NN2015 Fys 5 Learningfinalmay11 Plasticiteit Geheugen Gorter

8/18/2019 NN2015 Fys 5 Learningfinalmay11 Plasticiteit Geheugen Gorter

1/70

www.shakespeak.com

We gaan stemmen

SMS 12

Internet 12

Stemmen is anoniem

Twitter 1

2

De tekst op deze dia legt aan uw publiek uit hoe te stemmen. Deze

tekst komt tevoorschijn zodra u een sessie heeft gestart.

Let op: de tekst en het uiterlijk van deze dia (font, grootte, kleur, etc.)

kunnen niet aangepast worden.


2/70

Welke uitspraak of welke uitspraken is/zijn waar?

A) Geheugenopslag is een unieke eigenschap van een enkele zenuwcel

B) Geheugenopslag is een eigenschap die uitsluitend bij vertebraten voorkomt

C) Geheugenopslag is een eigenschap die zowel bij vertebraten als invertebraten voorkomt

D) Geheugenopslag komt uitsluitend voor in corticale hersengebieden

E) Geheugenopslag is een neuronaal netwerk fenomeen

A. A en C

B. A en B

C. C en E

D. C, D en EE. B en D

Stemmen: 0 Tijd: 80s

De vraag gaat open zodra u een sessie en

diavoorstelling start.

Internet Dit tekstvak wordt gebruikt om de verschillende stemmethodes uit te leggen.

SMS De juiste uitleg wordt hier ingevuld nadat u een sessie heeft gestart.Twitter Het is mogelijk om dit tekstvak aan te passen en te verplaatsen.


3/70

Welke uitspraak of welke uitspraken is/zijn waar?

A) Geheugenopslag is een unieke eigenschap van een enkele zenuwcel

B) Geheugenopslag is een eigenschap die uitsluitend bij vertebraten voorkomt

C) Geheugenopslag is een eigenschap die zowel bij vertebraten als invertebraten voorkomt

D) Geheugenopslag komt uitsluitend voor in corticale hersengebieden

E) Geheugenopslag is een neuronaal netwerk fenomeen


SMS De juiste uitleg wordt hier ingevuld nadat u een sessie heeft gestart.Twitter Het is mogelijk om dit tekstvak aan te passen en te verplaatsen.

Tijd: 80s

A.

B.

C.

D.

E.

A en C

A en B

C en E

C, D en E

B en D

20,0%

40,0%

60,0%

80,0%

100,0%

Deze voorbeeld resultaten zullen op 0 gezet wordenzodra een sessie en diavoorstelling gestart zijn.

Voel u vrij om ondertussen de layout van de

resultaten te veranderen (bv. de kleur)


4/70

Synaptische plasticiteit

Synaptische plasticiteit is het vermogen vansynapsen om een sterkere of zwakkere verbinding

te maken, tengevolge van een veranderde activiteit

College 1e jaar psychobiologen

dr. Jan Gorter, PhD

Hoofdstuk 8 Purves


5/70

De verandering van de sterkte van de neuronale

verbindingen vormt de basis voor leren en geheugen

Afhankelijk van de aktiviteit van de neuronen in het netwerk

worden er voortdurend verbindingen versterkt of verzwakt

Elk dier met een neuraal netwerk vertoont een vorm van

plasticiteit en een simpele vorm van leren en geheugen en

kan zijn gedrag aanpassen al naar gelang de

omstandigheden daar om vraagt


6/70

belangrijk voor leren en geheugen

belangrijk voor het vormen van stabiele verbindingen

tijdens de ontwikkeling

Waarom is synaptische plasticiteit belangrijk?

Synaptische verbindingen


7/70

Veranderingen in de synaptische verbindingen liggen

ten grondslag aan leren en geheugen

In 1894 stelde Santiago Ramon y

Cajal een theorie op voor de

vorming van het geheugen :

“memory is stored in the growth of

new connections”.

In 1897 introduceerde Sherrington

de naam “synaps” (verbinding)


8/70

” Cells that fire together, wire together”.

“ When an axon of cell A excites cell B and repeatedly or persistently takes

part in fi ring i t, some growth process or metabolic change takes place in

one or both cells so that A’s efficiency, as one of the cells firing B,

is increased.

Deze theorie vormt nog steeds de hoeksteen van huidige

theorieën over leren en geheugen op cellulair nivo

Donald Hebb’s postulaat (1949):


9/70

2000: Nobelprijs voor ontrafelen van leer en geheugenprocessen

Kandel: “de twintigste eeuw was de eeuw van de ‘biology of the gene’

dan is de eenentwintigste eeuw de eeuw van de ‘biology of mind’.”


10/70

Gebruik van simpele diermodellen om leer en geheugen processen te ontrafelen

Uitgangspunt:Leer en geheugen processen zijn zo essentieel voor overleven dat ze

evolutionair geconserveerd zijn.

Er zijn dan geen fundamentele functionele of biochemische verschillen

tussen de zenuwcellen van mensen en die van een slak, inktvis, een worm ofeen fruitvliegje

De reductionistische aanpak

twintigduizend neuronen

honderd miljard neuronen


11/70

De Aplysia californica (zeeslak) vertoont simpele vormen van leergedrag

gekoppeld aan een simpel zenuwstelsel

Slechts 20.000 neuronen

• Neuronen makkelijk te herkennen

• Neuronen soms wel 1 mm in doorsnee

• Biochemish makkelijk te ontrafelen

Abdominale ganglion


12/70


13/70

Behavioral plasticity: Aplysia gill-withdrawal reflex


14/70

i. short-term plasticity duurt ms tot enkele tientallen minuten

ii. Long-term plasticity > 60 minuten

Tijdschaal

Synaptische plastciteit


15/70

i. short-term synaptic plasticity

Sommige vormen van plasticiteit duren minder dan een minuutof zelfs maar een fractie van een seconde


16/70

Figure 8.1 Forms of short-term synaptic plasticity: paired pulse facilitation

Fi 8 1 Bij l i l i li d ij f ili i


17/70

Figure 8.1 Bij langer interval tussen stimuli verdwijnt facilitatie


18/70

Presynaptische calciumverhoging geeft aanleiding tot facilitatie van transmitter

release bij snel volgende stimulus

Fi 8 1 P tt t i t ti ti i l t


19/70

Figure 8.1 Posttetanic potentiation spinal motor neuron

Fi 8 1 D i i l d it tti t itt h t f t ll li l i


20/70

Figure 8.1 Depressie van signaal door uitputting transmitter hangt af van extracellualir calcium

Fi 8 1 D i t t itt i f


21/70

Figure 8.1 Depressie naarmate meer neurotransmitter is afgegeven

Samenvatting


22/70

Samenvatting

Short-term plasticiteit

Deze vorm van plasticiteit duurt minder dan een paar minuten

en betreft

synaptische facilitatie en post-tetanische potentiatie

(veroorzaakt door een toename van presynaptisch

calcium) en synaptische depressie (als gevolg van neurotransmitter

depletie).


23/70

Een simpele vorm van leren

Habituatie Sensitisatie

Terugtrekreflex van de kieuw in de zeeslak Aplysia

Non-associatief leren

Figure 8 3 Short term sensitization of the Aplysia gill withdrawal reflex


24/70

Figure 8.3 Short-term sensitization of the Aplysia gill-withdrawal reflex

H t l t k t d lijk d ki t t k fl


25/70

5-HT 5-HTGlu Glu Ach

Glu

Het neurale netwerk verantwoordelijk voor de kieuw terugtrekreflex

Figure 8 5 Mechanism of presynaptic enhancement underlying behavioral sensitization


26/70

Figure 8.5 Mechanism of presynaptic enhancement underlying behavioral sensitization


27/70

ii. long-term synaptic plasticity

Synapsen kunnen ook vormen van plasticiteit laten zien

die mogelijke substraten vormen voor langer

bli jvende veranderingen in hersenfunctie:

deze vormen van plasticiteit, die weken of jaren kunnen duren,

zijn de cellulaire correlaten van geheugenopslag

Figure 8 3 Prolonged sensitization of the Aplysia gill-withdrawal reflex


28/70

Figure 8.3 Prolonged sensitization of the Aplysia gill-withdrawal reflex

associatief

ucs

cs


29/70

Moleculaire basis van de consolidatie van het geheugenspoor

PKA fosforyleert CREB)

Immediate responsive gene

Welke mechanismen spelen een rol bij


30/70

Welke mechanismen spelen een rol bij

lange-termijn veranderingen?

Long term plasticity

Synaptische communicatie is voor lange tijd verandert

Lange termijn plasticiteit gaat gepaard met veranderingen

in genexpressie die leiden tot blijvende veranderingen in

synaptische transmissie, inclusief productie van eiwitten

die enzymaktiviteit veranderen (bv. PKA) en groei van

synapsen bevorderen

Welke bewering is waar?


31/70


A. CREB speelt een rol bij korte-termijn geheugen

B. PKA wordt voortdurend geactiveerd bij lange-termijn geheugen

C. Genexpressie speelt een rol bij korte-termijn geheugen

D. Calcium speelt alleen een rol bij lange-termijn geheugen

Stemmen: 0 Gesloten


SMS De juiste uitleg wordt hier ingevuld nadat u een sessie heeft gestart.

Twitter Het is mogelijk om dit tekstvak aan te passen en te verplaatsen.



32/70


Gesloten




A.

B.

C.

D.

CREB speelt een rol bij

korte-termijn geheugen

PKA wordt voortdurend

geactiveerd bij lange-termijn geheugen

Genexpressie speelt

een rol bij korte-termijn

geheugen

Calcium speelt alleen

een rol bij lange-termijngeheugen

25,0%

50,0%

75,0%

100,0%





33/70


34/70

In welk prepraat worden de cellulaire mechanismen van

leren en geheugen het meest onderzocht?

Hippocampus

Opslaan nieuwe herinneringen

Spatieel geheugen (place cells)

Het trisynaptische netwerk van de hippocampus


35/70

y p pp p

De principale neuronen van de hippocampus


36/70

De principale neuronen van de hippocampus

CA1

DG

CA3

Waarom is de hippocampus zo'n interessante structuur om vormen van plasticiteit in te meten?


37/70

pp p p

A. Het is een mooi gelaagde structuur waarin de cellen

makkelijk zijn te herkennen

B. Het is een structuur die betrokken is bij het verwerken van

ruimtelijke informatie

C. Het is een structuur die lang levend gehouden kan worden

in een meetkamertje met artificieel hersenvloeistof

D. Alle hierboven genoemde redenen

Stemmen: 0 Gesloten

De vraag gaat open zodra u een

sessie en diavoorstelling start.




Waarom is de hippocampus zo'n interessante structuur om vormen van plasticiteit in te meten?


38/70

pp p p

Gesloten




A.

B.

C.

D.

Het is een mooi

gelaagde structuur

waarin de cellen...

Het is een structuur die

betrokken is bij hetverwerken van ...

Het is een structuur die

lang levend gehouden

kan worden in een...

Alle hierbovengenoemde redenen

25,0%

50,0%

75,0%

100,0%




Cellulaire mechanismen van leren en geheugen:


39/70

Cellulaire mechanismen van leren en geheugen:

studies in de hippocampus

Bliss en Lømo 1973: high frequency tetanic

stimulations of afferent pathways of the rabbit

hippocampus caused long-term potentiation

(LTP) of the response

Bliss and Lømo, 1973

LTP: vorm van plasticiteit die kan verklaren hoe leer en

geheugenprocessen plaatsvinden op neuraal nivo

Meetopstelling met hippocampus plakjes


40/70

Meetopstelling met hippocampus plakjes

From: Aizenman et al.

S ti h l ti it it


41/70

Hoe kunnen we synaptische plasticiteit in

hersenplakjes bestuderen?

Synaptische plasticiteit kan gemeten worden aan de

hand van veranderingen van de grootte van de EPSPs

Synaptische plasticiteit

Plasticiteit inductieprotocol LTP


42/70

Plasticiteit inductieprotocol LTP

Lange-termijn potentiatie (LTP) van Schaffer collateral-CA1 synapsen


43/70

g j p ( ) y p

wordt opgewekt met hoogfrekwente stimulatie (tetanus)

LTP is state dependent: Pairing presynaptic and postsynaptic activity causes LTP


44/70

depolarize

Figure 8.9 Properties of LTP at a CA1 pyramidal neuron receiving synaptic inputs from two

i d d t t f S h ff ll t l


45/70

independent sets of Schaffer collateral axons

Eigenschappen van LTP


46/70

Eigenschappen van LTP

State dependent The state of the membrane potential of the

postsynaptic cell determines whether or not LTP occurs

Input specificity Once induced, LTP at one synapse does

not spread to other synapses; rather LTP is input specific.

Associativity Associativity refers to the observation thatwhen weak stimulation of a single pathway is insufficient for

the induction of LTP, simultaneous strong stimulation of

another pathway will induce LTP at both pathways.

Cooperativity LTP can be induced either by strong tetanic

stimulation of a single pathway to a synapse, or

cooperatively via the weaker stimulation of many.

The NMDA receptor gaat open tijdens depolarisatie an het

http://en.wikipedia.org/wiki/Tetanic_stimulationhttp://en.wikipedia.org/wiki/Tetanic_stimulationhttp://en.wikipedia.org/wiki/Tetanic_stimulationhttp://en.wikipedia.org/wiki/Tetanic_stimulation


47/70

The NMDA receptor gaat open tijdens depolarisatie van het

postsynaptisch neuron (moleculaire coincidentie detector)

‘Silent synapses’ zijn synapsen met vnl. NMDA receptoren


48/70

S e t sy apses j sy apse et ecepto e

en waar AMPA receptoren ontbreken

Box 8B Silent synapses


49/70

Figure 8.11 CaMKII activity in the dendrite of a CA1 pyramidal neuron during LTP


50/70

Figure 8.13 Signaling mechanisms underlying LTP


51/70

Tijdens LTP is er een toename van het aantal AMPA receptoren


52/70

j p

en groei van spines

Net als bij de zeeslak zien we in de hippocampus vergelijkbare


53/70

j pp p g j

cellulaire mechanismen voor korte- en lange-termijn plasticiteit

LTP in hippocampus has many parallels to the long-term changes in synaptic transmission in Aplysia

an early transient phase and later long-lasting phases that require changes in gene expression


54/70

an early transient phase and later long-lasting phases that require changes in gene expression

Activatie van CREB en regulatie van transcriptie


55/70

Activatie van CREB en regulatie van transcriptie

Blokkers van eiwitsynthese kunnen LTP blokkeren


56/70

Blokkers van eiwitsynthese kunnen LTP blokkeren

Figure 8.15 Mechanisms responsible for long-lasting changes in synaptic transmission during LTP

in hippocampus


57/70

in hippocampus

Verzwakken van neurale verbindingen (LTD)


58/70

Verzwakken van neurale verbindingen (LTD)

Synaptische Depressie

De alsmaar toenemende versterking van synaptische

verbindingen zal ertoe leiden dat de excitatie uit de hand loopt.

Er moet dus een mechanisme zijn om de neurale verbindingen

te verzwakken. Dit mechanisme is bekend als synaptischedepressie (LTD).

Er wordt gepostuleerd dat neurale verbindingen verzwakken

als ze niet actief zijn op hetzelfde moment dat het

postsynaptische neuron actief is, of indien het postsynaptische

neuron geen aktiepotentiaal meer vuurt.

Simpel gezegd: use it or lose it.

Figure 8.16 Long-term synaptic depression in the hippocampus


59/70

Hoogfrequente stimulatie om Long-term potentiation (LTP) op te wekken


60/70

Hoog frequente stimulatie protocol om LTP op te wekken lijkt niet op de

echte situatie

S ik i i d d l i i (STDP)


61/70

Spike-timing dependent plasticity (STDP)

Tijdsrelatie tussen aktiviteit van de pre- en post-synaps is bepalend of

er LTP of LTD zal optreden

In vergelijking met andere synaptische plasticiteit inductieprotocollen,

bootst STDP de werkelijke situatie het best na

In een typisch STDP protocol wordt een

synaps geactiveerd door een presynaptisch

neuron te stimuleren kort voor of kort na het

laten vuren van het postsynaptische neuron

(door injectie van een korte stroompuls)

Spike timing dependent synaptic plasticity (STDP)


62/70

Spike-timing dependent synaptic plasticity (STDP)

The pairing is repeated for 50-100 times at a fixed frequency (for example 10 Hz).

Postsynaptisch neuron depolariseert eerder dan presynaptisch


63/70

y p p p y p

neuron: LTD

Spike-timing dependent (STDP) synaptic plasticity in cultured hippocampal neurons


64/70

LTP

LTD

In een hippocampus weefselkweek worden aktiepotentialen opgewekt in een


65/70

presynaptische en postsynaptische cel. Er wordt een STDP inductieprotocol

gebruikt (50x herhaling) waarbij de paring van pre en postsynaptische

aktiepotentiaal 5 msec van elkaar ligt (eerst pre en dan post) . Welke vorm van

plasticiteit kun je 10 minuten later meten?

A. LTP

B. LTD

C. facilitatieD. depressie

Stemmen: 0 Gesloten




In een hippocampus weefselkweek worden aktiepotentialen opgewekt in een presynaptische en

postsynaptische cel Er wordt een STDP inductieprotocol gebruikt (50x herhaling) waarbij de paring


66/70

postsynaptische cel. Er wordt een STDP inductieprotocol gebruikt (50x herhaling) waarbij de paring

van pre en postsynaptische aktiepotentiaal 5 msec van elkaar ligt (eerst pre en dan post) . Welke

vorm van plasticiteit kun je 10 minuten later meten?

Gesloten




A.

B.

C.

D.

LTP

LTD

facilitatie

depressie

25,0%

50,0%

75,0%

100,0

%

Deze voorbeeld resultaten zullen op 0 gezet worden

zodra een sessie en diavoorstelling gestart zijn.



Leerdoelen


67/70

• Verschillen tussen korte- en lange-termijn synaptische plasticiteit uitleggen

op moleculair nivo

• Keuze van verschillende onderzoeksmodellen voor synaptische plasticiteit

motiveren

• Hippocampus gebieden (onderdelen en vezelbanen) herkennen

• Eigenschappen van LTP en LTD uitleggen

• Eigenschap van spike-timing dependent plasticiteit (STDP) uitleggen

• Uitleggen hoe de tijdsrelatie tussen pre- en postsynaptisch vuren kan leiden

tot LTP of LTD

LTP d l f t 1 t t i ti l ti (50 H 50 A)


68/70

LTP model of memory storage: 1 sec tetanic stimulation (50 Hz, 50 µA)

Ki dli d l f il d il 1 d t t i ti l ti (50 H 300 A)


69/70

Kindling model of epilepsy: daily 1 second tetanic stimulations (50 Hz, 300 µA)

dag 1

dag 2

dag 10

dag 15

Epilepsy: The effect of pathological activity on neural circuitry


70/70

NN2015 Fys 5 Learningfinalmay11 Plasticiteit Geheugen Gorter

Documents

Transcript of NN2015 Fys 5 Learningfinalmay11 Plasticiteit Geheugen Gorter