in het zenuwstelsel?

1.2 Hoe gebeurt de overdracht en verwerking van informatie in het zenuwstelsel?

A Informatieoverdracht

OPDRACHT 7 Hoe snel reageer je op kleurverandering van een verkeerslicht? Scan de QR-code en test het uit. 1 Herhaal de test vijf keer en noteer jouw gemiddelde reactietijd in de kolom. 2 Noteer in de kolom ook de gemiddelde reactietijd van de snelste leerling. 3 Zoek een verklaring voor het verschil in gemiddelde reactietijd tussen leerlingen. 4 Wat kun je daaruit besluiten? 5 Waarom gebruikt men de eenheid ‘milliseconden’ (ms) in dit experiment en niet gewoon ‘seconden’ (s)? 6 Op welke prikkel reageer je? 7 In welk zintuig bevinden zich de receptorcellen om die prikkel waar te nemen? �� (reactietijd) jouw gemiddelde reactietijd snelste leerling TEST JE REACTIESNELHEID Een prikkel die wordt opgevangen door een receptor, wordt omgezet in een signaal of impuls waardoor een reactie kan volgen. Dat zoiets snel kan gaan, stelde je vast in opdracht 7. Je leerde al dat het zenuwstelsel een geleider of conductor is; het transporteert namelijk een signaal door het lichaam. Een signaal getransporteerd door het zenuwstelsel noemen we een neuraal signaal of impuls. Maar hoe werken de verschillende delen van het zenuwstelsel samen om een reactie op de prikkel te doen ontstaan? ©VAN IN

informatieoverdracht

prikkel receptor sensorisch neuron

Afb. 88

Je ziet het groene licht en je klikt op de knop. De receptoren bevinden zich vaak op een heel andere plek dan de effectoren. In het schema kun je het doorgeven van informatie van de receptor tot effector volgen. Je merkt dat er op verschillende plaatsen informatie moet worden doorgegeven; dat noemen we informatieoverdracht. Die informatieoverdracht gebeurt door het versturen van signalen en kan op verschillende manieren. Het verkeerslicht wordt groen! Fotoreceptoren in het netvlies registreren de lichtprikkel. De fotopigmenten in die receptoren worden belicht waardoor er chemische energie vrijkomt waarmee een zenuwsignaal wordt opgewekt. Sensorische zenuwcellen geven via het centrale zenuwstelsel dat signaal door naar een specifieke plaats in de hersenen. In de hersenen werken meerdere neuronen samen om de reactie op de prikkel te bepalen. Zo'n groep van samenwerkende neuronen noemen we een verwerkingscentrum of hersencentrum. Zo heb je een groep neuronen die het beeld van het groene licht interpreteren, het gezichtscentrum. Die informatie wordt doorgegeven aan andere centra in de hersenen die de reactie bepalen. Zij geven op hun beurt signalen door aan de motorische centra die de spieren besturen. Via de motorische neuronen vertrekt vanuit de hersenen het signaal naar de spieren. Je klikt op de knop! Als we de weg van receptor tot effector volgen, stellen we vast dat er informatie binnen een neuron moet worden geleid; dat noemen we de impulsgeleiding. De hele informatieoverdracht loopt over verschillende neuronen. Er zal dus ook informatie tussen neuronen moeten worden overgebracht; dat noemen we de impulsoverdracht. Hieronder valt ook de informatieoverdracht tussen de receptor en effector met hun aansluitende neuronen. Een reactie op een prikkel kan niet ontstaan zonder de verwerking van de gegevens.

motorisch neuron hersenen spier receptoren sensorische neuronen signaal CZS prikkel waarneembare verandering motorische neuronen effectoren signaal ©VAN IN

B Impulsgeleiding Neuronen brengen informatie met hoge snelheid over van de ene plaats in je lichaam naar de andere. Hoe gebeurt de communicatie over een grote afstand in ons lichaam? De afstand van je ogen tot de hersenen is niet zo groot, maar van de hersenen naar je vingers bedraagt toch één meter. En bij sommige dieren is die afstand nog veel groter. Alcohol heeft een verdovende werking op de hersenen. Daardoor reageert iemand die alcohol heeft gedronken trager dan normaal. De controle over zijn been- en armspieren gaat achteruit, het gezichtsvermogen wordt minder en hij kan zich steeds slechter concentreren. Een voorbeeld: een bestuurder rijdt 80 km per uur (= 22 meter per seconde). Na 3 of 4 glazen bier reageert hij een halve seconde langzamer. Als hij plots moet remmen, heeft hij dus 11 meter meer nodig om tot stilstand te komen dan in nuchtere toestand. De informatieoverdracht is de geleiding van informatie van receptor tot effector. De neuronen brengen informatie van de receptoren naar de verwerkingscentra of hersencentra in de hersenen en van daaruit naar de effectoren. • We onderscheiden twee vormen van informatieoverdracht: • de impulsgeleiding binnenin het neuron, • de impulsoverdracht tussen receptor en neuron, tussen twee neuronen en tussen neuron en effector. Afb. 89 De afstand tussen receptoren en verwerkingscentra kan snel 3 meter ©VAN IN

oplopen bij grotere diersoorten, zoals deze blauwe vinvis.

Bekijk de video en beantwoord de vragen.

1 Wat gebeurt er als er een flinke tik wordt gegeven tegen de eerste dominosteen?

2 De handeling wordt verschillende keren uitgevoerd.

Vallen alle stenen even snel?

3 Is het mogelijk de stenen in de andere richting te doen omvallen?

4 Wat gebeurt er als een lichte tik gegeven wordt tegen de eerste steen?

5 Wat gebeurt er als er enkele stenen in het midden verwijderd worden?

Het vallen van de dominostenen vertoont heel wat gelijkenissen met het transport van een signaal doorheen het neuron: een signaal in het neuron ontstaat pas als de prikkel sterker is dan de prikkeldrempel, net zoals je voldoende hard moest duwen tegen de eerste dominosteen om die te doen omvallen. Dat signaal verstoort een rusttoestand en plant zich als een kettingreactie met een constante snelheid voort doorheen het axon. Om te begrijpen hoe een signaal zich doorheen een neuron verplaatst, moeten we eerst het axon wat nauwkeuriger bestuderen. Het axon is omgeven door een myelineschede die door de cellen van Schwann gevormd wordt. Tussen de opeenvolgende Schwann-cellen is er telkens een kleine onderbreking in de myelineschede, de knopen van Ranvier. Daar is het axon niet gemyeliniseerd en ligt het celmembraan vrij. Bij alle cellen is het celmembraan elektrisch geladen door de aanwezigheid van elektrisch geladen deeltjes of ionen aan weerszijden van het celmembraan. Sommige deeltjes zijn positief geladen, andere zijn negatief geladen. We stellen ze voor als plustekens en mintekens. Die deeltjes kunnen zich door het celmembraan verplaatsen via kleine openingen die we kanalen noemen. Die kanalen kunnen open- of dichtgaan. De verplaatsing van die geladen deeltjes of ionen is een elektrisch signaal. Afb. 90 Acht identieke dominostenen worden op een lat vastgekleefd met dunne plakband. De blokjes staan op een vaste afstand van elkaar. BEKIJK DE VIDEO ©VAN IN

kanaaltjes open kanaaltjes gesloten

Afb. 91 Ionkanaaltjes in het membraan van het axon

De verplaatsing van het elektrisch signaal doorheen het neuron noemen we de impulsgeleiding. We onderscheiden drie fasen in de impulsgeleiding binnen het neuron. 1 Op het moment dat er geen impuls wordt doorgestuurd, is een neuron in rustfase. Bij een zenuwcel in rust zijn de positieve ionen niet gelijk verdeeld tussen de binnenzijde en de buitenzijde van de cel. Omdat aan de buitenzijde van het neuron meer positieve ionen zitten dan binnen in het neuron, is er een ladingsverschil. Dat ladingverschil wordt rustpotentiaal genoemd. celmembraan celmembraan

kanaal intracellulair extracellulair–70 millivolt buitenzijde binnenzijde celmembraan Afb. 92 Tussen buiten- en binnenzijde van het celmembraan is er een ladingsverschil: rustpotentiaal.©VAN IN tHema 03 HoofDstuk 1 133

2 Op het moment dat de prikkeldrempel overschreden wordt, zal het neuron geactiveerd worden; de zenuwcel gaat over van de rustfase naar de actiefase. Daarbij gaan kanaaltjes in het celmembraan open en kunnen positief geladen deeltjes naar binnen in het axon (afb. 94 - 1). Er zullen op die plek nu steeds meer positief geladen deeltjes aan de binnenzijde van het axon zitten dan aan de buitenzijde. Daardoor verandert het ladingsverschil tussen binnenzijde en buitenzijde. We noemen dat depolarisatie. De buitenzijde van het axon is nu negatief geladen en de binnenzijde positief. Die plaatselijke ladingsverandering is het actiepotentiaal; zo ontstaat de impuls. Het is een elektrisch signaal omdat het ontstaat door de verplaatsing van geladen deeltjes of ionen. Een actiepotentiaal is een alles-of-nietsgebeurtenis: vergelijk het met de dominosteen die valt of niet valt.

Afb. 93 Neuron in actiefase A Vorming van een impuls langs het celmembraan ter hoogte van een axon B Dwarsdoorsnede van een axon met ladingstoestand in de rustfase en de actiefase

3 De plaatselijke ladingsverandering is maar van korte duur. Na de actiepotentiaal verplaatsen andere positieve ionen zich naar de buitenzijde van axon (afb. 94 - 2), zodat de oorspronkelijke ladingsverdeling zich herstelt. De buitenzijde wordt weer positief geladen, de binnenzijde negatief. Die fase noemen we de herstelfase. We spreken van repolarisatie. Daarna is het axon gedurende een heel korte tijd ongevoelig op die plaats. Er kan op die plaats even geen nieuwe actiepotentiaal optreden. impulsgeleiding ladingsverdeling herstelt zich = repolarisatie depolarisatie als gevolg van actiepotentiaal

Afb. 94 1 Groen: Positief geladen deeltjes stromen binnen langs de kanaaltjes. 2 Rood: Positief geladen deeltjes verplaatsen zich weer naar de buitenzijde.

nog geen impuls rustpotentiaal = impuls rustfase celmembraan actiefase BA A B ©VAN IN

De plaatselijke ladingsverandering of actiepotentiaal ter hoogte van het celmembraan wordt bijzonder snel voort geleid vanaf het cellichaam over de hele lengte van het axon. Dat komt omdat de plaatselijke in- en uitstroom van ionen een nieuwe actiepotentiaal doet ontstaan in de zones die naast de actiepotentiaal liggen. In de richting van het cellichaam ontstaan geen actiepotentialen omdat op de plaats van een actiepotentiaal eerst de rustpotentiaal hersteld moet worden. Daarom loopt een actiepotentiaal altijd in één richting doorheen het axon, namelijk in de richting weg van het cellichaam. De verplaatsing van de actiepotentiaal noemen we de impulsgeleiding. -50 -100

0 1 2 3 4 5 6 7 tijd (ms)

membraanpotentiaal (mV) 50 depolarisatie prikkeldrempel rustpotentiaal

rustpotentiaal

repolarisatie actiepotentiaal Grafiek 4 Verloop van de elektrische veranderingen op de plaats van een actiepotentiaal Het elektrisch signaal wordt gebruikt om informatie te transporteren vanuit de plaats waar een prikkel werd opgevangen naar de plaats waar de informatie wordt verwerkt. BEKIJK DE VIDEO Plaats de gebeurtenissen van een impuls in de juiste volgorde. Kies uit: actiepotentiaal – depolarisatie – repolarisatie – rustpotentiaal 0 OPDRACHT 9 ©VAN IN

Wanneer een rups aan een deel van de plant (zoals een blad) knabbelt, komt uit de beschadigde plantencellen een boodschappermolecule (glutamaat) vrij. Die molecule verandert de membraaneigenschappen van aangrenzende cellen, met als gevolg dat positieve ionen in die cellen naar binnen stromen. De verplaatsing van positieve ionen in één cel veroorzaakt verplaatsing van positieve ionen in een aangrenzende cel. De kettingreactie van verplaatsing van ionen veroorzaakt, net zoals bij dieren, een elektrisch signaal dat informatie over een grote afstand kan vervoeren. Dat elektrisch signaal brengt de productie van allerhande stoffen op gang die de plant minder appetijtelijk moeten maken, om zo de vraat te verminderen. Ook planten kunnen informatie over grote afstand verspreiden door middel van elektrische signalen.

BEKIJK

DE VIDEO In de opdracht met de dominostenen kon je ontdekken dat een sprongsgewijze impulsgeleiding de snelheid kan verhogen. Net zoals bij de dominostenen, kan de snelheid van de impulsgeleiding in het axon verhoogd worden door sprongen te maken over het axon. Door de aanwezigheid van een isolerende myelineschede kunnen geladen deeltjes niet doorheen het membraan. De ionen kunnen alleen ter hoogte van de insnoeringen van Ranvier doorheen het membraan passeren. De actiepotentiaal verplaatst zich dan van insnoering naar insnoering. We spreken van een sprongsgewijze impulsgeleiding. De impulsgeleiding gaat daardoor veel sneller dan bij axonen zonder myelineschede, tot 150 m/s. De snelheid van de impulsgeleiding varieert ook volgens de soorten axonen. Hoe wordt de snelheid van de impulsgeleiding verhoogd? Bekijk de video en beantwoord de vragen. Waarneming Besluit OPDRACHT 10 VIDEO DOMINO- STENEN Afb. 95 ©VAN IN Die snelheid is afhankelijk van de dikte van het axon en van de dikte van de myelineschede. Naarmate de dikte van het axon toeneemt, gaat de impulsgeleiding sneller.

Op die manier kan een blauwe vinvis – het grootste zoogdier op onze planeet – zijn staart bewegen zodra hij iets hoort of ziet, ook al ligt de staart op bijna 25 meter van de kop.

VERGELIJK DE GELEIDINGSSNELHEID

insnoering van Ranvier gemyeliniseerd axon actie- potentiaal myelineschede depolarisatie cellichaam

ongemyeliniseerd axon 100 tot 150 m/s

actiepotentiaal

0,5 tot 10 m/s

De impulsgeleiding is de verplaatsing van een elektrisch signaal doorheen het neuron en verloopt in drie fasen. • De rustfase: er wordt geen impuls doorgestuurd. Het ladingsverschil op dat moment is de rustpotentiaal; de buitenzijde van het celmembraan van het axon is positief geladen en de binnenzijde negatief. • De actiefase: de drempelwaarde wordt overschreden, een impuls wordt doorgestuurd. Positieve ionen stromen naar binnen via de kanaaltjes. De buitenkant van het celmembraan wordt nu negatief geladen, de binnenkant positief; we noemen dat depolarisatie. Er ontstaat een actiepotentiaal of een impuls. • De herstelfase: het neuron keert terug naar de oorspronkelijke toestand. Positieve ionen verplaatsen zich naar de buitenkant van het axon: repolarisatie. De buitenzijde is weer positief geladen, de binnenzijde negatief. Elke actiepotentiaal doet een actiepotentiaal ontstaan in de naastliggende zone. De impulsgeleiding is de verplaatsing van de actiepotentiaal over het axon. Die impulsgeleiding loopt altijd in dezelfde richting door het axon, namelijk van het cellichaam naar de eindknopjes. De snelheid van de impulsgeleiding bij gemyeliniseerde axonen is veel hoger dan bij niet-gemyeliniseerde axonen. Bij gemyeliniseerde axonen gebeurt de impulsgeleiding sprongsgewijs én sneller naarmate de dikte Afb. 96 Dankzij de myelineschede verloopt de impulsgeleiding veel sneller dan bij een omgekeerd ongemyeliniseerd axon. ©VAN IN van het axon en de myeline toeneemt.

` Maak oefening 6 t/m 10 op p. 179-181.

C Impulsoverdracht tussen neuronen

Als je de weg van de lichtprikkel van het groene licht tot het klikken op de knop hebt bestudeerd, dan heb je vastgesteld dat receptoren, neuronen en effectoren met elkaar in verbinding staan. Die moeten dus in staat zijn impulsen aan elkaar over te dragen.

De impulsoverdracht tussen neuronen gebeurt ter hoogte van de eindknopjes van het axon, die dicht tegen de dendrieten of het cellichaam van een ander neuron liggen. Die zone noemen we de synaps. De meeste synapsen zijn chemische synapsen. Tussen het celmembraan van het eindknopje van het axon en de volgende cel ligt een heel smalle ruimte (ongeveer 20 nanometer): de synaptische spleet. Het eindknopje van het axon bevat talrijke synaptische blaasjes die vol zitten met boodschappermoleculen of neurotransmitters. Wanneer een actiepotentiaal aankomt in het eindknopje, verplaatsen de blaasjes zich naar de celmembranen van de eindknopjes. Daar barsten ze open en storten hun inhoud uit in de synaptische spleet. Als de neurotransmitters zich verspreiden, komen ze op het celmembraan van de volgende cel terecht, waar ze zich binden aan specifieke membraanreceptoren. De membraaneigenschappen wijzigen en ionen kunnen daardoor gemakkelijk doorheen het celmembraan zodat er ook hier een actiepotentiaal of impuls ontstaat. De overdracht van een impuls van cel naar cel noemen we neurotransmissie.

Afb. 97

A Voorstelling synaps

B Neurotransmissie tussen een eindknopje van het ene neuron en een dendriet van het aansluitende neuron.

axon synaps eindknopjes

neurotransmitter eindknopje 1 impuls 3 4

impuls axon celmembraan celmembraan

synaptisch blaasje dendriet

synaptische spleet elektrisch signaal

3D A

B

membraanreceptor chemisch signaal elektrisch signaal

A 2 B ©VAN IN

Overdracht van informatie tussen zenuwcellen gebeurt ter hoogte van de synaps. Bij een chemische synaps vormen de neurotransmitters een chemisch signaal. Die impulsoverdracht gebeurt in verschillende stappen. 1 De impuls bereikt de eindknopjes van het axon. 2 Neurotransmitters komen vrij uit de synaptische blaasjes in de synaptische spleet. 3 De neurotransmitter komt op het celmembraan van de volgende cel terecht en wijzigt daar de membraaneigenschappen. Dat is een chemisch signaal. 4 Ionen stromen naar binnen en veranderen de membraanpotentiaal. Er ontstaat een nieuwe actiepotentiaal in de volgende cel, de impuls is overgedragen. ` Maak oefening 11 en 12 op p. 182. Bij een chemische synaps wordt een elektrisch signaal dus omgezet in een chemisch signaal. Neurotransmitters brengen de boodschap over van het ene neuron naar de volgende cel. Dat chemisch signaal veroorzaakt een ladingsverandering in het celmembraan van het aansluitende neuron en leidt zo tot een nieuw elektrisch signaal. Zodra het signaal werd overgedragen, moeten de neurotransmitters verwijderd worden uit de synaptische spleet. Het verwijderen van de neurotransmitters kan gebeuren door ze af te breken of terug op te nemen. De communicatie tussen een neuron en een spier- of kliercel verloopt op een vergelijkbare manier. Het motorische neuron sluit aan op de spier- of kliercel en in de synaps wordt door neurotransmitters de impuls overgedragen. Receptoren kunnen gespecialiseerde cellen zijn zoals de fotoreceptoren in het netvlies; ook daar is er tussen de receptorcel en het aansluitende sensorisch neuron impulsoverdracht. Koude- en warmtereceptoren uit de huid zijn vrije zenuwuiteinden die onmiddellijk ook de sensorische neuronen zijn; hier is overdracht niet nodig. ©VAN IN

WEETJE

Drugs zijn stoffen die inwerken op de impulsgeleiding van ons lichaam. Dat kan tijdelijk aangenaam aanvoelen, waardoor ze verslavend zijn. We spreken daarom ook van genotsmiddelen. De stoffen die in drugs zitten, werken in op de neurotransmissie binnen de synapsen. De moleculen van drugs worden net als neurotransmitters herkend door membraanreceptoren. Ze kunnen een stimulerende of remmende werking op de neurotransmissie teweegbrengen. Zo is alcohol een voorbeeld van een stof met een remmende werking op de impulsgeleiding. Als je te veel alcohol gedronken hebt, kun je niet meer goed spreken en kun je ook problemen hebben met je evenwicht of zicht. Dat is zeer gevaarlijk als je je in het verkeer begeeft. Er zijn daarom heel wat sensibiliseringscampagnes rond drugs en alcohol in het verkeer. axon stimulerende stof eindknopje synaptisch blaasje impuls remmende stof dopamine neurotransmitter membraanreceptor dendriet OPDRACHT 11 DOORDENKER

Je neemt een pijnstiller als je ondraaglijke pijn wilt bestrijden. Hoe kun je de werking van een pijnstiller in verband brengen met de stimulerende en remmende werking van bepaalde stoffen in een synaps?

synaptische spleet

Stimulerende stoffen verhogen de afgifte van dopamine. Meer dopamine verhoogt het gevoel van geluk en stimuleert de controle over bewegingen. Remmende stoffen zorgen dat de neurotransmitter langer aanwezig blijft en dus langer kan werken. Dopamine en andere neurotransmitters hebben dan een langduriger en groter effect. Afb. 98 De stimulerende werking van drugs zoals amfetamine (links) en de remmende werking van drugs zoals cocaïne (rechts)©VAN IN 140 tHema 03 HoofDstuk 1

D Informatieverwerking

Het licht springt op groen, jij klikt op de knop. Je volgde al de weg van de impuls doorheen je lichaam. Maar hoe verwerken de hersenen die informatie? De hersenen bevatten zones die de informatie van specifieke receptoren verwerken, ons leren associaties te maken en analytisch te denken, of effectoren zoals de spieren of de klieren aansturen; dat zijn de hersencentra. Hoe zit dat in het voorbeeld van het verkeerslicht? De lichtstralen van het groene licht vallen in op de fotoreceptoren in het netvlies; een impuls vertrekt. Via de sensorische neuronen wordt die waarneming in het primaire gezichtscentrum in de hersenen verwerkt. Die neuronen staan in verbinding met de neuronen van het secundaire gezichtscentrum, die geven betekenis aan wat je ziet. Je herkent het groene licht. Nu moet de reactie bepaald worden. Verschillende gebieden in de grote hersenen werken samen om de associatie en analyse te maken: ‘Ik zag een groen licht dus ik moet op de knop klikken’. In de secundaire motorische centra zit opgeslagen hoe je op de knop moet klikken en zij zullen de impuls doorgeven aan de primaire motorische centra die je spieren aansturen. Je klikt op de knop. Voor elke zintuigelijke waarneming is er een sensorisch centrum in je hersenen. Vaak komen er heel veel prikkels op je af, maar de thalamus in de tussenhersenen zorgt voor een selectie van die prikkels en je concentratie. Voor de aansturing van onze effectoren zijn er verschillende motorische centra. Elke beweging die je kunt uitvoeren, is ergens opgeslagen. Als je bedenkt hoe fijn de motoriek van je vingers is, besef je dat er heel veel motorische neuronen samenwerken om al die spieren aan te sturen. 1 = primaire centra 2 = secundaire centra Uit het voorbeeld van het groene licht kunnen we afleiden dat onze hersenen opgebouwd zijn uit verschillende hersencentra met elk hun specifieke functie.

1 2 2 motorische centra gezichtscentrum Afb. 99 Primaire en secundaire centra 1 ©VAN IN

in de grote hersenen

Hersencentra zijn groepen samenwerkende neuronen die: • informatie van receptoren verwerken, • verbanden leggen en analytisch denken, • effectoren aansturen, • automatische lichaamsfuncties regelen, • impulsen selecteren. Ook aan de hand van een netwerk van draden die elektrische activiteit meten, kan men achterhalen welke zones een bepaalde functie hebben. Die techniek wordt elektro-encefalografie genoemd (EEG). Ook daarbij wordt gemeten hersenactiviteit gerelateerd aan de opdracht die de proefpersoon krijgt. Maak jezelf slimmer! Wanneer je vaak je leerstof herhaalt bij het studeren, zorg je voor stevigere communicatie tussen je neuronen en onthoud je leerstof makkelijker. Dat komt omdat neuronen voortdurend nieuwe dendrieten aanmaken. Die dendrieten groeien in je hersenen alle kanten op. Wanneer er daardoor plots een nieuwe plek voor impulsoverdracht tussen twee neuronen gecreëerd wordt, zal die communicatieplek tussen die neuronen steviger gebouwd worden naarmate ze vaker gebruikt wordt. Vaker herhalen, betekent dus netwerken tussen neuronen verstevigen en dus ook beter onthouden. WEETJE ©VAN IN