Bij het schrijven van dit hoofdstuk is ondermeer gebruikgemaakt van het dictaat Anatomie en Fysiologie van H. Gallé dat vroeger deel uitmaakte van de leerstof van de opleiding tot audiologieassistent.

6.1.1.1(2). Inleiding

Hoofdthema van dit hoofdstuk is het transport van informatie in zintuigsystemen, toegespitst op het auditieve systeem. Kort geformuleerd gaat het in een zintuigsysteem om:

1. Het opnemen van de energie (informatie) van een stimulus
2. Het omzetten van deze energie in zenuwimpulsen (actiepotentialen)
3. Het transporteren van de in zenuwimpulsen opgeslagen informatie naar de hersenen

Het omzetten van de mechanische en vloeistof bewegingen (veroorzaakt door geluid) in zenuwimpulsen vindt bij het auditieve systeem plaats in afzonderlijke zintuigcellen of receptoren, de haarcellen. Het transport naar de hersenen vindt plaats via neuronen. De neuronen passeren op hun weg naar de auditieve cortex ‘schakelstations’, de synapsen. Achtereenvolgens worden in dit hoofdstuk besproken de principes van:

1. Het neuron en de neurale geleiding
2. De synaps
3. De haarcel

Delen van deze onderwerpen zijn reeds elders in dit leerboek aan de orde geweest. Hier worden ze uitgebreider en in relatie tot elkaar besproken.

6.1.1.2(2). Neuronen en neurale geleiding

Neuronen
Het basiselement voor de informatieoverdracht in het neurale systeem is het neuron, ook ‘zenuwcel’ of ‘zenuwvezel’ genoemd. Er zijn verschillende typen neuronen. Bij het bespreken van de structuur en de werking van een neuron wordt uitgegaan van een ‘motorneuron’, zoals afgebeeld in Fig.1. . De zintuigneuronen komen daarna aan de orde.

In een motorneuron worden zenuwimpulsen vanuit het centrale zenuwstelsel overgebracht naar de spieren. Elk neuron bestaat uit vier elementen: een cellichaam (‘soma’) met een kern, de ‘dendrieten’ die informatie naar het soma toe brengen, het ‘axon’ dat de elektrische signalen vanaf het cellichaam over langere afstand transporteert en de eindplaatjes die de getransporteerde informatie naar de dendrieten van het volgende neuron overbrengen. In totaal bevinden zich in de hersenen 10¹² neuronen.

In Fig.2.  is een aantal begrippen, die bij de beschrijving van de werking van een neuron (hier een motorneuron) van belang zijn, schematisch weergegeven. Fig.2 en Fig.1 laten zien dat een axon omgeven is met een telkens onderbroken laagje ‘myeline’, de ‘myelineschede’. Tussen de myelineschedes grenst de celwand direct aan de vloeistof van de omringende weefsels. Deze tussenruimten heten ‘knopen van Ranvier’. De dikte van het celmembraan is daar 10 mm. De aanwezigheid van de myelineschedes heeft tot gevolg dat de elektrische stroom in dit deel van het neuron niet continu verloopt, maar ‘springt’, van de ene knoop van Ranvier naar de volgende. Deze vorm van transport van elektrische activiteit heet ‘saltatorische geleiding’. De snelheid is van de orde van grootte van 120 m/s (afhankelijk van de diameter van het neuron, en de dikte van de myelineschede.

De ‘saltatorische’ geleiding komt tot stand door de bijzondere eigenschappen van het membraan dat een axon omgeeft. Bij meting aan een stukje axon in een fysiologische zoutoplossing wordt tussen een elektrode binnen het axon en een daarbuiten (referentie) een spanningsverschil van -80 mV gevonden. De meting is afgebeeld in Fig.3A  (die direct hierna wordt besproken). Deze – negatieve – celspanning (rustpotentiaal) is het resultaat van een voortdurend transport van verschillend soorten ionen door het celmembraan. Het transport door de membraanwand, van buiten naar binnen en omgekeerd, ontstaat als gevolg van concentratieverschillen, ladingsverschillen en verschillen in permeabiliteit van de wand. Grote organische, negatief geladen, ionen kunnen bijvoorbeeld niet weg uit de cel, terwijl K⁺ ionen gemakkelijk door de celwand heen en weer gaan. Daarnaast zijn er Na⁺ ionen die via een actief metabool proces door het celmembraan van binnen naar buiten worden ‘gepompt’. Deze processen leiden ertoe dat binnen in het axon een relatief hoge concentratie K⁺ ionen aanwezig is en buiten het axon een hoge concentratie Na⁺ ionen, zoals in Fig.2 aangegeven door de grootte van de symbolen. Dit ‘heen-en-weer’ verkeer, waarbij ook negatief geladen Cl¯ ionen en positief geladen Ca²⁺ionen een rol spelen, staat bekend als de ‘Natrium-Kalium’- of ‘ionenpomp’. Wanneer de hiervoor genoemde transporten met elkaar in evenwicht zijn bedraagt de elektrische spanning in het cellichaam –80 mV.

Bij exciteerbare cellen zoals neuronen is de rustpotentiaal onderhevig aan beïnvloeding van buiten. Verstoring van het evenwicht treedt op wanneer als gevolg van een excitatie aan de dendrietenzijde van het axon een depolarisatie optreedt. Bij een depolarisatie neemt de rustpotentiaal in het axon toe waardoor de elektrische spanning daar ter plaatse minder negatief wordt. De depolarisatie kan zo groot en snel zijn dat de celpotentiaal zelfs positief wordt. Dan verandert de in- en uitstroom via het axonale membraan voor Na⁺ en K⁺ ionen en stromen, waar zich een knoop van Ranvier bevindt – want alleen daar is er een directe verbinding met de omringende vloeistof – Na⁺ ionen naar binnen en K⁺ ionen naar buiten (die twee verdragen elkaar niet). Als gevolg hiervan wordt de potentiaal in het axon, ter plaatse van die knoop, positief (Fig.2B). De positieve lading stroomt vervolgens verder in het neuron (naar rechts in Fig.3C). Bij de volgende knoop van Ranvier begint het proces opnieuw: Na⁺ ionen gaan naar binnen en K⁺ionen naar buiten. De laatste stromen terug naar links, naar de ‘vorige’ knoop waar een ‘tekort’ was ontstaan. Dit proces, van knoop tot knoop, kan beschouwd worden als een kringstroompje (Fig.2C). De resulterende ontlading’, ter plaatse van een knoop van Ranvier, heet een ‘actiepotentiaal’. De vorm van een actiepotentiaal is te zien in Fig.4. De actiepotentiaal wordt telkens opnieuw gegenereerd in de opeenvolgende knopen van Ranvier en verplaatst zich zo langs de vezel. Dit is het principe van de geleiding van elektrische signalen langs gemyeliniseerde zenuwvezels. De aanwezigheid van de knopen van Ranvier heeft tot gevolg dat de geleiding veel sneller is dan in ongemyeliniseerde axonen (wordt niet verder uitgelegd).

Een actiepotentiaal (in het Engels ‘spike’) duurt slechts 1 ms. De ionenpomp herstelt in korte tijd weer de rusttoestand. De hersteltijd heet de ‘refractaire periode’. In principe heeft elke verstoring – in positieve richting – van de membraanpotentiaal een actiepotentiaal tot gevolg, mits de mate van verandering een zeker niveau (drempel) overschrijdt.

Voor een axon geldt de ’alles of niets’ wet. Dat wil zeggen dat als een depolarisatie de drempelwaarde overschrijdt (onder de drempel heeft de verandering geen verdere gevolgen) dit een actiepotentiaal veroorzaakt. Deze heeft – onafhankelijk van de grootte van de depolarisatie – altijd de zelfde waarde. Bij een sterkere depolarisatie in het soma is er meer kans op de vorming van een actiepotentiaal en neemt de frequentie waarmee de actiepotentialen optreden toe. Theoretisch kunnen bij een refractaire periode van 1 ms 1000 actiepotentialen (spikes) per seconde ontstaan, maar in de praktijk is een frequentie van 200 à 300 spikes per seconde al zeer hoog.

In een dendriet en in een cellichaam (soma) kunnen potentiaalveranderingen sommeren. Dat gebeurt bijvoorbeeld als enkele dendrietvertakkingen zich verenigen tot een hoofdtak of als verschillende dendrieten elk een voor een soma onderdrempelige depolarisatie aanvoeren. Deze kunnen in het soma als het ware opgeteld worden tot één grotere bovendrempelige depolarisatie en een actiepotentiaal genereren. Ook het omgekeerde gebeurt. Er zijn neuronen die via hun axon op een zintuigcel, een dendriet of een soma, een remmende werking hebben. Dit heet ’inhibitie’ (tegengesteld aan excitatie) Door inhibitie wordt een membraan niet gedepolariseerd, maar gehyperpolariseerd. De membraanpotentiaal wordt dan meer negatief gemaakt. Bij inhibitie ontstaan minder of geen actiepotentialen.

Sensorische neuronen
In het kader van het functioneren van de zintuigen is het tweede type van belang, het ‘sensorische neuron’. In een sensorisch neuron worden de elektrische signalen vanuit de (perifere) zintuigcellen, zoals de binnenste en buitenste haarcellen, via dendrieten overgebracht naar het meer centraal gelegen cellichaam, dus net andersom als bij de motorische neuronen. In Fig.5.  zijn de twee typen naast elkaar getekend. Het auditieve neuron is een ‘type I’ cel die contact maakt met een binnenste haarcel. Alleen de type I neuronen worden hier besproken omdat die de meerderheid van de afferente neuronen van de gehoorzenuw vormen. In deze neuronen bevindt het cellichaam zich in het axon, als een verdikking.

Eén binnenste haarcel maakt (synaptisch) contact met ongeveer 20 dendrieten die elk snel overgaan in een (gemyeliniseerd) axon. De cellichamen van deze neuronen van de gehoorzenuw liggen bij elkaar in het spirale ganglion en vormen daar een bundel (‘zenuwknoop’ of ‘ganglion’) . Aan de centrale kant van het axon bevinden zich eindplaatjes die synaptisch contact maken de dendrieten van volgende neuronen. De bij een bepaald zintuig of bepaalde functie horende bundel neuronen (afzonderlijke zenuwvezels) heet een ‘zenuw’.

6.1.1.3(2). Synapsen

Het transport van informatie (de signaaloverdracht) van het ene neuron naar het andere, of van een zintuigcel (haarcel) naar een (sensorisch) neuron, of van een motorneuron naar een spier vindt plaats via ‘synapsen’. Het gaat daarbij bijvoorbeeld om de overgang van een haarcel naar een dendriet, van de eindplaatjes van een perifeer axon naar de dendrieten van het volgende axon (of direct op het cellichaam daarvan) en om de overgang van de eindplaatjes van een axon van een motorneuron naar een spiercel. Ter plaatse van synapsen zijn de membranen van de cellen slechts gescheiden door een zeer nauwe ‘synaptische spleet’. Het membraan ervóór heet het ‘presynaptische’, en dat erna het ‘postsynaptische’ membraan.

Om een en ander te verduidelijken wordt gebruik gemaakt van Fig.6.  Het bovenste gedeelte in de figuur is het (presynaptisch) eindplaatje van een neuron en het onderste gedeelte is het (postsynaptische) membraan van een cel (een dendriet van het volgende neuron of direct het cellichaam). Het betreft hier een ‘chemische’ synaps .

Tussen de onderkant van het presynaptische uiteinde en de bovenkant van de postsynaptische cel bevindt zich de synaptische spleet. Deze heeft een breedte van 20 μm. In de presynaptische cel, vooral aan de zijde van het presynaptische membraan, bevinden zich een groot aantal blaasjes (‘vesicles’). Deze blaasjes zijn pakketjes ‘(neuro)transmitterstof’ die gevormd worden wanneer K⁺ ionen zich verspreiden in de cel als gevolg van de een depolarisatie van de cel. De blaasjes ‘bewegen’ naar onderen en beïnvloeden de permeabiliteit van het postsynaptische membraan zodat Na⁺ ionen in de postsynaptische cel kunnen doordringen. Dit leidt vervolgens tot depolarisatie van deze (postsynaptische) cel en tenslotte, bij voldoende omvang van de depolarisatie, tot de vorming van een actiepotentiaal. De depolarisatie aan de presynaptische kant die dit proces initieert heet de ‘receptorpotentiaal’ en de depolarisatie aan de postsynaptische kant die daar het gevolg van is heet de ‘generatorpotentiaal’.

Synapsen werken traag in verhouding tot de snelheid van de neurale geleiding. De chemische overdracht kost ongeveer 0,5 ms voor een dikte van 2×10^-3 mm. Dit is 250 keer trager dan de looptijd in dendrieten en 25.000 keer trager dan die in axonen. Ter vergelijking: de looptijd in een axon is 120 m/s, die in een dendriet 1 m/s en een synaps heeft een (equivalente) looptijd van 4 mm/s.

6.1.1.4(2). Haarcellen – omzetting van mechanische en vloeistofbewegingen in zenuwimpulsen

Zoals elders in dit leerboek reeds beschreven bevinden zich in het orgaan van Corti, in de lengterichting, drie rijen buitenste en één rij binnenste haarcellen (Fig.7). 

Op het ‘dak’ (‘cuticular plate’) van elke haarcel staan bosjes stereocilia (haren). De stereocilia op de buitenste haarcellen staan opgesteld in de vorm van een ‘W’. De opening van de W is naar de modiolus gericht. De stereocilia op de binnenste haarcellen staan in een lichte boog. Verder staan de stereocilia van elke cel opgesteld in rijen, waarbij de hoogte van de rij trapsgewijs afneemt in de richting van de modiolus, zoals te zien is in Fig.8.  (in combinatie met Fig.7).

 

Een schematische weergave van de werking van de haarcel is te zien in Fig.9. . De ‘wortels’ van de stereocilia zijn relatief dun, zodat de haren gemakkelijk, vanuit de lengterichting van de cochlea gezien, heen en weer kunnen bewegen. Op de halve hoogte van de haren en ook daaronder bevinden zich verbindingsdraadjes (‘side links’ – niet getekend) die ervoor zorgen dat de bundel als één geheel beweegt. De toppen van stereocilia zijn, opeenvolgend van links naar rechts, met elkaar verbonden door middel van ‘filamenten’ (‘tip links’ – rood aangegeven). In de toppen van de stereocilia bevinden zich ‘poortjes’ waardoor K⁺ ionen uit de endolymfe naar binnen, de haarcel in, stromen.

Voor een goed begrip van het transductieproces is het noodzakelijk te weten dat de stereocilia zich in de scala media bevinden (endolymfe, rustpotentiaal +80 mV) en dat binnen in de haarcel de spanning –45 mV (binnenste haarcel) of –70 mV (buitenste haarcel) bedraagt. Deze intracellulaire potentiaal is het resultaat van een voortdurend transport van verschillend soorten ionen door het celmembraan. Het transport door de membraanwand, van buiten naar binnen en omgekeerd, ontstaat als gevolg van concentratieverschillen, ladingsverschillen en verschillen in permeabiliteit van de wand. Grote organische, negatief geladen, ionen kunnen bijvoorbeeld niet weg uit de cel terwijl K⁺ ionen heel beweeglijk zijn.

Wanneer de bundel stereocilia zich verplaatst in de richting van de langste stereocilia, dus in Fig.9 naar rechts, worden de K⁺ kanalen in de toppen van de stereocilia ‘opengetrokken’ (mechanisch) en stromen K⁺ ionen naar binnen. Daardoor wordt de celspanning ‘meer positief’. Dit heet ‘depolarisatie’. Het omgekeerde gebeurt wanneer de stereocilia van de langste haren áf bewegen. Dan wordt het normale K⁺ ionen transport beperkt en wordt de celspanning ‘meer negatief’. Dit heet ‘hyperpolarisatie’. Men kan dus zeggen dat de beweging van de stereocilia de elektrische spanning in de haarcel moduleert.

De ‘verbinding’ tussen de onderkant van de haarcel en de afferente dendriet is een synaps (Fig.6). Het vervolg van de beschrijving is dan ook hetzelfde als in de vorige paragraaf. Bij een depolarisatie van de haarcel door de beweging van de stereocilia worden in de celwand kanalen geopend waardoor K⁺ ionen de haarcel instromen. Deze activeren het vrijkomen van ‘transmitterstof’. De ‘transmitterstof’ wordt, in de synaptische ‘vessicles’, naar de onderkant van de haarcel getransporteerd, naar de wand bij de synaptische spleet. De neurotransmitters beïnvloeden daar de permeabiliteit van het postsynaptische membraan zodat Na⁺ ionen in de dendriet kunnen doordringen. Dit leidt tot depolarisatie van de dendriet.

6.1.1.5(2). Links

http://www.wetenschapsforum.nl/index.php?showtopic=121832

http://www.sumanasinc.com/webcontent/animations/content/actionpotential.html
(website van ‘Sumanas, Inc. – Multimedia Development Services’ – bevat animaties)

http://www.bioplek.org/animaties/zenuwstelsel/zenuwstelseloverzicht.html
(de website ‘Bioplek’ is initiatief van de biologieleraren Gerard Scholte en Ineke Marres)

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Neuron.svg
(Wikipedia, kort stukje met plaatje over neuron)

http://nl.dreamstime.com/
(website met plaatjes – zoeken)

http://books.google.nl/books?id= 6modmb…haarcel+depolarisatie
(website ‘Medische Fysiologie’ door L.N. Bouman, J.A. Bernards, H.W.G.M. Boddeke)

http://www.bluesci.org/?paged=2
(Cambridge University Science Magazine).

6.1.1.6(2). Verwijzingen

Het transductieproces in de haarcellen wordt ook besproken in Hfdst.4.3.1(2).

Auteur

Lamoré, Kapteyn

Revisie

maart 2011