Anatomie van de hersenen: horizontale en sagittale sectie (practicumtekeningen)

Corpus callosum, rechter hemisfeer

Horizontale sectie van de hersenen, ter hoogte van de fissura lateralis

I     ventrikel
II    nucleus caudatus (kop)
III   nucleus lentiformis
IV   putamen
V    globus pallidus
VI   thalamus opticus
VII  lichaam caudatus nucleus
VIII insula
IX    ventrikel

Hersenen: coupe sagittaal

 I       Corpus callosum, anterior
II      Interventriculair foramen
III     Septum pellucidum
IV     Corpus callosum, truncus
V      Plexus choroideus ventriculus
VI     Splenium
VII    Thalamus
VIII  Glandula pinealis
IX     Commissura post.
X      Aqueductus mesencephali
XI    Corpus mamillare
XII   Glandula pituitaria (hypophysis)
XIII  Chiasma nervorum opticorum

Zenuwbanen, een introductie

Onderscheiden worden de opstijgende zenuwbanen, die somatosensibele impulsen geleiden naar de hersenen; afdalende zenuwbanen geleiden motorische impulsen van de hersenen naar voornamelijk de spieren en klieren in het lichaam.

De motorische (afdalende) zenuwbanen worden weer onderverdeeld in:
1.Het piramidale systeem, bestaande uit de tractus corticospinalis, of de tractus corticonuclearis, zenuwbanen die lopen van de cortex naar de motorische nuclei van de hersenzenuwen. De tractus corticospinalis loopt van de motorische cortex, door de capsula interna, vanuit het cerebrum naar het diencephalon, via de onderzijde van het mesencephalon, waar de zenuwbanen de crura cerebri vormen;  "piramidebaan" duidt op de verschijning van de tractus in de medulla oblongata. In de medulla vindt de kruising plaats, waarna de piramidebanen in het ruggenmerg lateraal naar de ventrale hoorn van het juiste segment lopen. Merk op dat het voorname gedeelte van de tractus corticospinalis de tractus corticospinalis lateralis vormt en dat een minderheid ongekruist via de tractus corticospinalis anterior verloopt;
2. Het extrapiramidale systeem. Van de voorhoofdskwab lopen de zenuwvezels naar het corpus striatum, vervolgens van de nuclei in het mesencephalon (de nucleus ruber, nucleus niger, subthalamische nucleus), naar de oliva en formatio reticularis in de medulla oblongata. De tractus reticulospinalis verloopt lateraal naar de ventrale hoorn (= anterior).

De opstijgende (somatosensibele) zenuwbanen worden onderverdeeld in:
1. De tractus spinothalamicus, via de tractus spinothalamicus lateralis (pijn en temperatuur) of de tractus spinothalamicus anterior (grove tast en druk). Beide tracti komen samen in de spinale lemniscus;
2. Zenuwbanen naar de nucleus posterolateralis in het diencephalon, verlopend via de dorsale wortel. Impulsen afkomstig van de tractus gracilis (segmenten inferieur aan T6) worden geleid door de fasciculus gracilis; impulsen afkomstig van de tractus cuneatus (segmenten superieur aan T6) worden geleid door de fasciculus cuneatus;
3. De tractus spinocerebellaris wordt verdeeld in de tractus spinocerebellaris anterior en de tractus spinocerebellaris posterior (dorsale wortel).

An introduction to the sensorimotor system

Introduction
Contrast sensory and motor tracts. Information travels to the brain via ascending tracts. Ascending tracts within the CNS are (somato)sensory. Descending motor tracts transmit information from the brain to the periphery.

Involved in the major sensory tracts (posterior column, spinothalamic (sensory, from spinal cord to thalamus) and spinocerebellar (from cord to cerebellum) are three divisions of neuronal systems:
Neurons of the 1st order transmit sensory information to the CNS via dorsal or cranial (root) ganglion;
Neurons of the 2nd order act on soma in CNS;
Neurons of the 3rd order transmit information from the thalamus to the cerebral cortex.

Gnostic sensibility pathways
As for gnostic sensibility (fine touch, vibration and proprioception), sensory projections enter the spinal cord via dorsal root ganglion cells. The axon transmits information via the posterior column of white matter, ascending to the brain. A first synapse is made in the caudal medullary gracile nucleus (all levels inferior to the sixth thoracic vertebra, T6) or cuneate nucleus (levels superior to T6); the medullary axon crosses the medial lemniscus, up to the ventral posterior nuclei in thalamus, where it ascends to the somatosensory cortex.

Take notice of the medial-lateral rule: information stemming from mechanosensory receptors from the lower body, entering the lumbar spinal cord, is transmitted through medial pathways within the spinal cord (that is, before the medullary crossover); mechanosensory receptors from the upper body, entering the cervical spinal cord, transmit information via lateral pathways in the spinal cord.

Vital sensibility pathways
Vital sensibility sums up nociception, temperature and crude touch sensations. Pain and temperature sensations, however, travel through antolateral or spinothalamic tracts (tractus spinothalamicus lateralis). Pain ( Aδ fibers, myelinated, fast conducting, or C fibers, unmyelinated slowly conducting) fibers and temperature afferent fibers send their axons to the dorsal root ganglia to enter the posterior gray horn (1st order); these axons synapse onto spinal neurons (this is the crossover site, 2nd order), to project across the medial line, entering the lateral spinothalamic tract, ascending via the ventral posterolateral thalamic nuclei (3rd order), up to S1, on the side opposite to the receptive field.

Within the anterior spinothalamic tracts, nerve fibers conducting information on crude touch and pressure, send their axons to enter the dorsal root ganglia, in order to enter the posterior gray horn (1st order); the second-order site of neuronal cell bodies is the posterior gray horn, but in contrast to the lateral spinothalamic tract as described above, the axons enter the anterior spinothalamic tract on the opposite, that is, the second order is a ventral pathway up to the ventral posterolateral thalamic nuceli (3rd order). Like the antolateral tract, the destination is S1, opposite to the receptive field.

Actiepotentiaal en synaptische transmissie

Vanaf de axon hillock verspreidt de elektrische activiteit zich over de segmenten van het axon, waarbij binnen de membraan van ieder volgend segment depolarisatie optreedt. Direct ontstaat een nieuwe actiepotentiaal, aangedreven door depolarisatie. Dezelfde waarde wordt over de gehele lengte van het axon gegenereerd door de instroom van natriumionen binnen de membraan van het segment. Bij een gemyeliniseerd axon verspreidt de elektrische lading zich sneller over de gehele lengte. In de jaren '80 werd het vermoeden uitgesproken dat de actiepotentiaal over zou "springen" naar de insnoeringen van Ranvier; inmiddels kan dit worden bevestigd. Dat verklaart waarom het proces bij een ongemyeliniseerd axon trager verloopt: in dat geval moeten over de gehele lengte  natriumkanalen worden geopend om op geringe afstanden herhaaldelijk actiepotentialen te bewerkstelligen.

Synaptische transmissie (neuronaal)
De neuronale transmissie verschilt van de hiervoor geschetste axonale elektrische conductie. Typerend voor de neuronale transmissie is de gewogen postsynapstische potentiaal, waar de actiepotentiaal bij de axonale conductie slechts tot stand kan komen volgens de"alles-of-niets-wet". Axonale conductie is een proces van actieve verspreiding (zie hierboven), terwijl neuronale transmissie bestaat uit plaatselijke, passieve verspreiding van potentialen.

Maak een onderscheid tussen EPSP en IPSP. Excitatoire postsynaptische transmissie, EPSP, effectueert depolarisatie; bij de depolarisatie zijn natrium- en kaliumkanalen betrokken (positieve lading). Inhibitoire postsynaptische transmissie, IPSP, heeft hyperpolarisatie tot effect; bij deze hyperpolarisatie zijn chloride- en kaliumkanalen betrokken (negatieve lading). De postsynaptische receptoren bepalen de aard van de uitwerking- EPSP of IPSP. Zo kan acetylcholine, ACh, zowel inhibitoir als excitatoir werken: in het eerste geval is er een influx van Cl- en in het tweede geval een influx van Na+/ K+. De in de hersenen algemeen voorkomende excitatoire transmitter is glutamaat en GABA werkt inhibitoir (vgl. de werking van de kniereflex irl tot de periferie).

Synthese: het proces van de transmissie
De actiepotentiaal arriveert in de axon terminal van het presynaptisch neuron (1).  In de presynaptische axon terminal neemt de instroom van positief geladen calciumionen toe (2). De energie zet vesiculi ertoe aan om neurotransmitter vrij te laten in de synaptische spleet (3). De stoffen die nodig zijn voor synthese, worden met regelmaat aangemaakt in het soma. Transmitterstoffen veranderen de membraanpotentiaal van de postsynaptische cel- deze effecten worden aangeduid als postsynaptische potentialen.  De transmitter (ligand) bindt zich aan receptoren in de postsynaptische membraan; ionkanalen in de postsynaptische membraan openen zich en de elektrische transmissie creëert een excitatoire of inhibitoire potentiaal. De postsynaptische receptor bepaalt of de transmitter excitatoir of inhibitoir werkt (4). Postsynaptische potentialen verspreiden zich passief van de dendrieten en het soma tot de axon hillock (afferent).

Zie illustratie. Linksboven: myeline omhult het axon. De actiepotentiaal arrriveert bij de axon terminal. Vanuit het soma worden vesiculi en transmitterstoffen richting axon terminal gestuurd. Calciumionen stromen ionkanalen binnen. De vesiculi fuseren met de presynaptische membraan en er vindt exocytose plaats. De transporters zorgen voor de concentratie van ionen. Bindt de neurotransmitter aan de ligand-gated ion channel receptor (of de G-proteïne-gekoppelde receptor), dan opent de receptor in de postsynaptische membraan zich, om ionen in te laten stromen.

Elektrofysiologie: rustpotentiaal en actiepotentiaal (axonaal)

Ga uit van een excitatoire cel, zoals het neuron. Er wordt een micro-elektrode in het neuron en op de neuriet geplaatst. Gedurende de rustpotentiaal is de binnenkant van de membraan elekrtisch negatief geladen en de buitenzijde van de membraan is positief geladen; de elektrische lading bedraagt gemiddeld -60 mV (tussen -50 en -80 mV (= 1/1000 V) ). De verhouding tussen kalium-, natrium- en chloorionen is stabiel: de concentratie van kaliumionen binnen de membraan is hoog, de concentratie Na en Cl is buiten de membraan hoog.

Elektrofysiologische processen: het bereiken van het evenwicht
De membraan van een neuron is selectief permeabel: ionkanalen staan kaliumionen toe om de membraan in te stromen of te verlaten. Hoe wordt de rustpotentiaal aangedreven? Simpelweg: door diffusie van moleculen (de verspreiding van kaliumionen van een locatie met hoge concentratie naar  een locatie met lage molecuulconcentratie) en elektrostatische druk (positief geladen kaliumionen worden door de negatief geladen membraan aangetrokken en negatief geladen deeltjes verlaten de membraan, op weg naar de positief geladen extracellulaire ruimte).

Binnen de membraan bevindt zich een grote hoeveelheid negatief geladen moleculen. Anders dan de kaliumionen (en natriumionen in het geval van polarisatie, want normaliter is de membraan niet-permeabel voor andere ionen dan kaliumionen), kunnen deze negatief geladen moleculen de membraan niet verlaten. De natrium-kaliumpomp pompt natriumionen naar buiten, om kaliumionen binnen te halen. De binnenzijde van de membraan bouwt de hoeveelheid positief geladen kaliumionen op; de kaliumionen zijn vrijwel simultaan aan efflux onderhevig, waardoor de binnenkant van de membraan een negatieve lading bereikt. Het evenwicht is gelijk aan de rustpotentiaal: de influx en efflux van kaliumionen levert een spanning van ca. -60 mV op.

Actiepotentiaal: hyperpolarisatie en depolarisatie
Hyperpolarisatie is een toename van de negatieve lading binnen de membraan. Hyperpolariserende impulsen brengen geen actiepotentiaal teweeg in het neuron; de potentiaal is passief. Wordt aan de axon hillock een piek van ongeveer -80 mV gemeten, zo is de hyperpolarisatie op bepaalde afstand weliswaar op eenzelfde moment waarneembaar, maar de spanning bedraagt niet meer dan tussen de -60 en -70 mV.

De drempelwaarde van depolarisatie ter hoogte van de axon hillock, bedraagt -40 mV. Depolarisatie boven deze drempelwaarde, brengt een actiepotentiaal teweeg. De actiepotentiaal heeft een waarde van ongeveer + 20 mV. Opvallend is dat de actiepotentiaal op iedere locatie dezelfde spanning weergeeft. Het overschrijden van de drempelwaarde van de depolarisatie heeft géén invloed op de amplitude van de actiepotentiaal: de welbekende "alles-of-niets-wet" houdt in dat slechts de overschrijding van de drempelwaarde bepaalt of de actiepotentiaal aanzet tot vuren op het kanaal.

De doorlatendheid van de membraan verandert onder invloed van elektrische prikkels. Is de binnenkant van de membraan meer positief geladen, dan is de membraan meer toegankelijk voor natriumdeeltjes.  Bij het bereiken van de drempelwaarde van de depolarisatie, opent zich een aantal spanningsafhankelijke natriumkanalen. Enkele positief geladen natriumdeeltjes stromen de membraan in; dit proces bewerkstelligt een toename in depolarisatie, waardoor natriumionen aan influx onderhevig zijn. Kaliumdeeltjesverlaten het open kaliumkanaal. Bij een waarde van -40 mV wordt de evenwichtspotentiaal voor natriumionen bereikt.

Wanneer de natriumkanalen zijn geïnactiveerd (niet: gesloten) , kan de neuriet niet verder worden geprikkeld: de absoluut refractaire periode is aangebroken. Deze periode duurt 1/1000 seconde, gelijk de actiepotentiaal. Gedurende de op de absoluut refractaire periode volgende relatief refractaire periode, duurt het proces van het uitstromen van kaliumionen voort. De repolarisatie van het axon leidt tot tijdelijke hyperpolarisatie. Alle spanningsafhankelijke kanalen (dus zowel Na- als K-kanalen) sluiten; het open kaliumkanaal laat de kaliumionen weer in- en uitstromen. Onthoud dat het soma en de dendrieten in de regel weinig spanningsafhankelijke kanalen bezitten.

DNA-RNA: sequentie, transcriptie en translatie

Het DNA is opgebouwd uit de nucleotiden adenine, cytosine, guanine en thymine (ACGT). Adenine en thymine zijn complementair, evenals guanine en cytosine.
In het proces van de transcriptie wordt RNA uit DNA gevormd. Het RNA bestaat uit de nucleotiden die een basenpaar vormen met de basen uit de template, ook wel de "antisense strand", 3' staat tot 5'. Let er wel op, dat de plaats van thymine in het RNA is ingenomen door uracil (dus: T = U ).

De sequentie van het RNA is gelijk aan de sense strand, 5' staat tot 3', met als enige verschil dat T is vervangen door U.
Het mRNA vormt codons van drie nucleotiden. De anticodons in het tRNA vertalen tijdens de translatie, de informatie uit het mRNA naar polypeptiden. Uiteraard zijn de basen van het mRNA en tRNA complementair; dit betekent dat de sequentie van het tRNA leest als de antisense strand 3' tot 5', met dien verstande dat T = U.

Bekijk de volgende tabel met alle mogelijke codons die in het mRNA voorkomen en de polypeptiden die gevormd worden gedurende de translatie.

Translation: mRNA and polypeptides (I've drawn these figures in English, on behalf of international readers)

Neem een willekeurige sequentie uit het template DNA, 3' tot 5',  te beginnen met de basen TAC. Acht maal drie nucleotiden worden in het proces van transcriptie en translatie benut om aminozuren te vormen.

DNA template to mRNA-tRNA and amino acids

Anatomie van de hersenen

Let niet op mijn "tekenkwaliteiten". Voordat het practicum klinische obductie (GEN2KV, kijk op blackboard bij geneeskunde) begint, een voorlopige schets van de anatomie van de hersengebieden en primaire functies.

Aan de bovenzijde van de cortex (vanuit lateraal perspectief) liggen achtereenvolgens de gyrus precentralis, de sulcus centralis en de gyrus postcentralis. De sulcus centralis "verdeelt" het cerebrum in de motorische cortex en de primaire sensibele cortex. Boven de lobus temporalis ligt de fissura lateralis (sulcus lateralis of fissura Sylvii).

De mesencephalon, pons en medulla oblongata geven impulsen tussen ruggenmerg en hersenen door;  de hersenstam is verantwoordelijk voor basale functies als de ademhaling, hartslag, defecatie, emesis en slikken.  Het cerebellum is van belang voor evenwicht en motoriek.

Kloksgewijs kunnen de functies als volgt in kaart worden gebracht:
Geel = cortex praefrontalis = gedrag, persoonlijkheid, integratie aangeleerde aspecten;
Donkergroen = centrum v. Broca, motorisch spraakcentrum (lokalisatie: gyrus frontalis inferior, lobus frontalis-linkerzijde);
Paars = premotorische cortex = coördinatie; gezamenlijk met nuclei basales/ ganglia coördineren van complexe bewegingen;
Azuur = motorische cortex;
Roze = primaire sensibele cortex;
Zonnegeel = sensibele associatiecortex;
Rood = visuele associatiecortex;
Zwart = primaire visuele cortex;

Appeltjesgroen = gehoorsassociatiecortex;
(met de winding mee)
Turkoois = primaire gehoorscortex;
Oker = centrum v. Wernicke, sensorisch spraakcentrum (lokalisatie: gelegen in temporalis, grens met  parietalis).

De organisatie van de hersenen, van neurale buis tot volwassen brein, kan als volgt worden weergegeven:

Divisions of Central Nervous System: brain