Inleiding Biofysica John van Opstal Deel 1: De Biofysica van het Neuron (wkn 1-4) Neurale Communicatie en Leren (5) Deel 2: Lineaire Systeemtheorie Toepassing op Oogbewegingen (wkn. 6-8) Bio- Moleculen Netwerk Systemen Membraan Neuron nanometerschaal micrometerschaal millimeterschaal centimeterschaal Coll 1 Coll 2 Coll 3-4 Coll 5 Coll 6-8

Collegestof: Syllabi: zie Blackboard onder Course Documents (deel 1 en deel 2) Uit ‘Neuroscience’ 3rd/4th/5th edition, Purves et al., Sinauer Assoc., MA, USA Hoofdstukken 1-5, 13 en 19 (pdf file van Ed. 3 boek evt. te downloaden) brainfacts.pdf een Neuroscience Primer Werkcollege opgaven (‘Assignments’ in BB) Inleveren werkcollege opgaven levert in totaal maximaal 1 extra bonuspunt op. Werkcolleges Maandag 15:45-17:30 of Vrijdag 10:45-12:30 Vrijdagen 12:45-13:45 vragenuur bij docent (kamer 0.10 afdeling Biofysica)

Basiskennis van de ‘topografie’ van het menselijk brein

het menselijk brein: verschillende regio’s

Coördinaten in relatie tot het menselijk brein

Denkbeeldige vlakken door het menselijk brein

Dwarsdoorsnede (mid-sagittale sectie) van het menselijk brein

Dwarsdoorsnede (coronale sectie) van het menselijk brein

Dwarsdoorsnede (andere coronale sectie) van het menselijk brein

Neocortex is gelaagd (I t/m VI). Lagen IV en V vormen input en output van de neocortex; de overige lagen vormen intra-corticale locale circuits. Ondanks de vele gespecialiseerde gebieden (Brodmann’s areas), is de locale circuitstructuur bijna overal hetzelfde.

De bouwstenen van het brein: - astrocyten - gliacellen - neuronen (vele verschillende typen)

Een aantal verschillende typen neuronen: Retina-I Retina-II Retina-III hersenstam Cerebrale cortex Cerebellum

De onderdelen v/e neuron Axon + myeline

Synapsen en myeline De onderdelen v/e neuron

De dendrieten De onderdelen v/e neuron

Het cellichaam De onderdelen v/e neuron

De onderdelen v/e neuron Axon met myeline en knoop van Ranvier

Structuur en functie: verschillende corticale gebieden zijn betrokken bij verschillende functies. Bijvoorbeeld: verwerking en representatie van sensorische input. Hier de primaire somatosensorische cortex. Concept: het receptieve veld van een neuron. = dié verzameling stimuli die het neuron doen vuren de somatosensorische map de homunculus

Receptief veld van een neuron

De transmissie van visuele informatie door het CZS Ocular dominance kolommen (L,R) V1 V1

De visuele wereld wordt in multipele kaarten afgebeeld: V1 – V4 Achterste deel van het humane brein V4 V3 V1 V2

Hubel & Wiesel filmpjes Meting van het receptieve veld van een neuron in de primaire visuele hersenschors (V1). Dit neuron is gevoelig voor de oriëntatie van lijnelementen in een bepaald deel van de visuele omgeving (het visuele receptieve veld) . De oriëntatiegevoeligheid varieert op een systematische manier tussen naburige ‘kolommen’ in de visuele cortex, en is constant binnen een kolom. Hubel & Wiesel filmpjes

Meting van het receptieve veld van een neuron in de auditieve hersenschors. Hier zijn neuronen gevoelig voor de frekwentie van een aangeboden toon. Naburige kolommen coderen op een systematische manier frekwentie, binnen een kolom is de frekwentiegevoeligheid constant (tonotopische representatie van geluid, ofwel een ‘Fourieranalyse’)

Meting aan neurale circuits met micro-electroden: Individuele membraanpotentialen

Fysische modelbeschrijving van de Hoofdstuk 2: Fysische modelbeschrijving van de electrische potentiaal over het celmembraan Membraan scheidt het intracellulaire medium van de buitenwereld. Membraan is semipermeabel voor specifieke ionen (Na+, K+, Cl-, Ca2+). Membraan is volledig permeabel voor watermoleculen. Tussen binnen- en buitenzijde van het membraan heerst een concentratieverschil voor de verschillende ionen. Wat is hiervan het fysische gevolg?

De vier belangrijkste ionen voor neuronen:

De Wet van Fick voor diffusie van deeltjes in een inhomogene oplossing N(x-L) N(x) ∃Concentratiegradiënt in x-richting; c(x) = N(x)/(YZL) Flux ≡ #deeltjes per tijdseenheid (∆t) door oppervlakte-eenheid (YZ) D = diffusieconstante = L2/(2Δt) Flux:

( ζ = wrijvingscoëfficiënt vd vloeistof) Wordt op het vragenuur behandeld

De Nernst vergelijking Electrische energie v/e ion (valentie z) in electrisch veld (potentiaal V): Membraan: twee gebieden. Binnen (i) en buiten (o). Boltzmann: in evenwicht is de kans om een ion in gebied i met potentiaal Vi te vinden: De Nernst evenwichtspotentiaal (Doen we op vragenuur)

De Nernst evenwichtspotentiaal Electrostatische kracht Entropische kracht Electrostatische kracht Entropische kracht IN OUT V=0, c=20 mM/l V=-58 mV, c=400 mM/l K+ IN OUT V=+50 mV, C=440 mM/l V=0 mV, C=50 mM/l Na+

Stel dat het membraan alleen K+ doorlaatbaar is (oranje). Welk potentiaalverschil ontstaat er dan a.g.v. een concentratieverschil? netto K+ flux van 1 naar 2 Geen netto K+ flux Potentiaalverschil heft K+ flux op De Wet v Nernst:

de membraanpotentiaal beïnvloedt de ionconcentraties: -58 mV is de En andersom: de membraanpotentiaal beïnvloedt de ionconcentraties: -58 mV is de evenwichtspotentiaal Netto K+ flux van 1 naar 2 Geen netto K+ flux Netto K+ flux van 2 naar 1

Bij een actiepotentiaal verandert de membraanpotentiaal heel snel, en dientengevolge ook de geleiding voor de Na en K ionen. Het mechanisme hiervan komt in volgende college aan bod.

Deze week: Bestudeer: Purves: Hoofdstuk 1, Neuroscience Primer Syllabus: t/m pag. 24 Maak: Werkcollege: Opg. 1 + 2 pag. 17/18 Opg. 1 - 3 pag. 32