Communicatie tussen neuronen; College 4: Communicatie tussen neuronen; de Synapse en Leren Syllabus: pagina 67 e.v.

Wat getallen: een synapse is ongeveer 0.5 – 1.0 μm groot per mm3 ~8·108 synapsen ~105 neuronen ~4 km axon (!) ~450 m dendriet Dendriet met spines (dendritische synapsen) Per neuron dus ~8000 synaptische contacten (maar in het cerebellum zijn dit er wel 200000!)

De rol van V-afhankelijke Ca2+ kanalen bij het vrijkomen van neurotransmitters in de synaptische spleet De postsynaptische potentiaal (PSP) verandert als de postsynaptische ionkanalen opengaan oiv neurotransmitters

De PSP: excitatoir (EPSP) of inhibitoir (IPSP): dit hangt af van het type neurotransmitter. Een neurotransmitter kan excitatoire en/of inhibitoire effecten op een postsynaptisch membraan geven: dit hangt volledig af van het type receptor! Bijv. - Glutamaat is altijd een excitatoire neurotransmitter - Acetylcholine is meestal excitatoir (bij spiercellen) - Serotonine is een complexe transmitter - Dopamine idem - Noradrenaline Deze vijf transmitters vormen grote systemen in het brein (het dopaminerge systeem, het serotonerge systeem, etc.) - GABA (gamma-aminobutyric acid) is altijd een inhibitoire neurotransmitter - Nicotine/cocaïne/ etc. - Histamine/Melatonine

Een fysisch model voor de synaptische stroom bij voltage clamp:

Totaal model van (passief) membraan + synapse: Stroomwet van Kirchhoff:

Excitatoire synapse als Inhibitoire synapse als Matlabsimulatie

Een neuron integreert de totale EPSP en IPSP input om al dan niet tot een actiepotentiaal te komen.

+ - SHUNTING INHIBITION excitatie inhibitie De shunting synapse blokkeert het effect van synapsen die verder weg liggen

PSP agv spontane transmitter afgifte van een motor neuron bij de spier. Model: dit komt door één synaptisch blaasje

PSP agv onderdrempelige stimulatie van een motor neuron bij de spier. Model: dit komt door afgifte van transmitter door een geheel aantal synaptisch blaasjes (zie Werkcollege pg. 81 + Hints op BB)

μ = nq = constant, gaat de binominaalverdeling over in Model: - stel dat er n plaatsen zijn waar een blaasje zijn transmitter kan afgeven, en dat de blaasjes stochastisch zijn, en onafhankelijk van elkaar. - stel dat de kans dat een quantum blaasje opengaat q is. Dan is de kans dat er k blaasjes opgaan: binominale verdeling Gemiddeld aantal open blaasjes is dan μ = nq De variantie in het aantal open blaasjes is dan σ2 = nq(1-q) In het geval dat n→∞ en q→0, onder de conditie dat μ = nq = constant, gaat de binominaalverdeling over in de Poissonverdeling (opgave WC, zie óók de Hints!):

De synaptische overdracht tussen corticale neuronen is zeer ruizig Rat cortex Hyppocampus CA1 Betrouwbare communicatie tussen gebieden in cortex komt tot stand doordat grote populaties cellen met elkaar ‘praten’

Leren: het experiment van Pavlov als model voor neurale leerprocessen Hoofdrotatie Geen hoofdrotatie CS = bel (conditioning stimulus) CR = oriënteringsrespons (conditioned response) US = lekker stuk vlees (unconditioning stimulus) UR = kwijlen (unconditioned response)

bel + vlees tegelijk leidt altijd tot kwijlen Na een tijdje gaat de hond al kwijlen als hij alleen de bel hoort ….

Vergelijkbaar experiment: de blinkreflex van een konijn: toon (CS) en luchtpuff (US) kunnen de respons (oogknipper, UR) veranderen. Na een tijdje zal het konijn al knipperen als alleen de toon wordt afgespeeld. Vang dit leerfenomeen in een kwantitatief neuron model, als volgt: Met Θ(x) een simpele drempelfunctie, en θ een vaste drempel; wu en wc zijn synaptische sterktes voor ongeconditioneerde en geconditioneerde stimulus inputs op het ‘neuron’. x Θ(x) 1 Su Sc wu wc θ R

Vóór het associatie-experiment zal de bel niet tot kwijlen leiden, maar vlees wel: Na het associatie-experiment (bel+vlees) zal de bel ook tot kwijlen leiden: De verandering in het brein kan worden begrepen uit de neurale synaptische leerregel van Donald Hebb: Dit is een belangrijk paradigma in de neurale netwerktheorie

Een neurofyiologisch correlaat voor Hebbiaans leren: Long-Term Potentiation (LTP) o.a. veel onderzocht in de hippocampus (hier tussen de CA3 – CA1 synapse, een in-vitro experiment in slices)

de Hippocampus (‘zeepaardje’) The regions CA1 and CA3 contain pyramidal cells as their principal neurons (CA stands for Cornu Ammonis - so called because the whole structure looks like rams horns). The dentate gyrus has granule cells as its principal neuron type. The main excitatory connections are: Entorhinal cortex → perforant path → Dentate gyrus → mossy fibres → CA3 → Schaffer collaterals  (and a big projection via the fimbria to the contralateral hippocampus) → CA1 → alveus → entorhinal cortex

CA3: LTP: Leren: De epsp in CA1 agv stimulatie van de CA3 collateraal (axon) wordt (langdurig) versterkt indien de stimulatie precies tegelijk valt met een depolarisatie van het CA1 neuron. CA3: epsp Een neuraal correlaat voor Pavlov’s data! LTP: CA3 epsp Leren: CA3 epsp + CA1 depol.

CA3-CA1 synapsen kunnen op specifieke wijze worden versterkt: Synapse nr. 2 niet versterkt Synapse nr. 2 wél versterkt

Hebbian learning: een kwantitatief model stabilisering post u w v post w1 v u1 w2 w3 wN u2 u3 uN

De transmissie van visuele informatie door het CZS Een voorbeeld: Oog-dominantie in cellen van de primaire visuele cortex (‘ocular dominance’) L R Ocular dominance kolommen (L,R) V1 V1 De transmissie van visuele informatie door het CZS

EENVOUDIG HEBBIAANS MODEL: V1 cell uL wL v uR wR Linkeroog Rechteroog Simpel lineair neuronmodel: de Hebbiaanse leerregel wordt dan:

Vergelijkingen ontkoppelen door over te gaan op: W=w1+w2 en U = w1-w2

V1 cell uL wL<0 v uR wR>0 Linkeroog Rechteroog Cel is rechteroog dominant Als U(0)>0 dan w∞>0 en wR(0)>0, dus wL(0)<0 V1 cell uL wL>0 v uR wR<0 Linkeroog Rechteroog Cel is linkeroog dominant Als U(0)<0 dan w∞<0 en wR(0)<0, dus wL(0)>0 De oog-dominantie van een V1 cel wordt dus door toeval bepaald (beginconditie) én door een Hebbiaans leerproces.

Opgave 1 H4 op pag. 81 (zie Hints!) WERKCOLLEGE: Opgave 1 H4 op pag. 81 (zie Hints!) Matlab Opgave 3 voor Hodgkin-Huxley simulaties van H3 op pag. 66 (= aangepast op BlackBoard)