Op zoek naar de klepel

bij dezen en genen

Meer dan neuronen alleen

Alsof het menselijk brein nog niet complex genoeg was met zijn 100 miljard neuronen, zijn er ook zo’n biljoen (1012) gliacellen. Deze cellen hebben verschillende functies, het zijn multitaskers. Ze hebben een belangrijke rol tijdens de ontwikkeling van het brein, gedurende het proces van “pruning” ofwel het snoeien van synapsen, maar ze zijn naast mogelijke andere functies ook belangrijk als passieve structuur waar de neuronen houvast aan vinden.

De uiteinden van neuronen of dendrieten, eenmaal geactiveerd door een elektrisch of chemisch signaal, brengen dit signaal van een uiteinde van de cel naar het cellichaam via een elektrisch potentiaal dat zich langs het membraan van het dendriet voortbeweegt. Vanuit het cellichaam wordt deze stimulus doorgegeven aan de axon van de cel die ook vele uitlopers heeft. De uitlopers vormen op hun beurt synapsen met andere neuronen waarmee het signaal wordt geamplificeerd. Op niveau van de synapsen wordt het elektrisch signaal omgezet in een chemisch signaal namelijk met neurotransmitters. Het volgende filmpje laat zien hoe neuronen eruit zien en hoe ze werken.

Men weet al langer dat de glia verschillende functies heeft. Dit type cellen kan bijvoorbeeld de myeline vormen die zich rond de axonen van de neuronen windt en deze isoleert zodat het elektrisch signaal zich met sprongen verplaatst waarmee de snelheid verhoogd wordt. De radiale glia dient als structuur voor de neuronen zodat ze daar langs kunnen klimmen. De microglia vormt het immuunsysteem van het brein.

Immunofluorescentie van cellen van de hippocampus van de rat. Neuronen (groen) en Astrocyten (rood). Het DNA in de celkernen is blauw. (Image: IN Cell Image Competition)

Zodra de neuronen hun plaats tussen de cellen van de radiale glia hebben gevonden, veranderen deze laatste in astrocyten. Dit zijn de cellen die in het grootste aantal voorkomen in het brein. Het zijn zeer mysterieuze cellen. Een enkele uitloper kan zich om meer dan een miljoen synapsen winden. Ze maken ook kanalen waardoor moleculen op en neer kunnen reizen tussen de cellen. Ze hebben zelfs receptoren waarmee ze neurotransmitters kunnen binden. Dit betekent dat ze ‘meeluisteren’ met de gesprekken tussen de neuronen.
Pas in 1990 was men in staat te ontdekken wat astrocyten met deze kwaliteiten konden doen. Het bleek dat ze in antwoord op neurotransmitters geen elektrisch signaal doorgeven zoals de neuronen, maar een golf aan calcium-ionen. Dit calcium ligt normaal opgeslagen in structuren binnen de cel. Deze pakketjes gaan open daar waar de receptoren geactiveerd worden door de neurotransmitter. Vervolgens stimuleert het vrije calcium zelf het opengaan van nog meer pakketjes. Na zo’n golf worden de ionen opnieuw opgeslagen in de pakketjes tot het volgende signaal. Deze golven verplaatsen zich niet alleen binnen een astrocyt, maar kunnen ook doorgegeven worden aan andere astrocyten. De astrocyten zelf kunnen ook neurotransmitters vrijgeven. Daarmee kunnen ze neuronen min of meer gevoelig maken voor een stimulus.

De astrocyten hebben met hun calciumgolven, net als de neuronen, de mogelijkheid informatie te verwerken. Dat zou een enorme rekenkracht toevoegen aan het brein. Het zijn tenslotte de meest voorkomende cellen in het brein. Wellicht hebben ze met hun calcium golven een eigen soort rekenkracht naast die van de neuronen. Nimmerjahn, verbonden aan Stanford University, monteerde microscopen op de schedels van muizen. Met moleculen die oplichten zodra ze calcium binden konden ze oplichtende astrocyten observeren zodra de muis bewoog.

In het volgende filmpje van het MIT zijn astrocyten (wit) te zien die net na de neuronen (groen) oplichten als antwoord op een visuele stimulus.

vZUu8j

Astrocyten zijn ook van levensbelang voor synapsen. Neuronen die gekweekt worden samen met astrocyten vormen 10 keer zoveel synapsen en de activiteit daar was 100 keer zo groot. Onze synapsen veranderen naarmate we leren. Zou er daar ook een rol liggen voor astrocyten ? Experimenten met knock out muizen, (muizen waarvan een gen uitgeschakeld is), wijzen uit dat deze muizen een normaal leven leiden wanneer een belangrijk eiwit voor het openen van de calciumpakketjes ontbreekt.

De meest voorkomende cellen in ons brein blijven zo een mysterie. Deze astrocyten vormen de donkere materie van ons brein.

Uit: Brain Cuttings van Carl Zimmer (2010)

35 Reacties op “Meer dan neuronen alleen

  1. Glaswerk november 21, 2012 om 01:40

    Hoe meer men ontdekt, hoe mysterieuzer de werking van het brein lijkt te worden.

    Een kleine opmerking: waarschijnlijk heb je triljoen uit het Engels overgenomen. Een trillion is 10^12, maar een ‘Europees’ triljoen is gelijk aan 10^18.

    Anyway, wat het ook is, het blijven onvoorstelbare aantallen.

  2. harry p november 21, 2012 om 09:26

    klopt helemaal glaswerk.

    donkere materie? er is nog meer ‘donkere energie’ (M. Raichle cs)
    kortom, we ain’t seen nothing yet!

  3. Marleen november 21, 2012 om 09:33

    Glaswerk, ik heb het inmiddels verbeterd. Dankjewel.
    Het zijn niet alleen de getallen die natuurlijk onvoorstelbaar zijn, maar ook al die extra informatie van de astrocyten waar men doorgaans geen rekening mee houdt bij de studie van neuronen.

  4. Marleen november 21, 2012 om 09:35

    Antoinette, het is ondoorgrondelijk wat er niet allemaal gebeurt.

  5. Marleen november 21, 2012 om 09:38

    Harry,

    Hoe moeten we dit nu zien in de context van het connectoom ? Dat is per definitie opgebouwd uit het netwerk van neuronen, maar er spelen blijkbaar veel meer hersencellen een belangrijke rol.

  6. Marleen november 21, 2012 om 10:14

    Aad, dankjewel ! Wellicht zal ik het ooit aan Carl Zimmer door kunnen geven.

  7. harry pinxteren november 21, 2012 om 14:24

    marleen,

    korte antwoord:
    laat ze eerst C elegans eens proberen (vrij naar S Brenner).

    Lange(re) antwoord volgt en ik hoop het nu eens goed uit te kunnen leggen😉

    waarschijnlijk had je dit al gezien:

    Hennady P. Shulha, Jessica L. Crisci, Denis Reshetov, Jogender S. Tushir, Iris Cheung, Rahul Bharadwaj, Hsin-Jung Chou, Isaac B. Houston, Cyril J. Peter, Amanda C. Mitchell, Wei-Dong Yao, Richard H. Myers, Jiang-fan Chen, Todd M. Preuss, Evgeny I. Rogaev, Jeffrey D. Jensen, Zhiping Weng, Schahram Akbarian. Human-Specific Histone Methylation Signatures at Transcription Start Sites in Prefrontal Neurons. PLoS Biology, 2012; 10 (11): e1001427 DOI: 10.1371/journal.pbio.1001427

    Daar geldt hetzelfde voor. Maar knap onderzoek en goed alternatief voor dat EP geleuter.

  8. kuifjesimon november 21, 2012 om 14:39

    Wat meer rust en tijd zei de neuroloog. Verbaasd keek ik hem aan. Kunt u dat wat luider herhalen vroeg ik hem. U weet wel voor die miljarden neuronendingesen in mijn hoofd. Of heb ik er soms te veel van. Gekke vent hoor zo’n neuroloog; ik heb hem jouw blog doorgestuurd😉

  9. Marleen november 21, 2012 om 17:04

    Harry, Zojuist gelezen dat de 302 neuronen van het connectoom van C.elegans al in kaart gebracht is. Het blijkt een netwerk te zijn van het type ‘small-world network’ dat zijn speciale kenmerken heeft. Alles is te vinden op Wikipedia.

    Dankjewel voor de link. Zo te lezen gaat het om de epigenetische markering via methylatie van histonen. Zo zouden ze ook de methylatie van het DNA zelf kunnen onderzoeken want daar zouden ook nog verschillen kunnen zijn met andere primaten.

    Ik heb in het bericht een link toegevoegd naar een video van 21 seconden van het MIT, waarin te zien is hoe astrocyten net na de neuronen oplichten en iets langer blijven ‘doorgloeien’.

  10. Marleen november 21, 2012 om 17:10

    Simon, We hebben allemaal ongeveer 100 miljard neuronen + 1 biljoen andere hersencellen. Nog meer lijkt me bijna onmogelijk. Maar er een paar missen kun je zeker. Mensen bij wie een hemisfeer weggehaald is kunnen naar het schijnt toch nog goed functioneren.

  11. harry pinxteren november 22, 2012 om 10:26

    marleen
    dat was juist mijn punt (en dat van Brenner, en een hoop anderen): het meest in kaart gebrachte dier, maar geen idee hoe die neuronen werken, in de verste verte geen model (er is onderzoek waaruit blijkt dat een model van 3 neuronen (inlcusief feedback) al onbegonnen werk is en sowieso biologisch onvolledig want ze houden geen rekening met neuromodulators:http://www.its.caltech.edu/~bi250c/papers/bargmann_12.pdf

    Kun jij – zonder te betalen aan science- artikeltjes komen?

    Ik zou wel eens willen zien wat Lichtman er nu over zegt (zijn artikel over de problemen met het connectoom uit 2088 heb ik al een paar keer ter sprake gebracht. Benieuwd of hij nu wel oplossingen ziet:
    Lichtman JW, Denk W (2011) The big and the
    small: challenges of imaging the brain’s circuits.
    Science 334(6056): 618–623.

    • harry pinxteren november 22, 2012 om 10:58

      ps en die C elegance heeft niet eens gliacellen!
      trouwens heb je intussen ook gelezen dat Einstein er op twee plekken juist opvallend veel had. Ik geloof in dat deel van de perietaalkwab waar ook onze rekenvaardigheid zit. Dat zou wel eens kunnen kloppen- hoewel, moest deman het hebben van zijn rekenkunst?!😉

    • harry pinxteren november 22, 2012 om 11:22

      ps2
      een van de concrete tegenvoorbeelden die altijd worden geveven is de Paramecium : eencelligen die van alles kunnen, zelfs leren (conditioneren).

      Een cel is al moeilijk genoeg. We zijn dus terug bij af: jouw vak!

  12. harry pinxteren november 22, 2012 om 13:04

    marleen,

    laatste nieuws over C elegans
    nou ben je weer helemaal bij:

    One neuron does it all!

    http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0896627312008057

  13. Marleen november 22, 2012 om 14:18

    Opnieuw dank voor de links Harry,

    De neuromodulators maken het functioneren van de zenuwcellen inderdaad allemaal nog complexer. Maar het connectoom (dat is toch een 3D beschrijving van het netwerk van het zwnuwstelsel) is in C elegans echt gemaakt hoor.

    Wikipedia:
    It is one of the simplest organisms with a nervous system. In the hermaphrodite, this comprises 302 neurons[13] whose pattern of connectivity, or “connectome”, has been completely mapped and shown to be a small-world network.

    En C elegans heeft ook wel gliacellen:

    http://www.sciencedaily.com/releases/2008/07/080720214453.htm
    http://link.springer.com/protocol/10.1007/978-1-61779-452-0_12

    Het klopt ook niet dat C elegans maar één motorneuron zou hebben. Er wordt in je link gesproken van ‘a specific type of motorneuron’.

    Het paramecium heeft geen zenuwstelsel, dus is in dit verband niet zo interessant. Het eencellige diertje schijnt ook niet te kunnen leren.

    Maar we blijven doorzoeken.

  14. harry pinxteren november 22, 2012 om 20:46

    marleen,

    bedankt voor de links. Van die glia had ik gemist. Alles in kaart gebracht, 300 neuronen 7000 synapsen, etc etc. ‘Although the connectome is known, the behaviour of the neurons is not, nor the behaviour of the synapses’ volgens het http://www.artificialbrains.com/openworm project. Wat moet je dan van dat blue brain project en zo verwachten?
    http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=c-elegans-connectome

    Interessant vond ik dat diezelfde motorneuron ook gebruikt kunnen worden als sensor.

    Er zijn een hoop mensen die die paramecium daarom juist zo interessant vinden omdat je dat beest wel kunt conditioneren. Ik heb ook nooit anders gehoord. Waar heb jij dat van?

  15. gert korthof november 23, 2012 om 09:19

    Marleen: ” Nimmerjahn, verbonden aan Stanford University, monteerde microscopen op de schedels van muizen. Met moleculen die oplichten zodra ze calcium binden konden ze oplichtende astrocyten observeren zodra de muis bewoog.”
    Hoe moet ik me dat voorstellen een loodzware microscoop gemonteerd op de schedels van vrolijk rondlopende muizen?

  16. Marleen november 23, 2012 om 10:08

    Harry, Prachtige links allemaal. Ik moet het (4-pagina’s tellende) artikel in de Scientific American nog lezen. Intussen dit bedankje.

    Over Paramecium las ik in Wikipedia, maar ook hier wordt er iets over gezegd:
    http://www.angelfire.com/linux/vjtorley/assoclearning2.html onder de foto bovenaan.

  17. Marleen november 23, 2012 om 10:10

    Gert, ik had er ook geen duidelijke voorstelling bij. Maar wellicht is deze techniek gebruikt. Het muisje schijnt nergens last van te hebben.

    http://blogs.discovermagazine.com/80beats/2011/09/15/tiny-head-mounted-microscope-rides-along-as-mice-go-about-their-business/

  18. harry pinxteren november 23, 2012 om 10:51

    marleen,

    interessante beestjes hoor, als je even verder zoek!
    Fels D (2009) Cellular Communication through Light. PLoS ONE 4(4): e5086. doi:10.1371/journal.pone.0005086

    en macrophagen laten zien dat je geen zenuwstelsel nodig hebt om wat te leren- tenminste, die in Zweden!
    http://www.behavioralandbrainfunctions.com/content/pdf/1744-9081-7-47.pdf

    we hebben een beetje een semantische kwestie: ik associeer de term connectoom niet met het uitschrijven van al die 7000 synapsen en zo, maar met de simulatie, emulatie, van een compleet CZ. Markram overspeelt zijn hand, denk ik. En de publiciteit, al is dat ook een manier om je project gefinancieerd te krijgen.

  19. Marleen november 23, 2012 om 12:50

    Harry, dat PLOS-artikel is inderdaad bijzonder interessant. Daar had ik nog nooit van gehoord en kan het ook bijna niet geloven. Je zou verwachten dat in de natuur het gewone daglicht deze delicate communicatie verstoort.

    Het connectoom wordt wel degelijk gedefinieerd als het fysieke netwerk van neuronen. Het Bleu Brain project van Makram daarentegen bekijkt het functioneren van een brein, dat toch iets anders is ?

  20. Rob van der Vlugt november 23, 2012 om 14:13

    Marleen,

    Tegen het eind van je artikel schrijf je: “Neuronen die gekweekt worden samen met astrocyten vormen 10 keer zoveel synapsen en de activiteit daar was 100 keer zo groot. Onze synapsen veranderen naarmate we leren.”
    Zou het grote verschil in functionaliteit tussen menselijke hersenen en de hersenen van andere primaten niet gelegen kunnen liggen in het effect dat die astrocyten blijkbaar hebben op het aantal schakelingen/verbindingen in onze bovenkamer ? M.a.w. valt ons ‘anders zijn’ binnen de mensapentak niet volledig te verklaren vanuit dit cadeautje van moeder natuur ?
    Naast de ontstellende hoeveelheid overeenkomsten moet toch ergens ook het verschil gemaakt zijn.

  21. Marleen november 23, 2012 om 15:46

    Rob, als je wat rondkijkt naar artikelen over astrocyten in primaten vind je niet veel. Er is wel een artikel waarin beschreven wordt dat de astrocyten van mensen groter zijn en een andere vorm hebben. Het is me niet duidelijk in vergelijking met welk ander organisme.
    http://www.cell.com/trends/neurosciences/abstract/S0166-2236(06)00175-5

    Er is een duidelijk verschil met knaagdieren:
    http://www.jneurosci.org/content/29/10/3276.full

    Sommige studies lijken volgens dit blogbericht te suggereren, dat deze cellen een rol zouden kunnen spelen in de intelligentie van de mens aangezien ze veel groter zijn dan in andere dieren.
    http://www.science20.com/news_articles/astrocytes_cultivated_lab_dish-79230

    Waarschijnlijk is dit onderzoek nog te jong om er iets zinnigs over te kunnen zeggen. Dat er morfologische verschillen zijn is duidelijk. Of ze inderdaad verantwoordelijk gehouden kunnen worden voor dit verschil in intelligentie is nog te bezien. Het zou een mooie verklaring zijn en de aandacht wat weghalen van de genetische aspecten.

  22. harry pinxteren november 23, 2012 om 17:10

    marleen

    Het Bleu Brain project van Makram daarentegen bekijkt het functioneren van een brein, dat toch iets anders is ?

    Ja dat bedoelde ik: dat associeer ik met de term ‘connectoom’. niet het ‘fysieke netwerk van neuronen’, zoals die 7000 van de C elegans.

    Intussen heeft dit wel een aantal interessante dingen opgeleverd. doen.

    Ik zag dat er nu ook al neuronen zijn die mekaar beinvloeden zonder synapsen, ephaptic coupling heet dat. Wel eens gehoord, maar schijnt nu echt waar te zijn!

    Kortom, meer dan alleen synapsen😉

  23. Marleen november 23, 2012 om 18:37

    Harry, het brein wordt er steeds complexer van. Daarmee wordt dat project van Makram wel erg lastig om uit te voeren.

    Over ephaptic coupling vond ik het volgende:
    http://ts-si.org/neuroscience/28866-electrical-fields-coordinate-brain-neuron-firing

    Je krijgt het idee dat deze koppeling een bijverschijnsel is van de actiepotentialen langs de axon. In bovenstaand artikel staat inderdaad geschreven dat deze ‘coupling’ vroeger als bijverschijnsel werd beschouwd, maar nu dus niet meer. Waarom het nu als een heus biophysisch proces wordt beschouwd, d.w.z. een verschijnsel dat zijn nut heeft in het CZS is mij niet duidelijk.

  24. harry pinxteren november 25, 2012 om 12:32

    marleen,

    lastig ja, op zijn zachtstgezegd. Kurzweil gaat zijn weddenschap dan ook verliezen.

    Daarom was ik benieuwd of Licht man nu wel licht aan het einde van de tunnel ziet (in 2008 nog total niet).

    Kun jij hier makkelijke aan komen?
    Lichtman JW, Denk W (2011) The big and the
    small: challenges of imaging the brain’s circuits.
    Science 334(6056): 618–623.

    • harry pinxteren november 25, 2012 om 12:41

      ps
      misschien moesten we gewoon bij het begin beginnen!

      McGregor S, Vasas V, Husbands P, Fernando C (2012) Evolution of Associative Learning in Chemical Networks. PLoS Comput Biol 8(11): e1002739. doi:10.1371/journal.pcbi.1002739

  25. Marleen november 25, 2012 om 18:04

    Harry,

    Ik heb geen toegang tot Science jammer genoeg. Ik kan ook geen mooie samenvatting van het artikel vinden op een of ander blog of zo.

    Dat artikel van McGregor is wel heel interessant. Er is blijkbaar een grote groep onderzoekers die die zich bezig houdt met chemical networks in silico, networks die kunnen leren ! Dat is helemaal nieuw voor me. Ik zal eens zoeken of er al wat review artikelen van bestaan want dit artikel is niet makkelijk.

  26. harry pinxteren november 26, 2012 om 15:02

    jammer marleen,

    ik vond verder ook niks. Kan nog komen. Het is wel een groep die redelijk aan de weg timmert en een van die lui heeft samengewerkt met Szathmáry.

    Trouwens, we hoeven niet per se onderaan te beginnen hoor, bovenaan kan ook.

    Bijvoorbeeld dit leuke onderzoek, is ook relevant voor de discussie, maar dan uiteraard op hoger niveau!😉

    Dus geldt het zeker voor het blog van Gert, hoewel die het niet meer nodig vindt op mijn kritiek te reageren.

    http://rspb.royalsocietypublishing.org/content/278/1725/3694.full.pdf

    (als je de discussie een beetje gevolgd hebt,zie je dat dit onderzoek perfect aansluit bij wat ik daar beweerde..)

    • harry pinxteren november 26, 2012 om 15:04

      sorry, vergis me. Je had het over Lichtman, ik bedoelde inderdaad die groep van McGregor: gaan we nog meer van horen!

      de rest van mijn opmerkingen klopt ook😉

  27. Marleen november 26, 2012 om 16:43

    Harry, Het artikel van McGregor is erg moeilijk, wat ik er van begrijp is dat associatief leren betekent dat wanneer een gebeurtenis A die tegelijk met gebeurtenis B plaats heeft er een hogere kans bestaat dat gebeurtenis B zich voor zal doen wanneer alleen A plaats zal hebben. Dit wordt gesimuleerd met computers (in silico dus). En dan op moleculair niveau. Dit betekent dat enzymatische reacties of hun substraten in cellen kunnen ‘leren’ en dat er zich dus evolutie voor kan doen op dit niveau. Hoe dit zich vertaalt in natuurlijke moleculen weet ik niet. Het zal waarschijnlijk te maken hebben met inductie van veranderingen in conformatie van de enzymen of iets dergelijks. Het betekent dat er geen zenuwstelsel nodig is voor associatief leren. Een discussie hierover zou een discussie op zeer hoog niveau zijn !! 😉

    Ik heb de discussie bij Gert wel gevolgd, en ben het met je eens dat dierenrechten een maat voor onze menselijkheid zijn. Verder weet ik niet precies waar het over gaat. Je link naar Kaneko en Tomonaga (pdf) is erg interessant. Het enige dat ik er over kan zeggen is dat het me een erg mooie studie lijkt met positieve resultaten voor wat de gelijkenis tussen de mens en chimpansee betreft. De methode die gebruikt wordt is erg interessant, videogames.

  28. harry pinxteren november 26, 2012 om 21:15

    ok, marleen
    ik zal nog eens een poging wagen of ik er uit kan halen wat voor mij relevant is. Als het wat oplevert, laat ik hetals ik een knuppel in het hoenderhok kan gooien, zal ik het niet laten!

    Trouwens, het lijkt me tijd worden voor een ander blog: wij zijn nog de enigen hier!😉

Praat mee en laat hier uw reactie achter

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s

Zwervende gedachten

Een filosoof over argumentatie, biologie, handelingstheorie en wat hem verder invalt

Jonas Bruyneel

Literatuur/Journalistiek/Muziek

mjusicamanti.wordpress.com/

per amanti della vera musica

SangueVivo

Ancora solo un battito in più

Microplastics

INTERREG MICRO PROJECT

Scientia Salon

Philosophy, Science, and all interesting things in between

Infinite forme bellissime e meravigliose

si sono evolute e continuano a evolversi

Vita da simbionte

perché collaborare è talvolta meglio che combattere

Meneer Opinie

Altijd een mening, maar niet altijd gehinderd door kennis van zaken

The Cambrian Mammal

An evo-devo geek's scientific meanderings

Evolutie blog

bij dezen en genen

The Finch and Pea

The Public House for Science...

voelsprieten

* wonder van het alledaagse *

the aphid room

All about aphids... not simply bugs|

kuifjesimon

Just another WordPress.com site

The Amazing Comics Men

Comics by Dutch cartoonists Jan the Stripman & Wim the Mysterious Helpman

Barbara Jansma

Prenten, spotprenten en schilderijen

%d bloggers op de volgende wijze: