Het zenuwstelsel: functies, indeling en werking

Het zenuwstelsel is een orgaansysteem dat een zeer grote rol speelt bij dieren. Het zorgt voor aansturing van handelingen, emoties, prikkels en verschillende processen. Het menselijke zenuwstelsel is zeer complex en bestaat uit vele verschillende onderdelen. In dit artikel worden de belangrijkste onderdelen beschreven en ook hoe de signaaloverdracht tot stand komt.

Functies van het zenuwstelsel

Sensorische input: Sensorische receptoren ontvangen externe en interne stimulansen, resulterend in bewuste belevingen (zicht, geur, pijn) en onbewuste (bloed pH, bloeddruk)

Integratie: de hersens en de ruggengraat zijn de hoofdorganen bij het proces van sensorische input en het teweegbrengen van responsen. De input kan leiden tot een directe respons, een herinnering of kan genegeerd worden.

Instandhouden homeastase: het bestaan van onderling op elkaar afgestemde processen die voor het leven noodzakelijke toestanden constand houden

Mentale activiteit

Controle over spieren en klieren

Indeling zenuwstelsel

Centraal zenuwstelsel (CNS): hersens + ruggengraat
Perifere zenuwstelsel (PNS): schedelzenuwen en ruggengraatzenuwen, sensorische receptoren, zenuwen, ganglia en plexuses
Somatisch zenuwstelsel: geleidt actiepotentialen van het CNS naar skeletspieren. Deze worden vrijwillig bestuurd door het somatisch zenuwstelsel. De somatische zenuwcellen bevinden zich in het CNS en hun axonen monden via zenuwen uit in een synaps met skeletspiercellen. (Voornamelijk bewuste bewegingen).
Autonomisch zenuwstelsel (ANS): geleidt actiepotentialen van het CNS naar de gladde spieren, hartspier en bepaalde klieren. Het bestaat uit twee verschillende neuronen. (Voornamelijk onbewuste processen).

Sympatisch: actief bij fysieke inspanning
Parasympatisch: regelt rustende/vegetatieve functies (voedselvertering, plassen)
Enteric nervous system: bestaat uit plexuses in de wand van verteringsorgaan

Begrippen

Sensorische receptoren: de uiteinden van zenuwcellen of gespecialiseerde cellen die temperatuur, pijn, aanraking, licht, geluid e.d. kunnen waarnemen. Ze bevinden zich in de huid, spieren, gewrichten, interne organen en in gespecialiseerde sensorische organen (ogen, oren).
Zenuw: bundel van axonen en hun schedes die het CNS verbindt met de sensorische receptoren, spieren en klieren. 12 paar schedelzenuwen komen uit de hersens en 31 paar ruggengraatzenuwen van de ruggengraat.
Ganglion: een verzameling van zenuwcellen buiten het CNS
Plexus: een extensief netwerk van axonen en, in sommige gevallen, ook zenuwcellen buiten het CNS
Synaps: verbindingspunt tussen een zenuwcel en een andere cel, het is een ruimte tussen twee cellen, de plek waar actiepotentialen in de ene cel, actiepotentialen in de andere cel kunnen veroorzaken.

Opbouw zenuwcel

Een zenuwcel bestaat uit een cellichaam en twee uitsteeksels: dendrieten en axonen.
cellichaam: bestaat uit een relatief grote kern met daarin een nucleolus. Daarnaast bevat het ruw ER, golgisysteem, mitochondria en andere organellen. In sommige cellen komen vettige druppeltjes en melanine pigment voor. Ook komen allerlei neurovezels en microtubulen voor die gebieden met ruw ER afscheiden zodat er Nissl bodies (of chromatofiele substantie) ontstaan.

Dendrieten: korte, veel vertakte cytoplasmische uitsteeksels die vanaf het cellichaam spitser toelopen. Veel dendrieten hebben nog kleinere vertakkingen: de dentritische spines, axonen van andere zenuwcellen vormen synapsen met deze spines. Dendrieten ontvangen de input, wanneer ze gestimuleerd worden sturen zij elektrische stroompjes naar het cellichaam.

Axonen: axonen ontstaan bij een kegelvormig gebied van het zenuwcellichaam, de axon hillock. Het begin van een axon wordt initial segment genoemd. Een axon kan enkelvoudige structuur hebben, maar kan vertakken in collateral axons. Elke axon heeft een constante diameter, de lengte kan echter variëren van enkel mm tot een meter. Het cytoplasma en membraan van de axon wordt ook wel axoplasma en axolemma genoemd. Een axon eindigt in een structuur met vele vertakkingen, presynaptische terminals. Deze terminals bevatten vesicles met neurotransmitters. Neurotransmitters komen vrij wanneer er een actiepotentiaal ontstaat bij de trigger zone, de potentiaal wordt geleidt door de axon en komt zo bij de presynaptische terminal, waar het de afgifte van neurotransmitters stimuleert. De vrijgekomen neurotransmitters steken de synaps over en stimuleren of remmen de postsynaptische cel.

Indeling neuronen

Neuronen kunnen ingedeeld worden naar functie, o.b.v. de richting waarin de potentiaal wordt geleid.

Sensorische (afferente) neuronen: actiepotentiaal gaan richting CNS
Motorische (efferente) neuronen: actiepotentieel van CNS naar spieren/klieren

Neuronen kunnen ingedeeld worden naar structuur, o.b.v. aantal uitsteeksels

Mutipolaire neuronen: veel dendrieten, één axon
Bipolaire neuronen: één dendriet en één axon

Unipolaire neuronen: één axon, deze is verdeeld in twee stukken. Eentje leidt naar het CNS, terwijl het andere deel naar het perifere leidt en dendrietachtige sensorische receptoren heeft, dat stimuli ontvangt.

Neuroglia van het CNS

Astrocyten: Stervormig, vormen de bloed-hersenbarrière die neuronen in de hersenen en de ruggenmerg beschermen tegen toxische stoffen in het bloed.

Ependymale cellen

Microglia: Gespecialiseerde macrofagen in het CNS die dood weefsel, micro-organismen en onbekende stoffen opruimen

Oligodendrocyten: Hebben cytplasmische uitstulpingen die axonen kunnen omringen. Als ze meerdere keren een axon omringen vormen ze myeline schedes.

Neuroglia van het PNS

Schwanncellen: Kunnen op dezelfde manier als oligodendrocyten myeline schedes vormen rond een axon. Verschil is dat schwanncellen slechts een stuk van één axon kan bekleden, terwijl oligodendrocyten stukken van verschillende axonen kan bekleden.

Satellietcellen: Omringen cellichamen in ganglia, dienen voor steun en aanvoering van voedingsstoffen.

Elektrische signalen (actiepotentialen)

In normale situaties zijn de concentraties Na+ en Cl- buiten de cel groter, terwijl de K+-concentratie binnen de cel groter is.
De Na+/K+ pomp kan dmv. actief transport de concentraties variëren. Het pompt Na+ (cel uit) en K+ (cel in) door het plasmamembraan tegen de concentratiegradiënt in, in de verhouding 3:2 voor elk ATPmolecuul dat verbruikt wordt.

Ionen kunnen de cel in en uit via ionkanalen:
Nongated ionkanalen: zijn altijd open en ionspecifiek. Het aantal kanalen van elke soort geeft de permeabiliteit van het membraan voor het ion aan. Zo is het membraan voor K+ meer permeabel dan voor Na+ omdat er veel meer K+ ionkanalen zijn.
Gated ionkanalen: openen/sluiten als respons op stimuli.

Ligand-gated ionkanalen: openen/sluiten als respons op binding van een ligand aan de receptor

Voltage-gated ionkanalen: openen en sluiten als respons op kleine spanningveranderingen over het membraan. In een ongestimuleerde cel is de binnenkant van een cel negatief tov. buiten de cel. Wanneer een cel gestimuleerd wordt gaan gated ionkanalen open/dicht en verandert het potentiaal. Hierdoor gaan voltage-gated ionkanalen open/dicht.

Other-gated ionkanalen: ionkanalen die reageren op iets anders dan een ligand of voltage veranderingen. Bv. temperatuur- en drukreceptoren.

Rustmembraanpotentiaal

De inter- en extracellulaire vloeistoffen van een cel zijn bijna neutraal. Tussen het intercellulaire en extracellulaire heerst echter wel een potentiaalverschil. In rust bedraagt dit verschil, het rustmembraanpotentiaal, -70 tot -90 mV.
Het rustmembraanpotentiaal komt tot stand door de permeabiliteit van het plasmamembraan. K+ ionen kunnen vrij de cel in en uit diffunderen (via non-gated ionkanalen). Doordat de concentratie K+ in de cel hoger is, zullen de ionen de cel uit diffunderen. Hierdoor wordt het intercellulaire deel van de cel negatiever geladen. Maar hierdoor worden de positieve K+ ook weer aangetrokken. Het rustmembraanpotentiaal is dus een evenwicht tussen K+ ionen die de cel uitgaan en K+ ionen die de cel in diffunderen. Het membraan is matig permeabel voor Na+ en Ca2+ en redelijk permeabel voor Cl-. Hierdoor heeft K+ de grootste invloed op het potentiaalverschil.
De Na+/K+ pomp is ook iets verantwoordelijk voor het rustmembraanpotentiaal omdat het drie Na+ de cel uit transporteert en maar twee K+ de cel in.

Veranderen van het rustmembraanpotentiaal

K+ concentratie gradient:
De concentratie K+ is hoger binnen de cel dan buiten. Een toename van de extracellulaire K+ concentratie leidt tot een kleiner potentiaalverschil en dus een kleinere K+ concentratiegradiënt. Hierdoor diffundeert er minder K+ de cel uit en wordt de cel minder negatief. Bij dit evenwicht is dus het rustmembraanpotentiaal kleiner. Het verkleinen van het potentiaal wordt depolarisatie (of hypopolarisatie) van de rustmembraanpotentiaal genoemd. Een afname van de extracellulaire K+ concentratie leidt tot een groter concentratieverschil en een verhoogde K+ concentratiegradiënt. Meer K+ ionen diffunderen de cel uit en de cel wordt negatiever geladen. Het rustmembraanpotentiaal wordt negatiever, hyperpolarisatie.

K+ membraan permeabiliteit:
Ookal kunnen K+ ionen door het membraan diffunderen, het membraan is in rust niet helemaal vrij permeabel voor K+ ionen. Als gated K+ kanalen zich openen neemt de permeabiliteit voor K+ toe; meer K+ ionen kunnen de cel uit. Hierdoor wordt de cel negatiever (hyperpolarisatie).

Na+ membraan permeabiliteit:
Een ongestimuleerde cel heeft een lage permeabiliteit voor Na+ ionen omdat er weinig non-gated Na+ kanalen zijn. Veranderingen in Na+ concentraties dragen daarom niet veel bij aan het rustmembraanpotentiaal. Als de gated Na+ kanalen openen, neemt de permeabiliteit toe. Na+ stroomt de cel in en de cel wordt positiever depolarisatie.

Extracellulaire Ca2+ concentraties:
Voltage-gated Ca2+ kanalen zijn gevoelig voor concentratieveranderingen van extracellulair Ca2+. Als deze afneemt gaan de kanalen open en andersom.

Actiepotentiaal

Wanneer een lokaal potentiaal een depolarisatie veroorzaakt en daarbij een bepaald niveau, de treshold, bereikt, ontstaat er de zogenaamde actiepotentiaal. Een actiepotentiaal is een grote verandering in het membraanpotentiaal dat zich langs het hele membraan kan verplaatsen om zo van het ene deel van het lichaam naar het andere te komen.
Actiepotentialen kunnen alleen ontstaan wanneer er sprake is van een depolariserend lokaal potentiaal. Ze ontstaan onder het alles-of-niets principe. Bij een depolariserend lokaal potentiaal dat groot genoeg is om de energiebarrière te overbruggen ontstaat een actiepotentiaal (‘alles’), bij een te kleine lokaal potentiaal is er geen actiepotentiaal, ongeacht de grootte(niets).

Een actiepotentiaal bestaat uit drie fasen

Bron: Chris 73, Wikimedia Commons (CC BY-SA-3.0)

Depolarisatie fase:
Het membraanpotentiaal wordt t.o.v. het rustmembraanpotentiaal positiever. Door de potentiaalverandering in het membraan gaan voltage-gated Na+ kanalen open. Wanneer de treshold bereikt is gaan heel veel Na+ kanalen open. Hierdoor diffunderen meer Na+ de cel in. De depolarisatie die hierop volgt veroorzaakt het openen van nog meer Na+ kanalen. Meer Na+ diffundeert de cel in, wat resulteert in een grotere depolarisatie van het membraan, wat weer resulteert in het openen van meer voltage-gated Na+ kanalen positieve feedback cyclus dat door gaat tot alle Na+ kanalen geopend zijn.

Repolarisatie fase:
Het membraanpotentiaal keert terug naar het rustmembraanpotentiaal. Als de depolarisatie zijn maximum heeft bereikt beginnen de inactivation gates van de Na+ kanalen te sluiten. De gates van de K+ kanalen zijn echter nog steeds aan het openen. Hierdoor neemt de permeabiliteit van het membraan voor Na+ af en voor K+ toe repolarisatie. Uiteindelijk openen de inactivation gates weer en sluiten de activation gates.

Afterpotentiaal:
Na de repolarisatie kan het membraan eventjes hyperpolariseren. De K+ kanalen staan nl. nog een tijdje open. Tijdens de drie processen zal de Na+/K+ pomp proberen de evenwichten te herstellen, dit effect is echter niet merkbaar omdat de pomp te langzaam is.

Synapsen

Er zijn twee soorten synapsen:

Elektrische synaps: opening waar de membranen van twee cellen dicht bij elkaar komen in aanwezigheid van connexons (staafvormige eiwitten die de opening overbruggen). Een actiepotentiaal in de ene cel kan een stroompje veroorzaken die door de connexons een actiepotentiaal in de volgende cel stimuleren. Elektrische synapsen komen niet veel voor in het zenuwstelsel, maar wel in het hart en in veel gladde spieren.

Chemische synaps: de belangrijkste onderdelen van een chemische synaps zijn de presynaptische terminal (einde van de axon), de synaptische spleet (de ruimte die de axon scheidt van de volgende cel) en het postsynaptisch membraan. Bij chemische synapsen spelen neurotransmitters een essentiële rol.

Neurotransmitterafgifte

Actiepotentialen die de presynaptische terminal bereiken leiden tot het openen van voltage-gated Ca2+ kanalen.

Ca2+ diffundeert de presynaptische terminal in, hierdoor fuseren de synaptisch vesicles (die neurotransmitters bevatten) met het membraan (exocytose). Neurotransmitters komen zo in de synaptische spleet terecht.

De neurotransmitters binden aan receptoren, resulterend in het openen van ligand-gated ionkanalen. Ionen kunnen nu de cel in/uit diffunderen om zo het membraanpotentiaal te veranderen.