Bio-elektriciteit 1: Zenuwcellen sturen elektriciteit van neuron naar neuron

De zenuwcel (neuron) is de eigenlijke functionele eenheid van het zenuwstelsel. Ze zijn met 100 miljard en staan in voor zowel de geleiding van signalen van de hersenen via het ruggenmerg naar de spieren, waardoor de spieren samentrekken, als voor het overbrengen van informatie van de zintuigen naar het ruggenmerg en de hersenen toe. Individuele zenuwcellen fungeren als geleiders en schakelstations van elektrische signalen.

 

Neuronen uit het ruggenmerg van een muis
Bron: NICHD/S, Jeong, Flickr, CC BY 2.0

Neuronen onderscheiden zich van andere cellen in ons lichaam door de dunne, langgerekte en sterk vertakte uitlopers. Die uitlopers kunnen in twee categorieën worden onderverdeeld: dendrieten en axonen. Axonen geleiden van de zenuwcel weg, dendrieten ernaartoe. De meeste zenuwcellen hebben talrijke dendrieten, maar slechts één axon. De dendrieten vangen de elektrische pulsen van andere zenuwcellen op en geleiden die naar het cellichaam. Het cellichaam beslist of de prikkel langs het axon wordt doorgegeven aan andere cellen.

Eén probleem: veruit de meeste neuronen maken geen echt fysisch contact met elkaar. De contactpunten (synapsen) tussen het axon van het ene neuron en de dendriet of het cellichaam van het andere zijn van elkaar gescheiden door een kleine spleet. De elektrische stroom kan deze synaps niet overbruggen. Daarom verloopt de prikkeloverdracht van het ene neuron naar het volgende meestal via een chemische stof, een neurotransmitter. Er zijn echter ook elektrische synapsen, die een snellere informatieoverdracht mogelijk maken.

 

Prikkelgeleiding door zenuwcellen
Bron: MeNS 57

Voorbeelden van dergelijke neurotransmitters zijn acetylcholine, adrenaline, nicotine, serotonine, dopamine en talrijke andere. Enkele voorbeelden en hun functie:

  1. Acetylcholine – vooral betrokken bij impulsoverdracht van zenuwcellen naar skeletspiercellen
  2. Dopamine – fungeert al neurotransmitter en soms als hormoon, speelt een belangrijke rol in het ervaren van geluk, genot, blijdschap en welzijn.
  3. Serotonine – heeft een overwegend inhiberende werking met invloed op geheugen, stemming, zelfvertrouwen, slaap, emotie, seksuele activiteit en eetlust.
  4. Nicotine – heeft een effect op verschillende andere neurotransmitters, o.a. dopamine en acetylcholine.

Deze chemische stoffen zitten opgeslagen in de zenuwcel en worden vrijgegeven als een elektrische puls aankomt aan het einde van het axon. De neurotransmitter komt in de synaps terecht en maakt contact met receptoren op de dendriet of het cellichaam van het volgende neuron (inzet op de figuur hierboven). Deze receptoren zijn vaak ook ionenkanalen die plaatselijk een grote hoeveelheid kationen (natrium en kaliumionen) doorheen de celmembraan kunnen doorlaten. Het ionenkanaal gaat enkel open als er een neurotransmitter op gebonden is (2 op de figuur).

 

De werking van de ionenkanalen van zenuwcellen
Bron: MeNS 57

Door de massale influx van kationen ontstaat lokaal een verstoring van het normale elektrische spanningsveld tussen de binnen- en buitenkant van de cel. Die elektrische spanning wordt doorgegeven in de richting van het cellichaam. Als de neurotransmitter loskomt van de receptor, sluit meteen ook het ionenkanaal (3 op de figuur). In de praktijk hebben de verschillende neurotransmitters elk hun eigen receptor. Ze passen als het ware als een sleutel in een slot. Sommige van die sleutels passen op één enkel slot, andere passen op meerdere sloten en op sommige sloten passen meerdere sleutels.

De elektrische pulsen worden doorgegeven door iets wat een actiepotentiaal heet. Dit is een golf van elektrische ontlading over het membraan van een exciteerbare, dus prikkelbare, cel, zoals een neuron. De potentiaal over zo’n membraan ontstaat doordat zich aan beide zeiden van het membraan een verschillende hoeveelheid ionen, meestal kalium of natriumionen, bevindt. Algemeen bevinden zich meer positieve ionen (meestal natriumionen) aan de buitenkant van het celmembraan, dan aan de binnenkant, waar zich vooral kaliumionen bevinden. Als een neurotransmitter zich bindt op de juiste receptor op de buitenkant van het membraan, gaan natriumkanalen open waardoor natrium van buiten naar binnen kan stromen. Hierdoor stijgt de membraanpotentiaal van ongeveer -70 mV tot een bepaalde grenswaarde bereikt wordt, meestal ongeveer -55 mV. Zodra deze grenswaarde bereikt wordt, gaan nog meer kanalen open waardoor nog meer natrium naar binnen kan stromen en de membraanpotentiaal nog verder stijgt, tot ongeveer 40 mV. De cel is nu volledig gedepolariseerd. Om er voor de zorgen dat deze toestand niet eeuwig aangehouden blijft, gaat ook een tweede soort kanalen open, de kaliumkanalen. Hierdoor kan kalium van binnen naar buiten de cel stromen en wordt de polarisatie herstelt. De natriumkanalen worden daardoor tijdelijk geïnactiveerd, waardoor er een korte periode is waarin de cel niet met geëxciteerd kan worden, tot deze terug klaar is om het volgende signaal door te geven.

De verschillende fasen in het verloop van een actiepotentiaal.
Bron: bewerkt van Peter Duncan, Wikimedia, CC BY-SA 4.0

 

Dit volledige proces neemt niet meer dan een fractie van een seconde in beslag en zorgt ervoor dat we op elk moment onze spieren kunnen samentrekken en onze reflexen kunnen werken.

 

Deze blogpost is een aanvulling op Elementair, onze podcast over wetenschap, hier te vinden op Spotify.

Deze podcast wordt gesteund door het Fonds Ernest Solvay via de Koning Boudewijnstichting

Geplaatst door Geert op 17/01/2020 om 20:51