Neuronen, neuronnetwerken en communicatie tussen neuronen

We kunnen zien, horen, voelen, proeven en ruiken omdat onze zintuigen samenwerken met onze hersenen. De lichtstralen bijvoorbeeld komen via je ogen binnen, maar op dat moment ben je je nog niet bewust van wat je ziet. Het netvlies zet de lichtstralen om in elektrische signalen die via de oogzenuw naar de hersenen worden geleid. De hersenen zetten deze elektrische signalen om in bewuste beelden. En dit alles gebeurt in een fractie van een seconde. Hoe werkt dit nou?

Het brein is opgebouwd uit miljarden zenuwcellen. Zenuwcellen die in staat zijn om bijvoorbeeld geluidsgolven en lichtstralen door te geven, worden ook wel neuronen genoemd. Elke neuron staat in verbinding met groot aantal andere neuronen. Verbindingen tussen meerdere neuronen noem je dan ook een neuronennetwerk:

Eerst de neuron zelf, want wat is een neuron precies? Een opzichzelfstaande neuron is in feite nog niet heel bijzonder. Een neuron heeft enkel het vermogen om een signaal wel of niet door te geven aan andere neuronen. De kracht en de frequentie van dit signaal bepalen of het signaal uiteindelijk doorgegeven wordt (Konrad, B. N., 2018)

De basis van een neuron bestaat, net als iedere andere cel, uit een cellichaam en een nucleus. Aan het cellichaam vast zitten de dendrieten. De dendrieten hebben als functie om signalen van andere neuronen op te vangen. Op een neuron kunnen meerdere signalen tegelijkertijd worden aangevoerd. Al deze signalen samen gaan vervolgens door de axon, waar elke neuron er maar één van heeft. Aan het einde van deze axon zitten uitlopers die zich kunnen verbinden met de dendrieten van andere neuronen, zodat een signaal kan worden doorgegeven. De axon is echter niet direct gekoppeld aan de dendriet van de volgende cel, hier is een synaps voor nodig. Een synaps is een minuscule ruimte tussen de axon en de dendrieten waarin chemische reacties plaatsvinden die essentieel zijn voor het doorgeven van signalen (Frank Wijnen, F. V., 2008). Dit werkt als volgt:

Het elektrische signaal uit de axon wordt omgezet in een chemisch signaal. Deze chemische signaalstoffen heten neurotransmitters. De pre-synaptische neuron wil informatie delen met de post-synaptische neuron. Op het moment dat het elektrische signaal is omgezet in een chemisch materiaal en het signaal zich aan het eind van de pre-synaptische neuron bevindt, bepaald de drempelwaarde of de neurotransmitters (chemische signalen) wel of niet worden doorgelaten naar de synaptische spleet. Als de minimale drempelwaarde wordt behaald, binden de neurotransmitters zich vervolgens aan de receptoren op de dendriet van de post-synaptische neuron.

Zoals gezegd wordt niet elk signaal doorgegeven. Dit heeft te maken met diverse chemische reacties die in een neuron plaatsvinden. Het signaal waar we het over hebben wordt ook wel een impuls of actiepotentiaal genoemd. Een impuls of actiepotentiaal is van origine een prikkel die vanuit het milieu is opgevangen en vervolgens omgezet is in een impuls (denk aan geluid à trillingen). Een impuls wordt doorgegeven via ladingsverschillen op het membraan (vlies rondom de cel). Dit werkt als volgt:

In de vloeistof binnen een cel zitten vooral kalium deeltjes, buiten de cel natrium deeltjes. De verhouding tussen de kalium en natrium deeltjes zorgen voor een bepaalde lading. Een impuls kan worden doorgegeven, wanneer de lading binnen en buiten de celmembraan veranderen ten opzichte van andere delen van diezelfde membraan. Het zijn dus de ladingsverschillen binnen een membraan die zorgen voor het doorgeven van impulsen. Deze ladingsverschillen worden veroorzaakt door kalium en natriumpompen die zich in het celmembraan bevinden. Deze pompen kunnen natrium en kaliumdeeltjes doorlaten, waardoor de lading binnen en buiten de cel verandert. De frequentie waarop een impuls wordt gegeven, bepaalt hoe sterk de impuls is en hoe ver deze dus gaat komen. Is de kracht van de impuls te laag, wordt de drempelwaarde (Het minimale verschil in lading in het celmembraan t.o.v. andere delen in het membraan dat benodigd is om een impuls door te geven) niet bereikt en wordt er dus geen signaal doorgegeven (Madeja, M., 2011)

Deze afbeelding laat zien wat er voor en na een actiepotentiaal gebeurt. Eerst wordt de drempelwaarde in het membraan van -55 mV, waardoor natrium/kalium pompen open gaan staan er een actiepotentiaal ontstaat. Na een actiepotentiaal gaat het neuron terug in ruststand.

In een stappenplan ziet dit er als volgt uit:

De buitenkant van de cel is positief geladen, de binnenkant negatief. Verschil in lading is het membraanpotentiaal = -70 millivolt.

1. Rustfase - er gebeurt niks in de cellen. De poorten zijn dicht en het membraanpotentiaal is -70 millivolt.

2. Depolarisatie - enkele natriumpoorten gaan open en er stroomt natrium van de buitenkant naar de binnenkant. Er wordt een drempelwaarde van ongeveer -55 millivolt bereikt. Het verschil in lading wordt dus kleiner. Dit moment is cruciaal voor het actiepotentiaal. Als deze drempelwaarde wordt gehaald dan gaan alle poorten open. Als de drempelwaarde niet wordt gehaald, dan gaan de poorten weer dicht.

3. Stijging van het actiepotentiaal - alle natriumpoorten gaan open, maar de kaliumdeeltjes kunnen nog niet de cel uit. De binnenkant wordt positief: +35 millivolt. Er is echt sprake van een actiepotentiaal en het signaal wordt doorgegeven.

4. Daling van actiepotentiaal - de natriumpoorten sluiten en de kaliumpoorten gaan open. Het membraanpotentiaal daalt weer naar ongeveer -55 millivolt.

5. Hyperpolarisatie - natriumkanalen gaan volledig dicht. Kaliumkanalen blijven open en het membraanpotentiaal wordt nog iets lager - rustfase.

Een voorbeeld:

Kim, 3 jaar, wordt door haar moeder aangekleed. Als de moeder van Kim, Kim’s jas pakt, laat ze de jas zien, wijst ze ernaar en vertelt ze dat het gaat om een jas. In het brein gebeurt dan het volgende:

Er komen twee prikkels binnen: één via de ogen van Kim (beeld van de jas), één via haar oren (de combinatie van klanken van het woord jas). Speciale cellen voor zowel de ogen als de oren van Kim zetten de prikkels om in elektrische signalen (transductie). Deze elektrische signalen kunnen via neuronen in het brein verplaatst worden, deze signalen noem je actiepotentialen. Op het moment dat de moeder van Kim de jas laat zien en benoemt wat het is worden er twee netwerken gevormd: één netwerk waarin de informatie over het beeld van de jas staat opgeslagen en één netwerk waarin de informatie over de klanken (trillingen) van de jas staan opgeslagen. Omdat beide netwerken op hetzelfde moment gevormd en geactiveerd worden, komen ze met elkaar in verbinding te staan. Hierdoor ontstaat de associatie tussen de combinatie van klanken in het woord jas en het beeld van een jas. De volgende keer dat Kim haar jas ziet, worden de opnieuw inkomende prikkels herkent en wordt een neuraal netwerk geactiveerd. In dit netwerk zit o.a. de informatie over de uitspraak van het woord jas opgeslagen, waardoor Kim haar jas en het bijbehorende woord weet te herinneren. Duurt het echter (te) lang voordat Kim haar jas weer ziet, zwakken deze netwerken af en zal ze niet of met veel moeite haar jas en het bijbehorende woord kunnen herkennen.