WERELD & DENKEN
 
 

Neurologie: neuronen algemeen

16 nov.2009

Neuronen zijn cellen in het lichaam die zich gespecialiseerd hebben in het doorgeven van signalen. In een dierlijk lichaam zonder neuronen worden ook signalen doorgegeven, maar die zijn van (bio)chemische aard. De ene structuur scheidt een chemische stof af, en de andere structuren die daarmee in contact komen kunnen daarop reageren.

Over de methodes van (bio)chemische communicatie moet niet lichtzinnig of denigrerend gesproken worden, want die kunnen talloze zaken zeer adequaat afhandelen, zoals het volgende voorbeeld toont (Volkskrant.nl, 30-10-2009, ANP):
  Kikkers leren roofdieren herkennen in het ei

Een kikker kan in het ei al leren welke roofdieren later jacht op hem zullen maken en wanneer dat gevaarlijk is. Dat ontdekten Amerikaanse en Canadese wetenschappers, zo meldden zij in het wetenschappelijk tijdschrift Behavioral Ecology and Sociobiology dat vrijdag is verschenen.
    De onderzoekers goten water, waarin een salamander had gezwommen samen met gewonde kikkervisjes, in een bak met kikkerdril van houtkikkers. Dat deden ze op verschillende tijden, elke keer met andere hoeveelheden gewonde kikkervisjes. Daardoor leerden de kikkers in het ei op welke tijdstippen de salamanders het gevaarlijkst waren.
    Toen de eitjes uitkwamen, bekeken de onderzoekers de reactie van de kikkervisjes op water dat ruikt naar salamander. ‘De uitkomsten waren overduidelijk. Kikkervisjes die eerst actief rondzwommen, lagen ineens enkele minuten doodstil’, aldus Maud Ferrari van de Universiteit van Californië. De kikkervisjes reageerden het heftigst op tijdstippen waarop ze eerder veel gewonde soortgenoten hadden geroken.   ...

De communicatie binnen mierenkolonies gaat ook voornamelijk langs biochemische weg, en de ingewikkeldheid van de sociale structuren van mieren laat zien dat die communicatie bijzonder gedetailleerd moet zijn.

Een eventueel idee dat dit niet meer werkzaam zou zijn in mensen is onjuist. Bij diverse aspecten van seksuele voorplanting speelt de biochemie een essentiële rol, bijvoorbeeld bij de partnerselectie - de betrokken stoffen staan bekend als feromonen  (Wikipedia). Ook is allang bekend dat geur een van de (of het) meest basale zintuigen is. Ook het immuunsysteem maakt er uitgebreid gebruik van - dit systeem is eigenlijk een vorm van biologische oorlogsvoering.

Desalniettemin heeft communicatie middels neuronen voordelen die de biochemische communicatie niet heeft: de neurologisch communicatie is sneller want ze gebruikt elektrische lading en potentiaal als transportmiddel (op zich weer gebaseerd op biochemie), en ze is gerichter, omdat de neuronen verbindingen hebben met specifieke andere cellen in de omgeving, en niet met de hele omgeving.

De noodzaak voor snelheid en gerichtheid is er natuurlijk altijd al geweest, maar ze werd actueel toen de primitieve diersoorten twee nieuwe zaken ontwikkelden: ledematen en waarnemingsorganen - dat eerste natuurlijk in de ruimst mogelijke zin, inclusief uitstekels als tentakels.

De aansturing van ledematen was vermoedelijk het eerst, omdat dit al nuttig is op het moment dat op biochemische manier ("geur") een signaal van gevaar is gekomen, zoals in het geval van de kikker. Natuurlijk is de snelheid van reageren dan een factor - de informatie van "Gevaar!" moet natuurlijk zo snel mogelijk naar de bewegingorganen: "Wegwezen!". Reden nummer één voor het ontwikkelen van speciaal hierop toegesneden cellen (middels evolutie, natuurlijk). En zo hebben we de neuronen gekregen. Met in een volgende fase een ingang voor de zintuigen, en een uitgang voor de ledematen. Cellen met uitlopers dus, voor de verbindingen. Eerst van deze basale soort, en later met allerlei verdere specialisaties, zie een paar voorbeelden hier:

De dendrieten zijn de ingangen, waarvan er meerdere kunnen zijn, tot in de honderden - denrieten kunnen in gespecialiseerde gevallen ook als uitgang dienen. De standaarduitgang zijn de axonen, waarvan er per neuron maar één enkele is, die dan aan het einde wel vertakkingen kan hebben. De axonen van bewegingsneuronen lopen ook in het menselijke lichaam tot aan de ledematen, en kunnen dus een meter en meer lang zijn.

De reden van deze basale structuur is simpel. Het neuron geeft een signaal af, en dat signaal is een toestandverandering (wiskundigen maken daar graag "uit" naar "aan" of "nul" naar "één" van). Voor die toestandsverandering moet een oorzaak zijn, zeg een minimumhoeveelheid van een chemische stof. Die hoeveelheid kan van één bron komen, of van honderd - dat doet er niet toe. Maar de uitkomst is één enkele verandering. Dus veel mogelijke ingangen, en maar één enkele uitgang. Overigens wijzen de gevallen met veel ingangen erop dat die ingangen analoog werken: als één ingang op een tiende van zijn maximum zit, geldt dat digitaal als "nul", niets - en tien uitgangen op een tiende zou dus "niets" opleveren. Er zou alleen iets gebeuren als één ingang op zijn maximum zou zitten (bij veel hogere aantallen ingangen dan tien lijkt dat nauwelijks zinvol) - het is ongetwijfeld zo dat tien ingangen op een tiende net zo goed is al één ingang op zijn maximum. En dat is analoge werking.

De oorspronkelijke basale neuronen hebben waarschijnlijk waarnemingsorganen direct verbonden met ledematen - van impuls direct naar beweging. De illustratie laat andere vormen van gespecialiseerde neuronen zien, zoals binnen het menselijke lichaam, waarin de diverse functionaliteiten gesplitst worden. Dat is wenselijk, zodra er niet meer automatisch op een orgaanimpuls gereageerd moet worden, maar ook nog andere factoren meegewogen. Dat dat voordeel oplevert, leert het ook in Beslissingen  aanhaalde voorbeeld van de snoek: die snoek zwemt in een aquarium tezamen met een voorntje, maar met een glasplaat tussen de twee. "Hap", zegt de snoek richting het voorntje, maar hij stoot keihard zijn neus op de glasplaat. Nog eens: "Hap", en nog eens "Boem". En zo gaat het tientallen keren. Tot de snoek het door heeft: hij hapt niet meer. Daarna kan je de glasplaat weghalen - al zwemt het voorntje vlak voor zijn neus langs, de snoek reageert niet. Van "altijd ja" is hij omgeschakeld naar "altijd nee".

Dat is dus niet de bedoeling. Het is voordeliger om eerder te stoppen met happen, en en later, onder andere omstandigheden, weer mee door te gaan. Kortom: de snoek moet de sensorische gegevens van de klap op zijn neus combineren met de sensorische gegevens van zijn ogen, die hem een lekker maaltje signaleren. Daar combineren van gegevens uit verschillende hoeken moet natuurlijk ergens in het midden, een centrale knoop, die zijn eigen zenuwcellen heeft voor dat combineren en het nemen van de hap-beslissing. Die centrale zenuwknoop, indien wat groter gegroeid, zijn natuurlijk geworden tot de hersenen.

De neuronen in het plaatje zijn opgesplitst naar die functionaliteit: de waarnemingsneuronen (c) hebben hun uiteinde bij andere neuronen, en die andere neuronen sturen de motorische neuronen (b) aan. De tussenliggende neuronen verbinden alleen met elkaar, en heten daarom interneuronen (a). Omdat die vaak vlak bij elkaar zitten gebruiken ze geen axon, dat mede gericht op het overbrengen van signalen op de wat langere afstanden - ze gebruiken dendrieten als uitgang. Het is de ontwikkeling van dit soort functionaliteiten, die uiteindelijk tot het ontstaan van de zoogdierlijke en menselijke hersenen heeft geleid.

In de menselijke hersenen heeft de evolutionaire ontwikkeling tot een dusdanige mate van complexiteit bereikt, met in totaal in de orde van 100 miljard neuronen, dat er allerlei speciale neuronen zijn voor specifieke functies, en combinaties van neuronen op diverse niveaus.

Als eerste zijn daar de "ganglia" in het ruggemerg  : kleine en wat grotere knopen van neuronen, de grotere vaak bolvormig, die voornamelijk coördinatie tussen onderdelen van het bewegingsapparaat verzorgen.

De tweede laag is de hersenstam  , het eerste deel van het brein, dat een wat uitgebreider gebied is voor diverse hogere lichamelijke regelfunctie, en ook een stel min of meer afscheiden kernen bevat, die een eigen functie vervullen. Met als allergrootste en opvallende de kleine hersenen of cerebellum  , die eigenlijk geen kern meer is, maar een groot opgerold vel bestaande uit drie lagen van neuroenen - hier wordt vermoedelijk de ruimtelijke coördinatie en fijnsturing uitgerekend.

Boven de hersenstam liggen de duidelijk ruimtelijk gescheiden organen van de emotionele hersenen  , die zelf weer kernen als onderdelen bevatten. Deze hebben kenmerkende eigen vormen waarnaar ze vaak vernoemd zijn, zoals de caudate nucleus: "kern met staart".

En weer boven de emotionele hersenen liggen de grote hersenen, met ook een paar te onderscheiden onderdelen. Ieder van de onderdelen bestaat net als de kleine hersenen uit één groot opgerold vel, dit keer van vijf of zes lagen van neueronen. Het aantal lagen is meteen ook een maat voor de ontwikkeling: de eerste en oudste laag, de cingulate cortex  , heeft vijf lagen, de tweede, de neocortex  , heeft er zes. De neocortex met zijn dominante omvang is datgene dat de mens kenmerkt, en waar zijn onderscheidende denkvermogens schuilen.

Gemeenschappelijk aan alle lagen van functioneren van het zenuwstelsel is dat het gebouwd is op robuustheid en regelbaarheid - het product van de strijd om het leven. Het bestaat niet uit simpele aan-uit schakelaars en combinaties daarvan, want zo'n systeem is te gemakkelijk te ontregelen: haal een enkel radertje uit een horloge en het prachtige geheel stop abrupt met functioneren. In de natuur zou ieder radertje bestaan uit deelradertjes, waarvan het uitvallen van één exemplaar een ietwat verminderd maar wel blijvend functioneren zou opleveren. Bovendien had de natuur, waar het kan en belangrijk is, gezorgd voor een mechanisme dat constateert dat er verminderde functionaliteit is, en ergens, weer: als het kan en belangrijk genoeg is, een reserve-radertje inschakelen of een nieuw deelradertje maken. En als klok zou het niet een vaste tijd aangeven, maar zich aanpassen aan zijn omgeving - in de winter zou hij anders lopen dan in de zomer.

Deze vormen van robuustheid hebben in de natuur zijn hoogste organisatiegraad bereikt in het dierlijke en menselijke zenuwstelsel.

De menselijke vorm van die organisatiegraad heeft die mens ook geleerd te lessen van de natuur opnieuw uit te vinden, en ze te benoemen. Dat op nieuwe uitvinden heet techniek, en wetenschap. Daarin geformuleerd zijn de processen die de natuur gebruikt evenwichtprocessen  , en vormen van terugkoppeling  . Met name in het zenuwstelsel. Een klasse van neuronen die ontbreekt in het plaatje maar al op het fundamentele niveau een rol spelen zijn de proprioscopische neuronen: de neuronen die de standen van spieren, ledematen en onderdelen ervan terugmelden. De ganglia in het ruggemerg sturen niet slechts aan, maar ze krijgen ook informatie terug over de voortgang van de beweging. En spelen daarop in. Zoals iedereen weet die wel eens een vol en een leeg pak melk heeft verwisseld zonder het in de gaten te hebben. Wat trouwens een voorbeeld is van de betrokkenheid van hogere processen, want dit is ook langs de evaluatie van de waarnemingsinformatie gegaan. Aan zichzelf overgelaten, zoals voor een blinde, zou het bewegingsapparaat dit oplossen door de methode van "aftasten": een beetje proberen, en aan de hand van de daarmee verkregen terugmeld-informatie de passende hoeveelheid kracht uitoefenen.

Nog iets basaler dan het terugkoppelingsproces is het begrip van evenwicht  . Ook de dode natuur bestaat voornamelijk uit evenwichtssituaties, omdat die, het woord zegt het al, lang duren - en niet-evenwichtsituaties kenmerken zich door grote en vaak snelle veranderlijkheid, waarna een nieuw evenwicht optreed. In menselijke termen: de gebouwde brug is in evenwicht met de zwaartekracht. Alleen als hij instort is hij in een niet-evenwichtssituatie, waarna de brokstukken weer razendsnel in een evenwichtsituatie geraken - op de bodem van de rivier.

In het zenuwstelsel heeft de natuur op alle vrijwel noodzakelijke punten hierin voorzien. Zo bestaat het aansturen van de hand die het pak melk moet optillen uit het handhaven van een evenwicht tussen de hoeveelheid kracht die de spieren leveren, en de hoeveelheid benodigde kracht om de gewenste handeling uit te voeren - waarbij de hoeveelheid spierkracht meestal net iets groter moet zijn dan de benodigde tilkracht - niet te weinig (er gebeurt niets), en niet te veel (de beweging schiet door). Dit regelen de basale ganglia aan de hand van de terugmeldinformatie.

Ook op het hogere niveau van organisatie van het zenuwstelsel is dit een vast thema. Zo zijn er naast de neuronen die andere neuronen activeren, de hoofdfunctie van interneuronen, ook neuronen die andere neuronen juist afremmen. Het daadwerkelijke niveau van functioneren is een kwestie van evenwicht tussen die twee. Dit biedt de mogelijkheid om in het geval van veranderende externe omstandigheden, het interne functioneren makkelijker en sneller aan te passen. Iets dat voor de mens bekend staat als "leren"  .

Dit voor zover het algemene functioneren van neuronen. Vanaf dit punt kan men op meerdere manieren verder: meer details over de werking binnen de neuronen hier  . Over de organisatie van de grote hoeveelheden neuronen de hersenen hier  . Een globaal overzicht van het hele zenuwstelsel start hier  . De structurele behandeling van de hersenen gaat verder met ruggemerg en hersenstam hier  .


Naar Neurologie, organisatie  , Neurologie, overzicht, globaal  , Psychologie lijst  , Psychologie overzicht  , of site home  .


 

16 nov.2009; 1 mei 2012