Wat is de functie van synapsen? - Chapter 2

Wat is het concept van de synaps?

In 1906 demonstreerde Charles Sherrington dat communicatie tussen neuronen verschilt van communicatie via een enkel axon. Hij leidde een gespecialiseerde spleet af tussen neuronen en gebruikte de term synaps om deze spleet te beschrijven. Een synaps is de plek waar tussen twee neuronen de informatieoverdracht plaatsvindt. De ontdekking van Sherrington was geweldig, omdat hij dit met behulp van onderzoek naar gedrag kon bedenken en beredeneren, terwijl wetenschappers pas een halve eeuw later de technieken hadden om synapsen en hun eigenschappen direct te bestuderen.

Eigenschappen van synapsen

Sherrington verrichte onderzoek naar reflexen; automatische spierreacties op stimuli. Het circuit van een sensorisch neuron naar een respons van een spier wordt een reflexboog genoemd. Als neuronen onderling gescheiden zijn, heeft een reflex communicatie tussen verschillende neuronen nodig. Sherrington observeerde verschillende eigenschappen van reflexen die de indruk gaven dat er speciale processen plaatsvinden in de verbindingen tussen neuronen:

• Reflexen zijn langzamer dan geleiding via axonen.
• Verschillende zwakke stimuli die gepresenteerd worden op enigszins verschillende plaatsen of tijden produceren sterkere reflexen dan een enkele stimulus doet.
• Wanneer een stel spieren gespannen wordt, ontspant een ander stel zich.

Snelheid van een reflex en uitgestelde transmissie in de synaps

In zijn onderzoek vond Sherrington dat de snelheid van geleiding via de reflex varieerde. Hij concludeerde dat een bepaald proces de geleiding vertraagde en nam aan dat dit proces moest plaatsvinden wanneer neuronen met elkaar communiceerden. Dit idee is essentieel, omdat het de fundering vormt voor het bestaan van synapsen.

Temporele summatie

Het herhalen van stimuli binnen een korte periode heeft een cumulatief effect. Sherrington noemde dit fenomeen temporele summatie. Hij veronderstelde dat een enkele kneep een synaptische transmissie produceerde die onder de grens zat van het post-synaptische neuron, de cel die de boodschap ontvangt. De cel die de boodschap aflevert, is de presynaptische neuron. Als de knepen elkaar snel opvolgen, wordt het effect van een nieuwe kneep toegevoegd aan de effecten die over waren van vorige knepen, totdat de combinatie de grens overschrijdt en een actiepotentiaal produceert. Gedeeltelijke depolarisatie is een gegradeerd potentiaal. Gegradeerde potentialen kunnen depolarisaties (exciterend) of hyperpolarisaties (inhiberend) zijn. Een gegradeerde depolarisatie wordt ook wel een exciterend post-synaptisch potentiaal (EPSP) genoemd.

Spatiële summatie

Het werk van Sherrington wekte de suggestie dat synapsen ook de eigenschap van spatiële summatie hebben: synaptische input van gescheiden locaties combineert hun effecten op een neuron. Twee knepen zorgden samen voor een reflex; de twee punten waar werd geknepen activeerden namelijk twee neuronen waarvan de axonen samenkwamen in een neuron in het ruggenmerg. Een combinatie van knepen zorgde voor het overschrijden van de grens en het produceren van een actiepotentiaal. Spatiële summatie is essentieel voor het functioneren van het brein; het zorgt ervoor dat een sensorische stimulus de cellen van de cortex genoeg zal stimuleren om ze te activeren. Temporele en spatiële summatie komen gewoonlijk samen voor; een neuron ontvangt input van verschillende neuronen op bijna hetzelfde moment.

Inhiberende synapsen

Sherrington ging uit van bepaalde connecties in het ruggenmerg; een kneep in een voet stuurt een boodschap via een sensorisch neuron naar een tussenneuron in het ruggenmerg, dat de motorneuronen activeert zodat spieren in dat been strekken (extensie) en de andere spieren in het been buigen (flexie). De tijdelijke hyperpolarisatie van een membraan wordt een inhiberend post-synaptisch potentiaal (IPSP) genoemd. Een IPSP vindt plaats wanneer synaptische input selectief de poorten opent zodat kaliumionen de cel kunnen verlaten of chloride-ionen de cel in kunnen gaan.

De relatie tussen ESPS, IPSP en actiepotentialen

Het zenuwstelsel heeft vele complexe patronen van verbindingen, welke een oneindige verscheidenheid aan reacties produceren. Synapsen verschillen in duur van geproduceerde effecten. Het effect van twee synapsen op hetzelfde moment kan meer zijn dan het dubbele effect van elke synaps apart, of juist minder dan het dubbele effect. De meeste neuronen hebben een spontane vuursnelheid en een periodieke productie van actiepotentialen, zelfs bij afwezigheid van synaptische input. In zulke gevallen verhogen EPSP’s de frequentie van actiepotentialen boven een spontane vuursnelheid en verlagen IPSP’s de frequentie. Als de spontane vuursnelheid van een neuron 10 actiepotentialen per seconde is, dan kan een lading aan EPSP’s dat aantal verhogen naar 15 of meer, en een lading IPSP’s dat aantal verlagen tot 5 of lager.

Welke chemische activiteiten vinden plaats in de synaps?

Sherrington ging ervan uit dat synaptische transmissie een volledig elektrisch proces was. Nu weten we dat de meeste synapsen afhankelijk zijn van chemische processen.

De ontdekking van chemische transmissie in synapsen

T.R. Elliot suggereerde dat sympathische zenuwen spieren stimuleren door het vrijlaten van chemicaliën (1905). O. Loewi concludeerde na een experiment dat zenuwen boodschappen versturen door middel van het vrijlaten van chemicaliën (1920). Ondanks de ontdekking van Loewi bleven veel wetenschappers geloven dat de meeste synaptische transmissies elektrische processen waren. Pas in de jaren ’50 werd vastgesteld dat chemische transmissies dominant zijn in de informatieoverdracht in het zenuwstelsel.

De keten van chemische gebeurtenissen in een synaps

Voor het begrijpen van biologische psychologie is het van belang om de chemische gebeurtenissen in de synaps te begrijpen. Dit zijn de belangrijkste gebeurtenissen:

• Het neuron zorgt voor de synthese van chemicaliën die als neurotransmitters dienen. Kleinere neurotransmitters worden gesynthetiseerd in de uiteinden van de axonen en neuropeptiden in het cellichaam.
• Het neuron transporteert de neuropeptiden naar de dendrieten. Actiepotentialen maken het mogelijk dat calcium de cel binnenkomt. Calcium zorgt voor het vrijlaten van neurotransmitters vanuit de uiteinden van de axonen in de synaptische spleet.
• Neurotransmitters hechten zich aan de receptoren en veranderen de activiteit van het post-synaptische neuron.
• De neurotransmittermoleculen komen los van de receptoren.
• Neurotransmitters worden heropgenomen in het presynaptische neuron voor recycling of verspreiden wijdverbreid.
• Post-synaptische cellen laten retrograde transmitters los om verdere loslating van neurotransmitters te controleren.

Typen neurotransmitters

Neurotransmitters zijn chemicaliën die zijn vrijgelaten door een neuron om een andere neuron te beïnvloeden. Dit zijn mogelijke neurotransmitters:

• Aminozuren: glutamine, GABA, glycine, asparaginezuur en wellicht anderen.
• Gemodificeerd aminozuur: acetylcholine.
• Monoamines: onderscheid tussen indoleamines en catecholamines.
• Peptiden: ATP, adenosine en wellicht anderen.
• Gassen: stikstofmonoxide en wellicht anderen.

Bijna alle neurotransmitters zijn aminozuren of komen voort uit aminozuren of ketens van aminozuren. De meest verrassende uitzondering is stikstofmonoxide (NO). Stikstofmonoxide is giftig in grote hoeveelheden. Een speciale functie van stikstofmonoxide heeft te maken met bloedtoevoer. Als een hersendeel erg actief wordt, neemt de bloedtoevoer naar dat gebied toe.

Synthese van transmitters

Neuronen laten stikstofmonoxide vrij dat de bloedvaten verwijdt. Catecholamines, zoals (nor)adrenaline en dopamine, bevatten een catecholgroep en een aminegroep. De aminozuren phenylalanine en thyroxine zijn voorlopers van dopamine, norepinephrine en epinephrine. Tryptofaan, de voorloper van serotonine, gaat door de bloed-hersenbarrière heen met een speciaal transportsysteem dat het deelt met andere grote aminozuren. De hoeveelheid serotonine in het brein hangt af van de hoeveelheid tryptofaan in het dieet (oftewel: hoe meer tryptofaan in je dieet, hoe hoger je serotonine level). Tryptofaan concurreert met andere, meer talrijke, aminozuren, zoals phenylalanine. Om meer tryptofaan naar het brein door te laten zou je dus het gehalte phenylalanine omlaag kunnen brengen. Je kan er ook voor kiezen meer koolhydraten te eten, die stimuleren namelijk de afgifte van insuline en dat haalt een aantal concurrerende aminozuren uit de bloedbaan richting de lichaamscellen, waardoor er minder concurrentie is voor tryptofaan.

Opslag van transmitters

Het presynaptische uiteinde slaat hoge concentraties van neurotransmittermoleculen op in een vesikel; een klein transportblaasje dat stoffen bevat. Er zijn ook neurotransmitters die zich buiten de vesikels bevinden. Stikstofmonoxide wordt zelfs meteen vrijgelaten en niet opgeslagen. Soms breken MAO’s, monoaminen, neurotransmitters af tot inactieve chemicaliën.

Loslaten en verspreiden van transmitters

Depolarisatie opent voltage-geactiveerde poorten in het presynaptische uiteinde. Binnen een of twee milliseconden nadat calcium het uiteinde binnenkomt, veroorzaakt het exocytose, de vrijlating van neurotransmitters in uitbarstingen uit het presynaptische neuron naar de synaptische spleet. De neurotransmitter verspreidt zich naar het post-synaptisch membraan, waar het zich hecht aan de receptor. Neuronen laten een combinatie vrij van twee of meer neurotransmitters, motorneuronen kunnen dit zelfs op verschillende locaties. Waarschijnlijk doen neuronen dit om een complexere boodschap te kunnen versturen. Ondanks dat een neuron een beperkt aantal neurotransmitters kan vrijlaten, kan het reageren op neurotransmitters of ze ontvangen in verschillende synapsen.

Activeren van receptoren van de post-synaptische cel

De betekenis van de neurotransmitters is afhankelijk van de ontvanger; verschillende neuronen reageren anders op dezelfde stof. Deze reacties zijn onder te verdelen in verschillende soorten, namelijk ionotropische effecten en metabotropische effecten.

Ionotropische effecten

Wanneer de transmitterstof zich bindt aan een ontvanger op het membraan worden de poorten voor een type ion geopend. De kanalen in een synaps zijn ‘transmitter-gated’ of ‘ligand-gated’ (een ligand is een chemische stof die zich aan een andere chemische stof bindt). De meeste exhiberende ionotropische synapsen gebruiken de neurotransmitter glutamine. De meeste inhiberende ionotropische synapsen maken gebruik van de neurotransmitter GABA. Ook glycine en acetylcholine zijn voorkomend bij ionotropische synapsen.

Metabotropische effecten en tweede berichten systemen

Deze effecten ontstaan doordat transmitters aanleiding vormen voor een opeenvolging van stofwisselings- (metabolische) reacties. Ze duren langer dan ionotropische effecten maar zijn ook langzamer. Bovendien maken ze in tegenstelling tot ionotropische effecten gebruik van een grote variatie aan neurotransmitters. Als de neurotransmitter zich bindt aan een metabotropische receptor, buigt het de proteïne van de receptor, waardoor een deel hiervan binnen het neuron kan communiceren met andere moleculen. Het deel activeert een G-proteïne, een die is gekoppeld aan GTP, een energie-opslaand molecuul. De G-proteïne verhoogt de concentratie van een tweede boodschapper, die communiceert met gebieden binnen de cel. Ionotropische en metabotropische synapsen dragen bij aan andere soorten gedrag.

Neuropeptiden

Onderzoekers noemen neuropeptiden soms neuromodulatoren omdat ze bepaalde eigenschappen hebben waardoor ze zich onderscheiden van andere transmitters. Zo worden neuropeptiden vrijgelaten door cellichamen, dendrieten en zijkanten van axonen. Ook worden neuropeptiden gesynthetiseerd in het cellichaam en vervolgens verplaatst naar andere delen van de cel, terwijl de meeste andere neurotransmitters gesynthetiseerd worden in de presynaptische terminal. Een actiepotentiaal kan andere neurotransmitters vrijlaten, maar voor het vrijkomen van neuropeptiden is herhaalde stimulatie nodig. Echter, als een aantal dendrieten een neuropeptide los heeft gelaten, dan zal het stofje dat vrij gekomen is andere dendrieten primen om dezelfde neuropeptide los te laten. Neuronen die neuropeptiden bevatten, laten deze neuropeptiden dus niet vaak los, maar wanneer ze het wel doen, dan komt er een substantiële hoeveelheid vrij. Neuropeptiden zijn daarnaast diffuus en ze hebben dus een trage werking, maar ze bereiken wel een groot gebied in de hersenen. Neuropeptiden zijn belangrijk voor honger, dorst, intense pijn en andere lange termijnveranderingen in gedrag en ervaring.

Variatie in receptoren

De hersenen hebben verschillende soorten receptoren. Receptoren verschillen in hun chemische eigenschappen, hun reacties op drugs en de rol die ze spelen in gedrag. Hierdoor kunnen er medicijnen ontwikkeld worden die een gespecialiseerd effect hebben op het gedrag. Een bepaalde receptor kan verschillende effecten hebben op verschillende mensen, omdat er verschillen bestaan tussen de honderden proteïnen die geassocieerd zijn met een synaps. Mensen kunnen genetisch op vele manieren verschillen, wat de invloed op het gedrag betreft.

Drugs die zich verbinden aan de receptoren

Een medicijn of drug dat chemisch lijkt op een neurotransmitter kan binden aan de bijbehorende receptor. Veel hallucinerende drugs (zoals lsd) lijken chemisch op serotonine. Ze binden aan serotonine receptoren en ze bieden stimulatie aan op ongepaste momenten. Een ander voorbeeld is nicotine. Nicotine is overvloedig op neuronen die dopamine vrijlaten, dus nicotine verhoogt de vrijlating van dopamine op die plekken. Dopamine wordt geassocieerd met beloning, dus het stimuleren van nicotine wordt ook als belonend ervaren. Antipsychotica blokkeren dopaminereceptoren. Dit veroorzaakt bijwerkingen of minder plezier en motivatie.

Inactiviteit en het opnieuw opnemen van neurotransmitters

Neurotransmitters worden inactief gemaakt op verschillende manieren, afhankelijk van de soort neurotransmitter. Neuropeptiden verspreiden zich gewoon en verdwijnen op die manier. Methylphenidate (Ritalin) wordt vaak voorgeschreven aan mensen met AD(H)D, een aandoening gekenmerkt door impulsiviteit en slechte controle van de aandacht. Methylphenidate blokkeert, op dezelfde manier als cocaïne, de heropname van dopamine. Mensen die methylphenidate pillen nemen, krijgen te maken met een geleidelijke verhoging van de stoffen, gevolgd door een langzame verlaging, terwijl dit bij het snuiven of injecteren van cocaïne heel snel gaat. Daardoor krijg je bij methylphenidate – mits je niet overdoseert of injecteert – niet te maken met opwinding, begeertegevoelens of verslaving, wat typerend is voor cocaïnegebruik.

Negatieve feedback van de post-synaptische cel

Een aantal mechanismen in het zenuwstelsel geeft feedback op een ontvangen boodschap. Autoreceptoren zijn receptoren die de hoeveelheid vrijgelaten transmitters opmerken, en verdere vorming en vrijlating voorkomen als een bepaald niveau van transmitters wordt bereikt. Sommige post-synaptische neuronen reageren op stimulatie door speciale chemicaliën vrij te laten die terugreizen naar het presynaptische uiteinde, waar ze verdere vrijlating van een transmitter tegenhouden.

Elektrische synapsen

Sommige synapsen werken wel elektrisch, zoals Sherrington suggereerde. Elektrische overdracht is vele malen sneller dan chemische overdracht. Elektrische synapsen zijn er voor de gevallen waarbij cellen exact synchroon moeten werken, bijvoorbeeld bij ademhaling. Bij een elektrische synaps komt het membraan van één neuron in direct contact met dat van een ander neuron; ‘gap junction’. Grote poriën van het membraan van het ene neuron liggen precies op één lijn met soortgelijke poriën in het membraan van het andere neuron. Deze poriën blijven constant open, waardoor wanneer een van de neuronen gepolariseerd is, natriumionen van dat neuron snel naar het andere neuron stromen en het andere neuron ook depolariseren. Hierdoor reageren beide neuronen bijna alsof ze één neuron zijn.

Hormonen

Hormonen zijn chemicaliën die worden uitgescheiden door klieren of cellen in een gedeelte van het lichaam en die worden overgebracht door het bloed om andere cellen te beïnvloeden. Een neurotransmitter is als een telefoonsignaal; het draagt een boodschap over van de zender naar de bedoelde ontvanger. Een hormoon is als een radiostation; het brengen een boodschap over naar elke ontvanger die op de goede frequentie staat afgesteld. Neuropeptiden zitten hier tussenin; ze zijn als hormonen, behalve dat ze zich alleen in het brein verspreiden en niet door het bloed naar andere gedeeltes van het lichaam worden gebracht. Hormonen zijn handig voor het coördineren van langdurige veranderingen in meerdere delen van het lichaam. Proteïne- en peptidehormonen, bestaande uit ketens van aminozuren, binden zich aan de membraanreceptoren waar ze de tweede boodschapper activeren. Dit is precies hetzelfde proces als bij een metabotropische synaps. Veel chemische stoffen, waaronder epinephrine, norepinephrine, insuline en oxytocine-dienen zowel als neurotransmitter als hormoon. De hypofyse bestaat uit twee klieren:

• De adenohypofyse (‘anterior pituitary’);
• De neurohypofyse (‘posterior pituitary’).

Deze klieren laten verschillende sets hormonen vrij. De neurohypofyse bestaat uit neuraal weefsel en kan gezien worden als een verlengstuk van de hypothalamus. Neuronen in de hypothalamus synthetiseren oxytocine en het antidiuretisch hormoon (vasopressine), die migreren naar de neurohypofyse via de axonen. De adenohypofyse bestaat uit klierweefsel en synthetiseert zes hormonen, ook al worden ze vrijgelaten door de hypothalamus. De hypothalamus zorgt voor uitscheiding van releasing hormonen, die via het bloed naar de adenohypofyse stromen.