoffen die interfereren met de werking van ACh doen dit door in te werken op dit niveau nl. door calcium of magnesium te complexeren of door hun rol bij de ACh-release te verhinderen)

° twee typen ACh-receptoren zijn aangetoond :

· nicotine-receptoren : t.h.v. de autonome ganglia, de motorische eindplaten, het bijniermerg en wschl. ook t.h.v. het CZS ; nicotine en ACh werken exciterend maar in hoge concentraties inhiberend

· muscarine-receptoren : t.h.v. cholinergische parasympathische doelwitorganen

° bepaalde stoffen zoals ethanol, chloralhydraat, pentobarbital en paraldehyde gaan in vitro de vrijstelling van ACh doen toenemen

° een bestanddeel van slangengif of van het gif van de "zwarte weduwe", het (-bungarotoxine, heeft een uitgesproken effect op de vesikels in de eindknopjes van de neuronen : eerst vindt een lawine van postjunctionale miniatuur-potentiaaltjes plaats, daarna is de neurotransmissie geblokkeerd. EM-onderzoek toont aan dat de eindknopjes op dat ogenblik geen vesikels meer bevatten maar dat de terminale axonale membraan uitgezet en geplooid is door fusie tussen de axonmembraan en de vesikelmembraantjes. Het gif interfereert dus met het mechanisme dat verantwoordelijk is voor het scheiden van axon- en vesikelmembranen.

° de bacterie Clostridium botulinum produceert het bijzonder giftige botuline-toxine (één van de weinige bacteriële toxines die peroraal actief zijn), dat werkzaam is op twee niveaus : het verhindert de neurotransmissie t.h.v. alle perifere cholinerge synapsen (door inhibitie van ACh-vrijstelling) en het veroorzaakt agglutinatie van RBC d.m.v. hemagglutinine. Bij botulisme is het dodelijk effect te wijten aan een verlamming van de ademhalingsspieren

° andere stoornissen van het ACh-systeem kunnen het resultaat zijn van :

· inhibitie van acetylcholinesterase door organofosfaat

· toediening van cholinomimetica die de muscarine-receptoren blokkeren

· tekort aan choline acetyltransferase t.h.v. de hippocampus (bvb. bij seniele dementie)

· gedaalde ACh-synthese vnl. t.h.v. de hippocampus (bvb. bij Alzheimer)

° verworven myasthenia gravis : spierzwakte door stoornis van de transmissie t.h.v. de motorische eindplaten (vorming van een receptor-antilichaam dat de receptoren blokkeert door sterische hindering van ACh, door verminderde synthese van ACh-receptoren of door wijder maken van de synaptische spleet) ; congenitale myasthenia gravis : erfelijk tekort aan ACh-receptoren t.h.v. de postsynaptische membranen (wschl. door stoornissen in de synthese, versnelde afbraak, gestoorde inbouw in de membraan of lage affiniteit voor ACh)

° ook plantentoxines kunnen blokkerend werken t.h.v. de juncties bvb. muscarine uit bepaalde paddestoelen, atropine (PSlyticum) uit dodelijke nachtschade en uit Atropa Belladonna (Wolfskers), hyoscine (= scopolamine) uit Hyoscyamus niger (Bilzekruid) en uit Belladonna

Adrenergische synapsen : (fig. 5.18, 5.19, 5.20, 5.21)

° noradrenaline is de transmittorstof bij (1) de meeste postganglionaire sympathische zenuwuiteinden en bij (2) veel synapsen in het CZS (vnl. in de hypothalamus) ; (3) het wordt ook vrijgesteld uit het bijniermerg en via de bloedstroom naar de werkingsplaats gebracht

° precursor van NOR is het aminozuur L-tyrosine dat uit het voeder gehaald wordt of in de lever wordt aangemaakt vanuit diëtair fenylalanine - het enzyme tyrosine-hydroxylase wordt geïnhibeerd door zijn eigen eindprodukt NOR (negatieve feedback) of door L-dopa (intermediair produkt in de synthese van NOR)

° NOR wordt opgeslagen in grote vesikels en wordt hieruit vrijgesteld wanneer een AP de synaps bereikt

° de werking van NOR kan op vier manieren beëindigd worden :

· NOR diffundeert weg uit de synaptische spleet naar het bloed

· NOR wordt t.h.v. de synaptische spleet afgebroken door het enzyme catechol-ortho-methyltransferase (COMT)

· NOR wordt door actief transport weer opgenomen in het presynaptisch zenuwuiteinde

· vrij NOR in de neuronen wordt door het enzyme mono-amino-oxydase (MAO) uit de mitochondriën geïnactiveerd

° adrenergische receptoren :

· (-receptoren : reageren het sterkst op noradrenaline

· (-receptoren : reageren het sterkst op isoproterenol ; twee types te onderscheiden nl. (1 en (2

° t.h.v. het bijniermerg worden door binding van ACh op de nicotine-receptoren van de chromaffiene cellen de receptorkanalen geopend zodat natriumionen en in mindere mate calciumionen de cellen kunnen binnenkomen : dit veroorzaakt een depolarisatie van de celmembraan van de chromaffiene cellen, waardoor een "fast sodium channel" en een "slow calcium channel" kunnen opengaan en AP opgewekt worden ; hoge extracellulaire kaliumconcentraties kunnen catecholamine-vrijstelling veroorzaken door passieve depolarisatie d.w.z. zonder voorafgaande binding op de nicotine-receptoren : kalium zorgt voor een rechtstreekse activering van de bovengenoemde kanalen en veroorzaakt zo natrium-afhankelijke AP. Hiervoor is wel de aanwezigheid van extracellulair calcium vereist. Prikkels voor het vrijstellen van catecholaminen uit het bijniermerg zijn (via verhoogde sympathicusactiviteit) bvb. fysieke arbeid, koude, hitte, pijn, angst, hypoglycemie, O2-gebrek (stress !). Taak van de vrijgestelde catecholamines is (1) lipolyse en glycogenolyse m.a.w. opgeslagen energie mobiliseren, (2) hartslagvolume en hartminuutvolume te doen stijgen (positief inotroop effect) en (3) doorbloeding van het gastro-intestinum af te remmen ten gunste van de skeletspierdoorbloeding.

ACh bindt ook op de muscarine-receptoren van de chromaffiene cellen met als resultaat een efflux van calciumionen en toename van het cyclisch guanosinemonofosfaat (cGMP) en activatie van de fosfoinositide-afbraak.

(-receptoren :

prikkelend :

bloedvaten (constrictie)

sfincters van gastro-intestinum en van urineblaas (contractie) e.a.

(-receptoren :

remmend :

pancreas (exocriene en insuline secretie)

(1-receptoren :

prikkelend :

hart, vet (lipolyse) e.a.

(2-receptoren :

remmend :

bloedvaten en bronchiën (dilatatie), gastro-intestinum (motiliteit)

Nonadrenergische noncholinergische transmittors. (tab. 5.3)

° belangrijke nonadrenergische noncholinergische (NANC) inhibitorische zenuwvezels innerveren de gladde spiercellen van het gastro-intestinum. Werking : bijdragen tot de propulsiebeweging (voortstuwen van voeder doorheen het maagdarmkanaal) en betrokken bij reflexmatige sfincterrelaxatie en bij maagrelaxatie (om voeder uit de slokdarm op te vangen). Waarschijnlijk is de transmittor hier het adenosinetrifosfaat (ATP). De rol van de adrenergische zenuwen is het moduleren van bovenvermelde activiteiten en dit op het niveau van de ganglia.

° autonome zenuwen met verschillende NANC-transmittors werden reeds aangetoond : encefaline, substance P, vasoactief intestinaal polypeptide (VIP), neurotensine, somatostatine, bombesine, gastrine/cholecystokinine, serotonine, gamma-aminoboterzuur (GABA), dopamine, bradykinine en de AZ glycine en taurine (werken inhibitorisch) en L-glutaminezuur en L-aspartinezuur (werken excitatorisch). Gezien zijn intrinsieke bezenuwing (autonome plexus in de darmwand) kan het darmstelsel zich onafhankelijk van de rest van het autonome zenuwstelsel opstellen.

° ter hoogte van één bepaald zenuwuiteinde kan meer dan één transmittorstof voorkomen. Daarbij kan één bepaald peptide zowel terug te vinden zijn in een darmneuron of in een endocriene cel van de darm als in een paracriene cel of in een hersencel : de rol van deze peptiden in het lichaam is dus zeer complex.

° neuropeptiden gaan de werkingstijd van de klassieke (meestal kortstondig werkzame) neurotransmittors verlengen : dit is belangrijk bij eerder traag reagerende organen met gladde spiercellen of exocriene kliercellen

° serotonine (of 5-hydroxytriptamine, 5-HT) : belangrijk bij de controle over stemmingen en gedrag, motorische activiteit, slaap, honger, thermoregulatie en mogelijk ook bepaalde neuro-endocriene mechanismen. Bij stoornissen in het serotonine-systeem kunnen depressie, migraine en myocloniën (clonische spierspasmen) optreden.

° dopamine : wordt enzymatisch afgebroken door MAO en COMT (zie hoger). Het wordt gesynthetiseerd in dopamine-neuronen, na actieve opname van L-Dopa. Bepaalde humane ziekten zoals Ziekte van Parkinson (stijfheid van ledematen, romp en aangezicht met tremor en onvermogen tot het starten van een vrijwillige motorische activiteit), Huntington's chorea (plotse onwillekeurige gecoördineerde bewegingen) en schizofrenie vinden hun oorzaak in een stoornis van het dopamine-systeem.

Coëxistentie van neurotransmittors.

ATP wordt samen met NOR en ACh opgeslagen ter hoogte van de zenuwuiteinden van het AZS en tesamen met deze stoffen vrijgesteld als postsynaptische neurotransmittor of als presynaptische modulator van de hoofdtransmittor. Andere cotransmittors zijn bvb. somatostatine (t.h.v. adrenergische ganglioncellen van de plexus mesentericus inferior en superior) en encefaline (t.h.v. noradrenergische ganglioncellen van het cervicaal ganglion).

Tabel : coëxistentie van klassieke transmittors met neuropeptiden :

Klassieke transmittor :

Neuropeptide :

Weefsel :

ACh

Dopamine

Epinefrine

GABA

Serotonine

noradrenaline

Encefaline

Neurotensine

Somatostatine

VIP

CCK

Encefaline

BPP

Encefaline

Motiline

Somatostatine

Substance P

TRH

Encefaline

Neurotensine

somatostatine

Preganglionaire vezels

Preganglionaire vezels

Hart

Autonome ganglia

Hersenen

Glomus caroticum

Medulla oblongata

Bijniermerg

Cerebellum

Thalamus

Medulla oblongata

Medulla oblongata

Sympathische ganglia

Bijniermerg

Sympathische ganglia

Samenvattend :

Functies/plaats van voorkomen van de neurotransmittors in het gastro-intestinum zijn :

· ATP : intramurale inhibitorische neuronen die circulaire spieren (geen sfincters!) innerveren

· 5-HT, substance P : excitatorische interneuronen

· encefaline : inhibitorische interneuronen

· substance P : sensorische zenuwen

· VIP : perivasculaire inhibitorische zenuwen

· substance P : excitatorische zenuwen die longitudinale gladde spierlaag innerveren

· somatostatine, VIP : zenuwen die gastro-intestinale secretie reguleren

· encefaline, ATP, 5-HT : zenuwen die de vrijstelling van neurotransmittors uit cholinergische zenuwuiteinden reguleren nl. presynaptische inhibitie van ACh-vrijstelling

· ATP, dopamine : zenuwen die de vrijstelling van neurotransmittors uit adrenergische zenuwuiteinden reguleren nl. presynaptische inhibitie van NOR

5.1.3.4. Het limbisch systeem en de hypothalamus. (fig. 5.23)

Structuur en functies van het limbisch systeem.

° het limbisch systeem is een geheel van structuren die alle gelegen zijn in de basale en subcorticale gebieden van de hersenen en die betrokken zijn bij de regeling van gedragsmatige functies, evenals bij autonome en neuro-endocriene functies : het is dus een combinatie van delen van het CZS en AZS

° de belangrijkste limbische structuren zijn :

· hypothalamus : centraal element met talrijke verbindingen naar andere limbische structuren en naar de hersenstam

· amygdala (of : amandelkernen): plaats waar associatie gebeurt tussen reukprikkels en andere informatie uit verschillende hersendelen. Ze zijn betrokken bij die oriënterende reacties waarmee een dier zichzelf situeert in zijn omgeving, zoals bvb. offensief en defensief gedrag, eetgewoonten, vluchtgedrag, sexueel gedrag. Tevens speelt het een rol bij bepaalde autonome functies zoals bvb. stijging van de bloeddruk en verandering van de hartslagfrequentie.

· Septum : knooppunt voor de verbinding tussen hersenstam en hippocampus

· hippocampus of archipallium

° de mediale voorhersenbundel (FMT) verbindt de “formatio reticularis” met de hypothalamus, maar loopt met een overgroot aantal vezels door naar de amygdala en het septum. Zo komt ook de verbinding met de hippocampus tot stand.

De hypothalamus.

° anatomie : deel van het diencephalon, gelegen ventraal van de thalamus, vormt bodem van de derde ventrikel ; omvat het chiasma opticum, de tuber cinereum, de corpora mamillaria, de eminentia mediana en bij uitbreiding ook het infundibulum en de neurohypofyse

° histologie : bestaat uit bindweefsel, axonen en neurogliaweefsel ; de meeste axonen vertrekken vanuit twee paar kernen in de hypothalamus nl. de supraoptische en de paraventriculaire kernen (zie verder)

° functies :

belangrijkste integratie-orgaan voor de regeling van het inwendig milieu van het lichaam (bovenste integratiecentrum van de vegetatieve centra van het AZS en reguleringssysteem van de endocriene processen in het organisme) bvb. regeling van de lichaamstemperatuur via thermoreceptoren, regeling van de osmolariteit via osmoreceptoren, regeling van de hormoonhuishouding via receptoren die de bloedconcentraties aan hormonen meten. De hypothalamus stuurt de ondergeschikte somatische, vegetatieve en hormonale processen zodanig dat het dier een afweergedrag, een nutritief gedrag of een reproductief gedrag gaat vertonen. De hormonen en het autonoom of somatisch zenuwstelsel worden hierbij ingezet als instrumenten om de perifere organen en structuren te activeren of af te remmen (bvb. bij afweergedrag hoort toegenomen spierdoorbloeding, bloeddrukverhoging, toename van het AHritme, remming van huid- en gastro-intestinale doorbloeding) :

· neuro-endocriene functies : speciale zenuwcellen van de hypothalamus, de zgn. neuro-endocriene cellen, vormen hormonen die als reactie op een prikkel aan het bloed worden afgegeven (m.a.w. in de hypothalamus worden nerveuze prikkels omgezet in hormonale prikkels) : (1) antidiuretisch hormoon (ADH, ook : vasopressine) wordt gesynthetiseerd in de zenuwcellichamen van de supraoptische kernen en (2) oxytocine wordt gesynthetiseerd in deze van de paraventriculaire kernen. Beide hormonen worden via de axonen naar de hypofyse-achterkwab (= neurohypofyse) vervoerd en daar opgeslagen t.h.v. de zenuwuiteinden totdat een prikkel vanuit de hypothalamus de hormonen doet vrijkomen in de bloedbaan (= neurosecretie). Daarnaast worden t.h.v. de eminentia mediana van de hypothalamus een reeks "releasing"hormonen (RH ; ook : "releasing"factoren, RF) en "inhibiting"hormonen (IH ; ook : "inhibiting"factoren, IF) gesynthetiseerd, die via een speciaal hypofyseaal portaal (bloedvaten)systeem naar de hypofysevoorkwab (= adenohypofyse) vervoerd worden en daar de vrijstelling van bepaalde hormonen bevorderen of inhiberen. De hypothalamus regelt eveneens de functie van het bijniermerg en dit via zenuwen die langs hersenstam, ruggenmerg en n.splanchnicus deze klier bereiken.

· autonome functies : voorhypothalamus = parasympathisch ; achterhypothalamus = sympathisch bvb. cardiovasculair : stimulatie voorste deel (preoptisch gebied) ( verlaging bloeddruk, vertraging hartslagfrequentie ; stimulatie achterste deel en lateraal ( verhoging bloeddruk, versnelde hartslagfrequentie. Beïnvloeding van de sympathische en parasympathische regeling van het hart- en vaatstelsel gebeurt via de sympathische overschakeling in de cardiovasculaire regelgebieden van pons en medulla. Bvb. lichaamstemperatuur : voorste deel ( waarneming van veranderingen in temperatuur van het bloed ; achterste deel ( zorgt voor verhoging of verlaging van de waargenomen lichaamstemperatuur

· gedragsprocessen : letsels in het ventromediale deel van de hypothalamus leiden tot hyperfagie en vetzucht bij varkens, ratten (enkel na het vroege postnatale stadium) en eenden, ganzen (werd als alternatief voor geforceerd voederen gebruikt) ; stimulatie van dit deel vermindert de voederopname. Letsels in het laterale deel van de hypothalamus leiden tot afagie (anorexie, niet eten) die ngl. de diersoort min of meer uitgesproken is (zeer sterk bij varkens, bij schapen en geiten enkel hypofagie) ; stimulatie van dit deel leidt bij bepaalde diersoorten tot hyperfagie (tijdens de duur van de prikkel). Deze proeven wijzen op het bestaan van een verzadigingscentrum in het ventromediale deel en van een hongercentrum in het laterale deel van de hypothalamus.

° feedback-regeling : een toename in de secretie van een adenohypofysair hormoon (-tropine) brengt een toename in de secretie van de "target"klier met zich mee. Het secretieprodukt van deze "target"klier gaat op zijn beurt trachten de initiële secretie van zijn eigen -tropine tegen te gaan en de bron van waaruit de oorspronkelijke stimulus afkomstig was te inhiberen. Bvb. bij toename van thyroxine-secretie door de schildklier is een verminderde secretie van TSH nodig : het eindprodukt remt door feedback de TRH-secretie, waarna deze verlaagde TRH-secretie zorgt voor een verlaagde thyreotropine-secretie. Verlaagde TSH-secretie leidt dan weer tot afname van de afscheiding van het eindhormoon door de schildklier.

Tabel : hypothalamus- en adenohypofyse-hormonen :

Hypothalamus :

Corticoliberine

Folliberine

Lutiliberine

Melanoliberine

Melanostatine

Prolactostatine

Somatoliberine

Somatostatine

Thyroliberine

Andere namen :

Corticotropine-RH

RH van FSH

RH van LH

Melanotropine-RH

Melanotropine-IH

Prolactine-IH

RH van STH

IH van STH

RH van TSH

Afkortingen :

CRF, CRH, ACTH-RH

FRH, FSH-RH, FSH-RF

LRH, LH-RH, LH-RF

MRF, MRH

MIF, MIH

PIF, PIH

SRF, SRH, GH-RH

SIH, GH-IH

TRF, TRH

Adenohypofyse :

Corticotropine

Follitropine

Lutropine

Melanotropine

Somatotropine

Thyreotropine

Prolactine

Andere namen :

Adrenocorticotroop hormoon

Follikelstimulerend hormoon

Luteïniserend hormoon (*)

Melanocytenstimulerend h.

Groeihormoon

Schildklierstimulerend h.

Lactotroop hormoon

Afkortingen :

ACTH

FSH

LH

MSH

STH, GH

TSH

PRL

(*) en : interstitiële-cellen-stimulerend hormoon (ICSH)

5.2. Endocriene informatie-overdracht.

5.2.1. Algemene fundamentele principes.

° het endocrien systeem van de hogere vertebraten bestaat uit de volgende anatomische structuren :

· endocriene klieren : adenohypofyse, schildklier (thyroïde), bijschildklier (parathyroïde), bijnieren, gonaden

· delen van het CZS (kernen van de hypothalamus, neurohypofyse,…)

· tijdelijk bestaande weefsels (ovariële follikels, corpus luteum, placenta)

· verspreide celmassa's (eilandjes van Langerhans, peptidogene duodenale en jejunale cellen, sommige levercellen en endotheliale cellen)

· andere organen (thymus, epifyse, hart, hersenen, nieren en huid) en cellen (leucocyten)

° hormonen = chemische boodschappers die door bovengenoemde cellen gesynthetiseerd worden en informatie overbrengen naar andere celpopulaties ("targetcellen") in het lichaam. Deze laatsten bevatten een "second messenger" die het proteïne-synthese mechanisme in de celkern kan beïnvloeden.

° het endocrien systeem bestaat dus uit emittoren en receptoren, met mogelijkheid tot feedback via hormonen. De hormonen binden enkel aan complementaire receptoren.

° de goede werking van het endocrien systeem is afhankelijk van :

· de hoeveelheid circulerende hormonen (niet te hoog of niet te laag)

· het aantal receptoren

· de hoeveelheid "second messenger" geproduceerd in de target cellen

· de hoeveelheid metabolieten of hormonen gesynthetiseerd in de target cellen

· de goede werking van het feedback-mechanisme

5.2.1.1. Functies en classificatie van hormonen. (fig. 5.24, tab. 5.4)

° belangrijkste functies van hormonen :

· homeostase van de interstitiële vloeistof

· respons bij situaties die spoed vereisen

· integratie van groeimechanismen, regulatie van het metabolisme

· regulatie van de sexuele voortplanting en van de lactatie

° classificatie van hormonen :

· op basis van het orgaan van oorsprong : hypothalamisch, adenohypofysair, thyroïd-, parathyroïd-, pancreas-, bijniermerg-, bijnierschors-, gastro-intestinaal, gonadaal, placentaal

· op basis van hun chemische structuur : lipide-verwant (steroïden, eicosanoïden) of stikstof-verwant (aminen, AZ-derivaten, peptiden, polypeptiden, proteïnen)

5.2.1.2. Levensloop van hormonen.

Biosynthese :

vindt plaats in afzonderlijke organen (klieren : adenohypofyse, schildklier, bijschildklier, bijnier) of in gespecialiseerde cellen binnen een "gastheer"orgaan (bvb. eilandjes van Langerhans in de pancreas) :

· van peptidehormonen : omvat vier fasen : (1) transcriptie van DNA leidt tot de vorming van pre-mRNA, (2) omzetting van pre-mRNA tot mRNA, (3) translatie met vorming van polypeptideketen en (4) posttranslatie en modificatie t.h.v. endoplasmatisch reticulum en Golgi-apparaat (cleavage, glycosylering, fosforylering, acetylering, vorming van disulfidebruggen) waardoor het preprohormoon in een prohormoon en tenslotte in een actief peptidehormoon wordt omgezet ; de gevormde hormonen worden in secretorische granules verpakt

· van steroïdhormonen : worden gesynthetiseerd in de bijniercortex (corticosteroïden) en in de gonaden (geslachtssteroïden) ; precursor van alle steroïden is cholesterol dat na cleavage pregnenolon (21 koolstofatomen) oplevert : door hydroxylering en vorming van dubbele bindingen resp. door aromatizering ontstaan hieruit progesteron, testosteron, cortisol, aldosteron resp. oestrogeen

· van aminehormonen : omvat de schildklierhormonen (trijodo- en tretrajodothyronine) en de bijniermerghormonen (adrenaline, noradrenaline en dopamine) ; de schildklierhormonen worden gevormd in de schildklierfollikels vanuit tyrosine, met behulp van thyroglobuline

· van eicosanoïden : prostaglandines en leucotriënen worden gesynthetiseerd vanuit polyonverzadigde langketen-vetzuren, afkomstig van de fosfolipiden in de plasmamembraan ; de onmiddellijke precursor is het arachidonzuur

Secretie :

° basale secretie van een hormoon is moeilijk te bepalen omdat het om zeer lage concentraties gaat

° bepaalde hormonen worden gesynthetiseerd onder invloed van nerveuze stimuli : ze kennen een nyctemeraal productieritme d.w.z. ze worden enkel geproduceerd tijdens een beperkte periode van de dag of de nacht

° voor sommige hormonen is de productieperiode beperkt tot of varieert ze met de periode van de ovariële cyclus of van de groei

° via de hypothalamus controleert het CZS bovengenoemde ritmes en cycli, met modulaties via feedback door de geproduceerde secreties

° modificatie van de secretie :

· hormoon dat concentratie aan bepaalde metaboliet binnen fysiologische grenzen moet houden : uitgesproken veranderingen in concentratie aan deze metaboliet gaan de hormonale secretie modifiëren

· hormoon dat gehalte aan bepaalde metaboliet moet doen dalen : overmaat aan metaboliet doet hormonale secretie toenemen (bvb. glucose - insuline) ; tekort aan metaboliet doet secretie van hormoon (insuline) afnemen, maar doet tevens secretie van ander hormoon (glucagon) toenemen

· één of meerdere hormonen kan/kunnen betrokken zijn bij de synthese van een ander hormoon (bvb. -trope hormonen of -tropinen, zoals thyreotroop hormoon)

· t.h.v. het CZS : via de hypothalamus treden veranderingen op in de secretie van "releasing"hormonen (voor de adenohypofyse) ; de sympathicus beïnvloedt het hormonale deel van de fright-flight-fight respons (vrijstelling van insuline, renine, adrenaline)

° secretiemechanisme van :

· peptidehormonen : synthese t.h.v. het endoplasmatisch reticulum - transport naar het Golgicomplex - verpakking in secretorische granules - vrijstelling door exocytose

· catecholamines : cfr. peptidehormonen ; worden vrijgesteld in de bloedbaan of (bij sympathische zenuwen) in de synaptische spleet

· steroïden : zitten vervat in vetdruppeltjes die door de endocriene cellen worden gesecreteerd ; de vetoplosbare prostaglandines werken in op de plasmamembraan van de cellen waarin ze gesynthetiseerd werden (autocrien) of op die van naburige cellen (paracrien)

Feedbackmechanismen :

° negatieve feedback kan direct (d.i. onmiddellijk volgend op een verandering in de hoeveelheid metaboliet) of indirect (d.i. via een -tropine) zijn

° positieve feedback treedt op tijdens de oestrus : de vrijstelling van bepaalde hypothalamische en hypofysaire hormonen, die normaal in pulsen gebeurt, wordt omgezet in een (pre-ovulatoire) piek-vrijstelling

Metabolisme :

° regulatie van de hormonale "turnover" gebeurt via verandering van hun chemische structuur of via afbraak

° binding aan "carriërs" (plasmaproteïnen) beschermt bepaalde hormonen tegen katabolische enzymen of vertraagt/bemoeilijkt hun interactie met het targetweefsel (i.v.m. hormonale maturatie : zie verder)

° verwijdering van "vrij" hormoon gebeurt gewoonlijk via biliaire of renale excretie (eventueel gevolgd door reabsorptie voor de enterohepatische cyclus resp. tubulaire reabsorptie)

° hormonen die betrokken zijn bij langdurige processen zoals het basaalmetabolisme worden slechts traag geëlimineerd (bvb. schildklierhormonen, steroïdhormonen), terwijl (peptide)hormonen die een onmiddellijke respons uitlokken ook zeer snel weer uit het plasma verwijderd worden

° vele peptidehormonen ondergaan proteolyse in het bloedplasma en worden hierbij omgezet in een reeks actieve, gedeeltelijk actieve en inactieve fragmenten (bvb. PTH)

° sommige eicosanoïden (bvb. prostaglandines) worden tijdens de passage door de longen uit het bloed geëxtraheerd

Receptoren :

° receptoren zijn gewoonlijk cellulaire proteïnen die verzadigbaar zijn op een reversiebele manier en met een grote affiniteit voor hun substraat : ze herkennen een specifiek hormoon en brengen na binding een boodschap over (de receptor beschikt over het programma om een cel te activeren, zodat het experimenteel mogelijk is een cel te activeren zonder tussenkomst van een hormoon)

° receptoren regenereren continu : synthese en afbraak zijn in evenwicht zodat het totaal aantal receptoren constant blijft ; de turnover is gewoonlijk zeer snel (bvb. 24 u voor insulinereceptoren)

° receptoren zijn gelokaliseerd op de plasmamembraan (peptiden) of in het cytoplasma (steroïden)

5.2.1.3. Receptoractivatie en signaalamplificatie. (fig. 5.25.a-b-c)

° bij hormonale activatie van targetcellen zijn calciumionen en cAMP betrokken :

· Ca++ is de belangrijkste "tweede boodschapper" (second messenger) : het heeft een invloed op de contractiele elementen en de permeabiliteit van de plasmamembraan en speelt een belangrijke rol bij de regulatie van de enzymatische activiteit (bvb. van adenylaatcyclase en fosforylase kinase)

· cAMP : wordt gevormd vanuit ATP door het adenylaatcyclase, een Ca++-afhankelijk enzyme uit de inwendige lipidelaag van de plasmamembraan ; de werking van cAMP in de cel wordt weerspiegeld in de transformatie van inactieve fosfokinasen in actieve enzymen (zie volgend punt)

° hormonen brengen geen wijzigingen aan in het intrinsiek celmetabolisme, wel veranderen zij de snelheid waarmee intracellulaire biochemische reacties plaatsvinden of activeren zij de in de cel aanwezige maar niet werkzame metabole processen via activatie (fosforylatie) van inactieve enzymen :

· proteïne-kinase bestaat uit twee delen : een regulator en een katalysator

· proteïne-kinase is inactief als beide delen samen zijn

· cAMP scheidt beide delen, waarna fosforylatie van de inactieve metabole enzymen door de katalysator

· de gefosforyleerde en dus actieve enzymen kunnen nu deelnemen aan de nodige biochemische reacties

° signaalamplificatie (