Zivcni Sistem
Content
Živččni sistem Živ B.Sc. Biologija Fiziologija živali
Živččni sistemi Živ Oko Možgani Živčni vrvici
radialni živec
Trebušnjača
Živčni obroč
Prečni živci
Živčna mreža
(a) trdoživ (ožigalkar)
Možgani
Segmentni gangliji (b) morska zvezda (iglokožec)
(c) vrtinčar (ploski ar (ploski črv)
(d) pijavka (kolobarnik) Možgani
Možgani Trebušnjača
Prednji živčni obroč
Gangliji Možgani
Longitudinalni živčni vrvici
gangliji
(f) hiton (mehkužec)
(g) ligenj (mehkužec)
Hrbtenjača Čutilni gangliji
Segmentni gangliji
(e) žuželka (členonožec)
(h) pupek (vretenčar)
Čemu služi živčevje Senzorični vhod integracija
senzor
Motorični izhod
efektor
Periferni živčni sistem (PŽS)
Osrednji (centralni) živčni sistem (CŽS)
Živčevje kot del homeostatskega sistema organizma dražljaji
motnja
+
modifikacija
uravnavana količina
receptor
-
transdukcija
nadzorni center
efektor
ustrezni odgovori
zakodiranje modifikacija
prevajanje impulzov
dekodiranje
izvajalni sistemi
integracija
Živčevje kot del homeostatskega sistema organizma
Živčevje počne naslednje: Zbira informacije o stanju v okolju in o stanju v organizmu Informacije integrira (sešteva, filtrira, prepoznava, ...) Se odloča ali je potrebno za vzdrževanje homeostaze oz. stabilnega notranjega okolja sprejeti kakšen ukrep Pripravi izvedbo ukrepa Aktivira ustrezne efektorje (mišice, žleze, ...) Na splošno poskuša zagotoviti takšne pogoje, da lahko žival (npr. Homo sapiens) čimbolj zanesljivo preživi (oz. si zagotovi potomstvo) s čim manjšo porabo energije Glavni razliki glede na hormonski in druge sisteme, ki sodelujejo pri homeostazi, sta: Velika hitrost in Več ja specifičnost povezav in delovanja
Človeški možgani
Najbolj kompleksna znana oblika organizacije živčevja Del našega osrednjega (centralnega) živčevja Del živčevja kjer poteka
Sprejemanje čutilnih informacij Njihova integracija Odločanje o aktivnosti Priprava izvedbe aktivnosti
Osrednje in periferno živčevje pri sesalcih Osrednji živčni Sistem (CŽS) Možgani Hrbtenjača
Periferni živčni Sistem (PŽS) Možganski živci
Gangliji izven CŽS
Živčevje v groben razdelimo v dva dela: Osrednje (centralno) in Periferno Osrednje živčevje Možgani Hrbtenjača Periferno živčevje Vse ostalo
Hrbtenjačni živci
Periferno živčevje (“vse ostalo”) Periferno živčevje
Aferentni (čutilni) nevroni
Eferentni nevroni
Avtonomni živčni sistem
Motorični sistem
npr. lokomocija
Simpatično živčevje
Izmenjava plinov
npr. sluh
Parasimpatično živčevje
Enterično živčevje
Delovanje hormonov
Prebava
Obtočila
Kako živčevje deluje?
dendriti dražljaj
jedro Aksonski stožec
Presinaptična celica
soma
akson
Osnovna funkcionalna enota živčevja je živčna celica ali nevron Vse višje ravni organizacije in celotno delovanje živčevja temelji na lastnostih in delovanju živčne celice.
sinapsa Sinaptični končiči
Postsinaptična celica nevrotransmiter
Celične osnove vzdražnosti Fiziologija živali
Kaj je vzdražnost?
Zelo temeljna lastnost živalskih organizmov Zametke srečamo tudi pri drugih skupinah (bakterije, glive, rastline) Tesno povezana z aktivnejšim načinom življenja in potrebo po hitrem reagiranju na spremembe v okolju Vzdražnost je tesno povezana z bioelektričnimi pojavi.
Bioelektrika
L. Galvani 1737 - 1798
A. Volta 1745-1837
Veliko vprašanje: Kaj je biolelektrika? Galvani: “Živalska elektrika” Volta: “Kovinska elektrika – popolnoma fizikalnokemijski pojav.” Izkaže se, da imata prav oba Vzdražnost ima svoje temelje na celičnem nivoju, mehanizmi pa so povsem fizikalno-kemijski
Kaj je vzdražnost celice?
Sposobnost odzivanja na dražljaje iz okolice s spremembami lastnih električnih lastnosti Električne lastnosti:
Napetost (U) U R I 1 Tok (I) G R I U G Prevodnost (G) Kapacitivnost (C) – večinoma se ne spreminja (razen ob eksocitozi in endocitozi)
Primerjava jakosti električnih tokov
Membrana kot elektronsko vezje
Izkaže se, da lahko elektri čne lastnosti membrane dovolj dobro ponazorimo z “nadomestnim elektronskim vezjem” kondenzator: lipidni dvosloj spremenljiv upor: ionski kanalčki baterija: razlike v koncentraciji ionov, ki jih omogoča aktivni transport (ionske črpalke)
Plazemska membrana
Plazemska membrana vsebuje vse elemente (beljakovine), ki prispevajo k vzdražnosti celic:
Ionski kanalčki Ionske črpalke Receptorji Molekule, ki delujejo kot lokalni posredniki informacij ob plazemski membrani (G-beljakovine) Drugi encimi
Vsemu skupaj dajeta dodatno trdnost citoskelet na citosolni in glikokaliks na zunanji strani
Ravnotežni elektrokemijski potencial Električni gradient
Na+
K+
2 K+
+ ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ + + + + + + + + +
- -------------------------------------------------------------------------------------------------------------
3 Na+
Na+
+ K
Koncentracijski gradient
E K
RT F
ln
[K ]i [K ]o
ATP
ADP+Pi
Nernstov potencial za K+ ali Ravnotežni elektrokemijski potencial za K+
Ravnotežni elektrokemijski potencial Pri ravnotežnem potencialu je neto tok ionov preko membrane enak 0, ker električni gradient preprečuje pot ionom preko membrane Relacijo opisuje Nernstova enačba:
co ekstracelularna koncentracija ci intracelularna koncentracija R plinska konstanta 8.31 Jmol-1K-1
E
K
RT zF
ln
ci
T
co
F
temperatura 293K Faradayeva konstanta 96500 Cmol-1
Ravnotežni elektrokemijski potencial
Membrana:
Primer: koncentracije K+ ionov
izbirno prepustna tanek sloj izolatorja (kondenzator) v celici: 135 mM zunaj celice: 3 mM
Izenačitev koncentracij K+ ionov preprečuje ravnotežje koncentracijskega gradienta za K+ in napetostnega gradienta, ki ga je ustvarilo izredno malo K+ ionov, ki so prečkali membrano
Mirovni membranski potencial + Na
K+
Cl
2 K+
++++
++++++
++++
++++++++
++++
------
----------
------
--------------
------
+ K
Na+
Goldman-Hodgkin-Katzova enačba E m
Cl-
3 Na+ ATP ADP+Pi
RT F
ln
PK [K ]i P Na [Na ]i PCl [Cl ]o
PK [K ]o P Na [Na ]o PCl [Cl ]i
Mirovni membranski potencial
Mirovni membranski potencial je rezultat delovanja vseh omenjenih mehanizmov:
Črpalke
zagotavljajo koncentracijske gradiente
ionov Različni ionski kanali so odprti razli čni delež časa, kar je na zunaj opazno kot ve č ja ali manjša prepustnost membrane za razli čne ione V vse skupaj se vpletajo še pasivni procesi kakršen je Donnanov potencial ipd. Rezultat je membranski potencial, ki je razli čen za različne celice in živalske skupine
Mirovni membranski potencial različnih celic Objekt
MMP mV
Amoeba
-20 do -65
Carcinus (golo vlakno)
-82
134
-77
99
Locusta (mišica noge)
-60
60
Loligo (orjaško vlakno)
-73
112
Electrophorus (električni organ)
-84
151
Rana sp. (mielinsko vlakno)
-71
116
Rana temporaria (skeletna mišica)
-85
112
Mačka (motonevron)
-70
90 – 100
Pes (ventrikularna mišica)
-82
102
Ovca (Purkinjejeva vlakna)
-98
132
Periplaneta (50m akson)
Človek
(eritrocit)
-30
AP mV
Ionski kanalčki
Bakterijski mehansko občutljiv kanalček
Kalijev kanalček KcsA iz Streptomyces avidans
Kako se odpirajo in zapirajo ionski kanalčki?
Erwin Neher
Bert Sakmann
Nobelova nagrada za medicino 1991
Metoda vpete napetosti krpice celične membrane:
“patch clamp”
Praktična izvedba
Skupne značilnosti ionskih kanalčkov
Transmembranske beljakovine Če so odprti je odvisnost med napetostjo prek membrane in tokom, ki teče skoznje povsem linearna Različno dobro prepuščajo različne ione z istovrstnim nabojem Lahko obstajajo v več diskretnih stanjih Prehodi med stanji so v praktično takojšnji (ns) Navadno gre za več zaprtih in eno odprto stanje Verjetnosti prehodov med stanji določa, koliko se bo v povpreč ju kanalček zadrževal v vsakem od njih
Kanalčki in njihove lastnosti
Ionski kanalčki, ki zaznavajo spremembe v okolici
Napetostne spremembe
Spremembe v napetosti prek plazemske membrane Napetostni senzor – navadno aminokislinski Nebeljakovinski napetostni senzorji
Kemične spremembe
Mehanske spremembe
Obstajajo seveda tudi kanalčki, na katere hkrati vpliva hkrati več ali celo vsi omenjeni parametri
Vezavno mesto za ligand na zunanji strani plazemske membrane Vezavno mesto za ligand na notranji strani plazemske membrane Vezavno mesto v področ ju lipidnega dvosloja Fosforilacijsko(a) mesto(a) na notranji strani membrane Zaznavanje lateralne tenzije v membrani Povezava s citoskeletom
Temperaturne spremembe
Akcijski potencial živčnega vlakna
Akcijski potencial gigantskega vlakna lignja
Gigantski akson lignja
Young 1936 odkrije gigantski akson lignja. Ugotovi, da gre za akson in ne za krvne žile ali kaj podobnega Cole in Curtis 1938 želita uporabiti svojo tehniko na gigantskem aksonu, toda z delom začneta pozimi in prva je na vrsti zelena alga Nitella. Izmerita spremembo prevodnosti ob akcijskem potencialu, ki traja okrog 1s.
Akcijski potencial pri Nitelli
Akcijski potencial pri lignju
Gigantski akson lignja
• Curtis in Cole izmerita približno 40x povečanje prevodnosti membrane • Njun predlog je, da gre za prehodno odprtje membrane, ki omogoči nastanek tokov, ki depolarizirajo sosednje regije membrane
Hodgkinove in Huxleyeve raziskave gigantskega aksona “overshoot” = ?
Zakaj gre AP v pozitivno smer?
Za to je nujno potreben Na+ Poskusi Hodgkina, Huxleya in Katza na lignjevem aksonu
Hodgkin
Huxley
Katz
Prevodnost membrane za in K+ ione
Metoda vpete napetosti: “voltage clamp”
+ Na
Akcijski potencial živčnega vlakna
Kalijev napetostno občutljiv kanalček
Natrijevi in kalijevi napetostno občutljivi kanalčki odprto
odprto
zaprto (inaktivirano)
zaprto zaprto (mirovno)
zaprto (inaktivirano)
Refraktarnost
Refraktarnost je posledica lastnosti napetostno-odvisnih Na+ in K+ kanalov Absolutna refraktatrnost – inaktivacija Na+ kanalov Relativna refraktarnost – “počasno” reagiranje K+ kanalov na napetostne spremembe
Posledica: Omejitev najvišje frekvence AP – v glavnem na račun lastnosti K+ kanalov Celice, ki prožijo AP z visoko frekvenco (≥ 800 Hz) imajo posebno “hitre” K+ kanale – npr. nevroni, ki posredujejo slušno informacijo
Različni napetostno odvisni kanalčki Na+
K+
Ca2+
Tokovi, ki so posledica aktivacije različnih tipov napetostno ob čutljivih kanalčkov
Ionski kanalčki občutljivi na molekule
Precejšen del vzdražnosti celic temelji na odzivanju na kemijske dražljaje V takem primeru govorimo o receptorjih Posledica vezave liganda na receptor je lahko tudi sprememba stopnje vzdraženosti oz. sprememba vzdražnosti
Poleg receptorjev, ki so istočasno tudi ionski kanali, obstaja še cela vrsta receptorjev, ki so povezani z Gbeljakovinami (t.i. Metabotropni receptorji) Pogosto posredno vplivajo na delovanje drugih ionskih kanalčkov in tako spreminjajo vzdražnost celic
Ionotropni in metabotropni receptorji
Ionotropni receptor
Metabotropni receptorji a)
b)
2 tipa regulacije ionskih kanalčkov: a) G-beljakovine neposredno b) G-beljakovine posredno preko sekundarnih prenašalcev (npr. cAMP) in fosforilacije (npr. PKA)
Učinki aktivacije obeh tipov na membranski potecial
•
Učinki vezave ligandov na membranski potencial so pri obeh tipih receptorjev zelo različni.
•
Aktivacija metabotropnih receptorjev ima bolj dolgotrajne učinke na membranski potencial – modulatorni učinki na vzdražnost živčnih celic
Delovanje živčnih celic Fiziologija živali
Oblike nevronov Pestrost oblik nevronov je izredna. Zakaj jih je toliko? Ali ima oblika kakšno vlogo? Ali je obdelava informacije povezana z obliko nevrona?
Ali je živčevje sestavljeno iz celic?
Camillo Golgi
Santiago Ramon y Cajal
Nobelova nagrada za fiziologijo in medicino 1906
Golgijeva metoda srebrenja Živčne celice obarvane z Golgijevo metodo
Ramon y Cajal Preparat skorje mišjih možganov
hrbtenjača zarodka piščanca
Skorja možganov človeškega zarodka
Nekaj primerov Cajalovih risb preparatov živčevja dendritski trni
retina
Lateralno genikulatno jedro
skorja malih možganov
Cajalove ugotovitve in hipoteze
Živčne celice ali nevroni so medsebojno popolnoma ločene enote. Med njimi poteka prenos informacije “na daljavo” (čeprav zelo kratko). Med dendritskim in aksonskim delom celice obstaja strukturna in funkcionalna kontinuiteta. Nevroni so “funkcionalno polarizirani” – informacija teče vedno od dendritskega dela proti aksonskemu delu celice. Spomin je shranjen v novo-nastalih povezavah med nevroni.
Funkcionalna polarizacija nevrona Današnji pogled na funkcionalno polarizacijo nevrona: Dendriti in soma nevrona sprejemajo in seštevajo informacije, akson je zadolžen za prevajanje, sinaptična regija pa za prenos na naslednje celice.
olfaktorični korteks
hipokampus
senzorični neokorteks
olfaktorični bulbus mali možgani striatum
motorični neokorteks
Sinapsa
Pojem je skoval Charles Scott Sherrington in ga predstavil leta 1906: syn (= skupaj) haptein (= speti)
Nobelova nagrada leta 1932 z Edgarjem Adrianom za raziskave refleksov
sinapsa
Povezava med dvema (živ čnima) celicama, ki služi prenosu informacije med njima
Sinapsa: Električno ali kemično • Nobelova nagrada 1936 • Odkritje, da je za prenos med živcem in mišico odgovoren acetilholin • Tudi delovanja srca uravnavjo živci s sproščanjem kemičnih snovi • Sinapsa je torej kemična Henry Dale
Otto Loewi
• John Eccles (Nobelova nagrada 1963 z Alanom Hodgkinom in Andrewom Huxleyem) • Velik zagovornik električne sinapse • Vendar 1952 dokaže, da so tudi v centralnem živčevju sinapse kemične
Soma živčne celice
Večina sinaptičnih vhodov na živčno celico je na dendritih in na somi
Tipi sinaps
Akso-dendritska (praviloma ekscitatorna) Sinapsa na deblu dendrita (praviloma ekscitatorna) Akso-somatska sinapsa (praviloma inhibitorna) Akso-aksonska (praviloma modulatorna)
Hitri nepeptidni mediatorji: nizkomolkularne snovi
Počasni peptidni Poč mediatorji = nevroaktivni peptidi (pribl. 100 snovi)
glicin
Sorodstvene povezave med ionotropnimi receptorji
GABA
5HT
AMPA NMDA
glutamat
ACh
Metabotropni receptorji
Kemična sinapsa
Električni in kemični dogodki na sinapsi
Orjaška sinapsa v stelatnem gangliju lignja
Za prenos informacije prek kemi čne sinapse je nujen vstop Ca2+ ionov (t.j. Ca2+ tok)
EPSP in IPSP
EPSP – ekscitacijski postsinaptični potencial – depolarizacija postsinaptične membrane IPSP – inhibitorni postsinaptični potencial – hiperpolarizacija postsinaptične membrane Njuno širjenje je elektrotonično – le prerazporeditev naboja, ki je prišel v celico v področ ju sinapse, na celotno celično membrano Na širjenje vplivajo predvsem pasivne lasntosti membrane živčnih celice
Pasivne električne lastnosti živčnih celic – dolžinska konstanta Kabelske lastnosti
Dolžinska konstanta () – v povezavi z razmerjem med prevodnostjo vlakna v transverzalni in v aksialni smeri (“izguba” naboja vzdolž vlakna) VX = V0e-x/
r m r i
Rm d Ri
4
Dolžinska konstanta vpliva na upad napetosti vzdolž živčnega vlakna in narašča s kvadratnim korenom premera vlakna - d. (Rm oz. Ri = upornost normirana na dolžinsko enoto)
Pasivne električne lastnosti živčnih celic – časovna konstanta
Vpliv kapacitivnosti
Časovna konstanta ( ) V = iR(1 – e-t/ ) = RmCm
Časovna konstanta (kot posledica kombinacije Rm in Cm) spremeni obliko
napetostnih signalov pri širjenju po živčnem vlaknu Časovna konstanta narašča predvsem na račun membranske kapacitivnosti – t.j. količine membrane na katero se naboj razporedi.
Kombinacija vplivov dolžinske in časovne konstante
Dolžinska konstanta ( ) določa kako daleč po vlaknu se bo poznala sprememba napetosti Časovna konstanta ( ) pa določa kakšen bo časovni potek spremembe napetosti. Obe sta močno odvisni od oblike (premera) in dolžine vlakna ter od razporeditve ionskih kanalov v membrani.
e t n a t s n o k e k s n i ž l o d v i l p v
vpliv časovne konstante
Vpliv dimenzij dendritov na širjenje potencialov
Presek dendritov ima velik vpliv na amplitudo maksimalna amplituda in obliko potencialov. Elektrotonična dolžina (razdalja)
E = x/ Razdalja normirana na dolžinsko konstanto
Vpliv dimenzij dendritov na širjenje potencialov
Dolžinska konstanta in verjetnost sproženja AP
Predvsem pasivne lastnosti membrane med sinapso in generacijsko cono (aksonskim stožcem) določajo ali bo določen postsinaptični potencial sprožil akcijski potencial ali ne
Sumacija postsinaptičnih potencialov mV
mV
tms tms
časovna sumacija
prostorska sumacija
Nelinearnosti pri prostorskem seštevanju sinaptičnih vhodov
Seštevanje sinaptičnih vhodov v praksi ni linearno
Sprememba napetosti povzroči odprtje kanalov Odprtje kanalov pomeni spremembo, Rm kar pomeni spremembo tako kot
Pretvorba postsinaptičnih potencialov v akcijske potenciale
Ko vsota EPSP-jev preseže vzdražni prag za nastanek AP, le ta nastane, če je le v tistem delu nevrona dovolj napetostno občutljivih Na+ ali Ca2+ kanalov Navadno do preekodiranja pride na začetku aksona – na aksonskem stožcu
Kodiranje membranskega potenciala v frekvenco AP Kadar se vsota EPSP jev še bolj dvigne se poveča frekveca akcijskih potencialov. Pride prekodiranja amplitude membranskega potenciala v frekvenco akcijskih potencialov
Posredovanje informacije
Razširjanje vzburjenja po vzdražni membrani
Hitrost potovanja akcijskih potencialov Helmholtz 1850
2 ms
Hermann von Helmholtz 1821 - 1894
5cm
tip
A A A A B C
premer m 10 - 20 7 - 15 4-8 2.5 - 5 1-3 0.3 1.5
v = 25ms-1
žaba (ms-1 )
mačka (ms-1 )
20 ºC
37 ºC
20 - 40 15 - 30 8 - 15 5-9 2-6 0.3 0.8
90 - 120 60 - 90 30 - 45 15 - 25 3 - 15 0.5 2
ovojnica debela srednje debela srednje debela srednje debela tenka brez
Hitrost potovanja akcijskih potencialov
Za sproženje akcijskega potenciala je potrebna sprememba napetosti Za koliko in kako daleč se pozna sprememba napetosti je pomembno kakšna je vzdolžna upornost vlakna (r i) oz. bolj natančno kakšno je razmerje med transmembransko (r m) in vzdolžno upornostjo (r m/r i)
r m r i
Rm Ri
d
4
- dolžinska konstanta
Hitrost potovanja akcijskih potencialov
Na+ kanalčki samoojačujejo akcijski potencial. Hitrost potovanja AP tako dolo čajo:
Vzdolžna upornost (r i) – t.j. presek vlakna Število odprtih kanalov v membrani v določenem trenutku (r m) Membranska kapacitivnost (Cm) (tudi povezana s presekom vlakna) in Gostota napetostno občutljivih Na+ kanalov, ki določajo koliko depolarizacijskega toka bo v določenem segmentu vlakna vstopilo v celico
Hitrost potovanja AP Primerjava presekov pri isti hitrosti ligenj
Hitrost prevajanja vzburjenja 25 m/s
4 m
10 m
90 m
deževnik
žaba
mačka
640 m
Mielinska ovojnica Skokovito (saltatori (saltatoriččno) prevajanje
Mielinska ovojnica pospeši prevajanje AP na več načinov:
poveča dolžinsko () konstanto – na račun zmanjšanja r m zmanjša časovno konstanto () – na račun zmanjšanja Cm Poveča količino toka, ki v določenem delu vstopi v celico – v območ ju Raniver-jevih zažetkov je izredno visoka gostota Na+ kanalov
Mielinska ovojnica Skokovito (saltatorič (saltatorično) prevajanje
Rezultat je, da lahko dosti tanjši aksoni prevajajo AP z veliko hitrostjo Prevajanje je skokovito – hkrati se depolarizira celoten segment Količina toka, ki vstopi v celico v depolariziranem zažetku je tolikšna, da depolarizacijo “čuti” nekaj nadaljnih zažetkov – sistem je tako manj občutljiv na manjše poškodbe mielinske ovojnice
Ranvier-jev zažetek
Živčni sistem aksonski transport Weiß&Hiscoe (1948)
ortogradno ali anterogradno
retrogradno
Aksonski transport ER
jedro
Golgi
a
b
c
a – mikrotubul b – nevrofilament c – mikrofilament
soma lizosom
retrogradni transport 200-300mm/dan
vezikel
hitri anterogradni transport 400mm/dan počasni anterogradni transport 3-6mm/dan mikrotubul
multivesikularno telesce sinaptični končič
Motorji: kinezin - anterogradni transport dinein retrogradni transport
Aksonski transport
Tako anterogradni kot retrogradni aksonski transport membranskih struktur (mitohondriji, sinaptični vezikli itd.) je večinoma hiter Transport strukturnih in drugih beljakovin večinoma počasen
Ovojnica živčnih vlaken – Schwanove celice
Ovojnica živčnih vlaken – mielinsko vlakno
nemielinsko vlakno
mielinsko vlakno
Ovojnica živčnih vlaken – Schwanove celice
Živec
živčna vlakna,
odeta vlakna, gola vlakna,
aksoni, dendriti, kapilare, ovojnice
Glia celice
astrocit
Schwanove celice
Glia celice
Rudolf Wirchow
Glia: živčno lepilo, amorfna masa , ki obdaja nevrone (??). Imajo običajne celične organele in vsebuje veliko glikogena in maščob. Izpolnjujejo prostor med nevroni. Manjše in jih je 10 - 50 krat več kot nevronov. Ne generirajo akcijskih potencialov.
Glia celice - danes
Vloge glia celic:
zagotavljanje strukturne podpore nevronom zagotavljanje izolacije (prepre čevanje presluhov) sodelovanje pri regeneraciji, poškodovanih nevronov sodelovanje pri prehranjevanju nevronov izločanje učinkovin, ki uravnavajo rast, razvoj in preživetje nevronov vzpostavljanje homeostaze zunajceli čnega prostora sodelovanje pri sinapti čnem prenosu
možganske ovojnice
dura
PSP arahnoidea
arterija
pr ed - S
po-S
pia mater akson
astrocit
astrocit pia kapilara
glia celica ventrikel nevron
ependimske celice kapilara
Ali živčna celica lahko poleg seštevanja naredi še kaj? Fiziologija živali
Klasični pogled na t.i. integracijske lastnosti Desna shema temelji na predpostavki, da se po dendritih in somi akcijski potenciali širijo pasivno. 100 µm
Toda… Ali je to vedno res?
Aktivne električ električne lastnosti živččnih celic živ Membranske črpalke (Na+/K+ ATP-aza, Ca2+ ATP-aza, Na+/Ca2+ antiport, …) Ionski kanali
Napetostno odvisni (Na +, Ca2+, K+) Ionotropni receptorji (Ca2+, Cl-, neselektivni kationski, …) Metabotropni receptorji (vezani na aktivacijo Gbeljakovin; različni ioni) Drugi načini aktivacije ([ATP]i, [Ca2+]i, temp., mehanski, …; različni ioni)
Pomembnejše ionske prevodnosti v živč živčnih celicah: INa in IK
Glavna “krivca” za nastanek akcijskih potencialov ter njihovo prevajanje po aksonu. Biofiziklani opis – Hodgkin in Huxley
Druge napetostno-odvisne prevodnosti
Na+
Ca2+
Na+/K+
K+
Vplivi različnih K+ prevodnosti
Znotrajcelični posnetki odzivov na podobne dražljaje v različnih delih sesalskih možganov
Integracijske lastnosti nevronov
Posledica tako pasivnih kot aktivnih električnih lastnosti Razlike med nevroni Razlike med deli nevrona
Dendritski del, soma, aksonski stožec, aksonski del Znotraj dendritskega dela !!
Kaj se dogaja v dendritskem drevesu? soma
dendrit
močno draženje soma
dendrit
šibko draženje
Stuart, Schiller & Sakmann, 1997; J. Physiology 505: 617-632
Akcijski potenciali v dendritskem drevesu so (pogosto) kalcijevi
Larkum, Zhu & Sakmann, 2001; J. Physiology 533: 447-466
Lliná & Sugimori, 1980; J. Physiolo
305: 197-213
In kaj vse to pomeni za funkcijo nevronov
možno je psevdosaltatorično prevajanje
več ji vpliv na NMDA receptorje in vzpostavljanje asociativnih povezav
Pojav akcijskih potencialov v dendritskem drevesu ima izredno pomembne posledice za sinaptično plastičnost in posledično za vzpostavljanje spominskih povezav refraktarnost tudi
čno vpliva na asociativnost
Popolnejši pogled na lastnosti in funkcionalno polarizacijo nevrona • Podpražna integracija • Lokalna integracija • Akcijski potenciali (prevajanje naprej in nazaj – “backpropagation”) • Globalni vzdražni prag za AP na nivoju nevrona
• Globalna frekvenca akcijskih potencialov
• Globalni “output”
Sinaptična plastičnost in spomin Fiziologija živali
Kje je skrit spomin?
Cajalova hipoteza: - v rasti novih povezav med nevroni (padlo v pozabo) Električna polja in kemični gradienti Dinamični vzorci v samovzbujajočih krogih ali vezjih DNA in RNA
Glavna težava: Kako zagotoviti plastičnost v fiksnem sistemu
Hebbova sinapsa Donald Hebb 1949 – hipoteza o učljivi sinapsi
klasično pogojevanje
Hebbova sinapsa
“Ko akson celice A ravno še vzdraži celico B in vedno znova ali vztrajno sodeluje pri njenem vzburjanju, pride do rastnega procesa ali metabolne spremembe v eni ali v obeh celicah, tako da se učinkovitost celice A pri proženju celice B poveča"
Sinaptična plastičnost
Sinaptična plastičnost je od predhodne aktivnosti odvisna, bolj ali manj trajna sprememba delovanja povezave med dvema ali več živčnimi celicami.
Groba razdelitev oblik plastičnosti oblika spremembe
e b t m s e o m n e j r a r p t s
facilitacija - povečanje odziva
depresija - zmanjšanje odziva
kratkoročna (ms - s) srednjeročna (s - min) dolgoročna (min - ure ali dnevi) trajna (dnevi do leta)
kontekst
monosinaptična heterosinaptična (asociativna)
Preproste oblike plastičnosti
Facilitacija (v ožjem pomenu) - kasnejši postsinaptični potenciali v “vlaku” so več ji od zgodnejših (akumulacija Ca2+) Posttetanična potenciacija (PTP) - postsinaptični odgovori na posamezne dražjaje so še nekaj časa več ji kot pred tetanusom (akumulacija Ca2+) Posttetanična depresija (PTD) - izpraznitev zalog nevrotransmiterja
Aplysia –
model za študij sinaptične plastičnosti
Eric Kandel prejema Nobelovo nagrado za medicino in fiziologijo leta 2000
Glavne značilnosti
1 mm
Habituacija pri Aplysii Mehanizem ni popolnoma jasen, vključuje pa: • inhibicijo N-tipa Ca2+ kanalov • posledično manj sproščenega nevrotransmiterja
Senzitizacija
Odstranitev učinka habituacije z drugačnim dražljajem - el. šokom Lahko traja več dni Ponavljanje jo naredi bolj učinkovito Namesto šoka lahko uporabimo serotonin (5HT) ali pa mikroinjekcijo cAMP ali katalitske podenote protein kinaze A (cAMP aktivira PKA)
Shema živčnega vezja, ki sodeluje pri senzitizaciji
• Čeprav je vezje, ki omogoča senzitizacijo relativno kompleksno, je prevladujoč učinek serotoninskih nevronov (5HT). Serotonin je nujen za senzitizacijo
Celični dogodki ob senzitizaciji
Hippocampus – vretenčarski model za študij plastičnosti
Hippocampus
Tim Bliss in Terje Lømo - 1973: Odkritje pojava imenovanega “Long Term Potentiation” - LTP Golgijeva risba prereza hippocampusa
Dolgotrajna potenciacija - LTP
(25-100 Hz, 1 s)
(25-100 Hz, 1 s)
Krivci za LTP Receptorji za glutamat: AMPA receptorji – glavni ionski kanali NMDA receptorji – ionski kanali
Mg2+ blokada, ki jo lahko odstrani dvig membranskega potenciala. Ob visoki frekvenci draženja ali sočasnem heterosinaptičnem draženju
NMDA in AMPA NMDA = N-metil-D-aspartat
← AMPA tokovi
AMPA = -amino-3-hidroksi-5-metil4-isoksazol propionska kislina
NMDA tokovi
↓
Mehanizem zgodnjega LTP
Dodatni vstop Ca2+ skozi NMDA receptorje povzroči aktivacijo CaM kinaze II CaMKII povzroči rekrutacijo novih AMPA receptorjev in njihovo modifikacijo (fosforilacija) Več ji tok skozi postisinaptično membrano ob sprostitvi glutamata s presinaptične membrane Več ji EPSP
Mehanizem poznega LTP
Druge signalne poti, opažene pri LTP
Presinaptično in postsinaptično: CaMKII CREB cAMP Tyr-kinaza ERK PI 3-K PKC Sinteza beljakovin
Retrogradni prenašalci:
Postsinaptična membrana → presinaptična membrana Hipotetični kandidati: NO CO Arahidonska kislina PAF
Živččni sistemi Živ Oko Možgani Živčni vrvici
radialni živec
Trebušnjača
Živčni obroč
Prečni živci
Živčna mreža
(a) trdoživ (ožigalkar)
Možgani
Segmentni gangliji (b) morska zvezda (iglokožec)
(c) vrtinčar (ploski ar (ploski črv)
(d) pijavka (kolobarnik) Možgani
Možgani Trebušnjača
Prednji živčni obroč
Gangliji Možgani
Longitudinalni živčni vrvici
gangliji
(f) hiton (mehkužec)
(g) ligenj (mehkužec)
Hrbtenjača Čutilni gangliji
Segmentni gangliji
(e) žuželka (členonožec)
(h) pupek (vretenčar)
Čemu služi živčevje Senzorični vhod integracija
senzor
Motorični izhod
efektor
Periferni živčni sistem (PŽS)
Osrednji (centralni) živčni sistem (CŽS)
Živčevje kot del homeostatskega sistema organizma dražljaji
motnja
+
modifikacija
uravnavana količina
receptor
-
transdukcija
nadzorni center
efektor
ustrezni odgovori
zakodiranje modifikacija
prevajanje impulzov
dekodiranje
izvajalni sistemi
integracija
Živčevje kot del homeostatskega sistema organizma
Živčevje počne naslednje: Zbira informacije o stanju v okolju in o stanju v organizmu Informacije integrira (sešteva, filtrira, prepoznava, ...) Se odloča ali je potrebno za vzdrževanje homeostaze oz. stabilnega notranjega okolja sprejeti kakšen ukrep Pripravi izvedbo ukrepa Aktivira ustrezne efektorje (mišice, žleze, ...) Na splošno poskuša zagotoviti takšne pogoje, da lahko žival (npr. Homo sapiens) čimbolj zanesljivo preživi (oz. si zagotovi potomstvo) s čim manjšo porabo energije Glavni razliki glede na hormonski in druge sisteme, ki sodelujejo pri homeostazi, sta: Velika hitrost in Več ja specifičnost povezav in delovanja
Človeški možgani
Najbolj kompleksna znana oblika organizacije živčevja Del našega osrednjega (centralnega) živčevja Del živčevja kjer poteka
Sprejemanje čutilnih informacij Njihova integracija Odločanje o aktivnosti Priprava izvedbe aktivnosti
Osrednje in periferno živčevje pri sesalcih Osrednji živčni Sistem (CŽS) Možgani Hrbtenjača
Periferni živčni Sistem (PŽS) Možganski živci
Gangliji izven CŽS
Živčevje v groben razdelimo v dva dela: Osrednje (centralno) in Periferno Osrednje živčevje Možgani Hrbtenjača Periferno živčevje Vse ostalo
Hrbtenjačni živci
Periferno živčevje (“vse ostalo”) Periferno živčevje
Aferentni (čutilni) nevroni
Eferentni nevroni
Avtonomni živčni sistem
Motorični sistem
npr. lokomocija
Simpatično živčevje
Izmenjava plinov
npr. sluh
Parasimpatično živčevje
Enterično živčevje
Delovanje hormonov
Prebava
Obtočila
Kako živčevje deluje?
dendriti dražljaj
jedro Aksonski stožec
Presinaptična celica
soma
akson
Osnovna funkcionalna enota živčevja je živčna celica ali nevron Vse višje ravni organizacije in celotno delovanje živčevja temelji na lastnostih in delovanju živčne celice.
sinapsa Sinaptični končiči
Postsinaptična celica nevrotransmiter
Celične osnove vzdražnosti Fiziologija živali
Kaj je vzdražnost?
Zelo temeljna lastnost živalskih organizmov Zametke srečamo tudi pri drugih skupinah (bakterije, glive, rastline) Tesno povezana z aktivnejšim načinom življenja in potrebo po hitrem reagiranju na spremembe v okolju Vzdražnost je tesno povezana z bioelektričnimi pojavi.
Bioelektrika
L. Galvani 1737 - 1798
A. Volta 1745-1837
Veliko vprašanje: Kaj je biolelektrika? Galvani: “Živalska elektrika” Volta: “Kovinska elektrika – popolnoma fizikalnokemijski pojav.” Izkaže se, da imata prav oba Vzdražnost ima svoje temelje na celičnem nivoju, mehanizmi pa so povsem fizikalno-kemijski
Kaj je vzdražnost celice?
Sposobnost odzivanja na dražljaje iz okolice s spremembami lastnih električnih lastnosti Električne lastnosti:
Napetost (U) U R I 1 Tok (I) G R I U G Prevodnost (G) Kapacitivnost (C) – večinoma se ne spreminja (razen ob eksocitozi in endocitozi)
Primerjava jakosti električnih tokov
Membrana kot elektronsko vezje
Izkaže se, da lahko elektri čne lastnosti membrane dovolj dobro ponazorimo z “nadomestnim elektronskim vezjem” kondenzator: lipidni dvosloj spremenljiv upor: ionski kanalčki baterija: razlike v koncentraciji ionov, ki jih omogoča aktivni transport (ionske črpalke)
Plazemska membrana
Plazemska membrana vsebuje vse elemente (beljakovine), ki prispevajo k vzdražnosti celic:
Ionski kanalčki Ionske črpalke Receptorji Molekule, ki delujejo kot lokalni posredniki informacij ob plazemski membrani (G-beljakovine) Drugi encimi
Vsemu skupaj dajeta dodatno trdnost citoskelet na citosolni in glikokaliks na zunanji strani
Ravnotežni elektrokemijski potencial Električni gradient
Na+
K+
2 K+
+ ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ + + + + + + + + +
- -------------------------------------------------------------------------------------------------------------
3 Na+
Na+
+ K
Koncentracijski gradient
E K
RT F
ln
[K ]i [K ]o
ATP
ADP+Pi
Nernstov potencial za K+ ali Ravnotežni elektrokemijski potencial za K+
Ravnotežni elektrokemijski potencial Pri ravnotežnem potencialu je neto tok ionov preko membrane enak 0, ker električni gradient preprečuje pot ionom preko membrane Relacijo opisuje Nernstova enačba:
co ekstracelularna koncentracija ci intracelularna koncentracija R plinska konstanta 8.31 Jmol-1K-1
E
K
RT zF
ln
ci
T
co
F
temperatura 293K Faradayeva konstanta 96500 Cmol-1
Ravnotežni elektrokemijski potencial
Membrana:
Primer: koncentracije K+ ionov
izbirno prepustna tanek sloj izolatorja (kondenzator) v celici: 135 mM zunaj celice: 3 mM
Izenačitev koncentracij K+ ionov preprečuje ravnotežje koncentracijskega gradienta za K+ in napetostnega gradienta, ki ga je ustvarilo izredno malo K+ ionov, ki so prečkali membrano
Mirovni membranski potencial + Na
K+
Cl
2 K+
++++
++++++
++++
++++++++
++++
------
----------
------
--------------
------
+ K
Na+
Goldman-Hodgkin-Katzova enačba E m
Cl-
3 Na+ ATP ADP+Pi
RT F
ln
PK [K ]i P Na [Na ]i PCl [Cl ]o
PK [K ]o P Na [Na ]o PCl [Cl ]i
Mirovni membranski potencial
Mirovni membranski potencial je rezultat delovanja vseh omenjenih mehanizmov:
Črpalke
zagotavljajo koncentracijske gradiente
ionov Različni ionski kanali so odprti razli čni delež časa, kar je na zunaj opazno kot ve č ja ali manjša prepustnost membrane za razli čne ione V vse skupaj se vpletajo še pasivni procesi kakršen je Donnanov potencial ipd. Rezultat je membranski potencial, ki je razli čen za različne celice in živalske skupine
Mirovni membranski potencial različnih celic Objekt
MMP mV
Amoeba
-20 do -65
Carcinus (golo vlakno)
-82
134
-77
99
Locusta (mišica noge)
-60
60
Loligo (orjaško vlakno)
-73
112
Electrophorus (električni organ)
-84
151
Rana sp. (mielinsko vlakno)
-71
116
Rana temporaria (skeletna mišica)
-85
112
Mačka (motonevron)
-70
90 – 100
Pes (ventrikularna mišica)
-82
102
Ovca (Purkinjejeva vlakna)
-98
132
Periplaneta (50m akson)
Človek
(eritrocit)
-30
AP mV
Ionski kanalčki
Bakterijski mehansko občutljiv kanalček
Kalijev kanalček KcsA iz Streptomyces avidans
Kako se odpirajo in zapirajo ionski kanalčki?
Erwin Neher
Bert Sakmann
Nobelova nagrada za medicino 1991
Metoda vpete napetosti krpice celične membrane:
“patch clamp”
Praktična izvedba
Skupne značilnosti ionskih kanalčkov
Transmembranske beljakovine Če so odprti je odvisnost med napetostjo prek membrane in tokom, ki teče skoznje povsem linearna Različno dobro prepuščajo različne ione z istovrstnim nabojem Lahko obstajajo v več diskretnih stanjih Prehodi med stanji so v praktično takojšnji (ns) Navadno gre za več zaprtih in eno odprto stanje Verjetnosti prehodov med stanji določa, koliko se bo v povpreč ju kanalček zadrževal v vsakem od njih
Kanalčki in njihove lastnosti
Ionski kanalčki, ki zaznavajo spremembe v okolici
Napetostne spremembe
Spremembe v napetosti prek plazemske membrane Napetostni senzor – navadno aminokislinski Nebeljakovinski napetostni senzorji
Kemične spremembe
Mehanske spremembe
Obstajajo seveda tudi kanalčki, na katere hkrati vpliva hkrati več ali celo vsi omenjeni parametri
Vezavno mesto za ligand na zunanji strani plazemske membrane Vezavno mesto za ligand na notranji strani plazemske membrane Vezavno mesto v področ ju lipidnega dvosloja Fosforilacijsko(a) mesto(a) na notranji strani membrane Zaznavanje lateralne tenzije v membrani Povezava s citoskeletom
Temperaturne spremembe
Akcijski potencial živčnega vlakna
Akcijski potencial gigantskega vlakna lignja
Gigantski akson lignja
Young 1936 odkrije gigantski akson lignja. Ugotovi, da gre za akson in ne za krvne žile ali kaj podobnega Cole in Curtis 1938 želita uporabiti svojo tehniko na gigantskem aksonu, toda z delom začneta pozimi in prva je na vrsti zelena alga Nitella. Izmerita spremembo prevodnosti ob akcijskem potencialu, ki traja okrog 1s.
Akcijski potencial pri Nitelli
Akcijski potencial pri lignju
Gigantski akson lignja
• Curtis in Cole izmerita približno 40x povečanje prevodnosti membrane • Njun predlog je, da gre za prehodno odprtje membrane, ki omogoči nastanek tokov, ki depolarizirajo sosednje regije membrane
Hodgkinove in Huxleyeve raziskave gigantskega aksona “overshoot” = ?
Zakaj gre AP v pozitivno smer?
Za to je nujno potreben Na+ Poskusi Hodgkina, Huxleya in Katza na lignjevem aksonu
Hodgkin
Huxley
Katz
Prevodnost membrane za in K+ ione
Metoda vpete napetosti: “voltage clamp”
+ Na
Akcijski potencial živčnega vlakna
Kalijev napetostno občutljiv kanalček
Natrijevi in kalijevi napetostno občutljivi kanalčki odprto
odprto
zaprto (inaktivirano)
zaprto zaprto (mirovno)
zaprto (inaktivirano)
Refraktarnost
Refraktarnost je posledica lastnosti napetostno-odvisnih Na+ in K+ kanalov Absolutna refraktatrnost – inaktivacija Na+ kanalov Relativna refraktarnost – “počasno” reagiranje K+ kanalov na napetostne spremembe
Posledica: Omejitev najvišje frekvence AP – v glavnem na račun lastnosti K+ kanalov Celice, ki prožijo AP z visoko frekvenco (≥ 800 Hz) imajo posebno “hitre” K+ kanale – npr. nevroni, ki posredujejo slušno informacijo
Različni napetostno odvisni kanalčki Na+
K+
Ca2+
Tokovi, ki so posledica aktivacije različnih tipov napetostno ob čutljivih kanalčkov
Ionski kanalčki občutljivi na molekule
Precejšen del vzdražnosti celic temelji na odzivanju na kemijske dražljaje V takem primeru govorimo o receptorjih Posledica vezave liganda na receptor je lahko tudi sprememba stopnje vzdraženosti oz. sprememba vzdražnosti
Poleg receptorjev, ki so istočasno tudi ionski kanali, obstaja še cela vrsta receptorjev, ki so povezani z Gbeljakovinami (t.i. Metabotropni receptorji) Pogosto posredno vplivajo na delovanje drugih ionskih kanalčkov in tako spreminjajo vzdražnost celic
Ionotropni in metabotropni receptorji
Ionotropni receptor
Metabotropni receptorji a)
b)
2 tipa regulacije ionskih kanalčkov: a) G-beljakovine neposredno b) G-beljakovine posredno preko sekundarnih prenašalcev (npr. cAMP) in fosforilacije (npr. PKA)
Učinki aktivacije obeh tipov na membranski potecial
•
Učinki vezave ligandov na membranski potencial so pri obeh tipih receptorjev zelo različni.
•
Aktivacija metabotropnih receptorjev ima bolj dolgotrajne učinke na membranski potencial – modulatorni učinki na vzdražnost živčnih celic
Delovanje živčnih celic Fiziologija živali
Oblike nevronov Pestrost oblik nevronov je izredna. Zakaj jih je toliko? Ali ima oblika kakšno vlogo? Ali je obdelava informacije povezana z obliko nevrona?
Ali je živčevje sestavljeno iz celic?
Camillo Golgi
Santiago Ramon y Cajal
Nobelova nagrada za fiziologijo in medicino 1906
Golgijeva metoda srebrenja Živčne celice obarvane z Golgijevo metodo
Ramon y Cajal Preparat skorje mišjih možganov
hrbtenjača zarodka piščanca
Skorja možganov človeškega zarodka
Nekaj primerov Cajalovih risb preparatov živčevja dendritski trni
retina
Lateralno genikulatno jedro
skorja malih možganov
Cajalove ugotovitve in hipoteze
Živčne celice ali nevroni so medsebojno popolnoma ločene enote. Med njimi poteka prenos informacije “na daljavo” (čeprav zelo kratko). Med dendritskim in aksonskim delom celice obstaja strukturna in funkcionalna kontinuiteta. Nevroni so “funkcionalno polarizirani” – informacija teče vedno od dendritskega dela proti aksonskemu delu celice. Spomin je shranjen v novo-nastalih povezavah med nevroni.
Funkcionalna polarizacija nevrona Današnji pogled na funkcionalno polarizacijo nevrona: Dendriti in soma nevrona sprejemajo in seštevajo informacije, akson je zadolžen za prevajanje, sinaptična regija pa za prenos na naslednje celice.
olfaktorični korteks
hipokampus
senzorični neokorteks
olfaktorični bulbus mali možgani striatum
motorični neokorteks
Sinapsa
Pojem je skoval Charles Scott Sherrington in ga predstavil leta 1906: syn (= skupaj) haptein (= speti)
Nobelova nagrada leta 1932 z Edgarjem Adrianom za raziskave refleksov
sinapsa
Povezava med dvema (živ čnima) celicama, ki služi prenosu informacije med njima
Sinapsa: Električno ali kemično • Nobelova nagrada 1936 • Odkritje, da je za prenos med živcem in mišico odgovoren acetilholin • Tudi delovanja srca uravnavjo živci s sproščanjem kemičnih snovi • Sinapsa je torej kemična Henry Dale
Otto Loewi
• John Eccles (Nobelova nagrada 1963 z Alanom Hodgkinom in Andrewom Huxleyem) • Velik zagovornik električne sinapse • Vendar 1952 dokaže, da so tudi v centralnem živčevju sinapse kemične
Soma živčne celice
Večina sinaptičnih vhodov na živčno celico je na dendritih in na somi
Tipi sinaps
Akso-dendritska (praviloma ekscitatorna) Sinapsa na deblu dendrita (praviloma ekscitatorna) Akso-somatska sinapsa (praviloma inhibitorna) Akso-aksonska (praviloma modulatorna)
Hitri nepeptidni mediatorji: nizkomolkularne snovi
Počasni peptidni Poč mediatorji = nevroaktivni peptidi (pribl. 100 snovi)
glicin
Sorodstvene povezave med ionotropnimi receptorji
GABA
5HT
AMPA NMDA
glutamat
ACh
Metabotropni receptorji
Kemična sinapsa
Električni in kemični dogodki na sinapsi
Orjaška sinapsa v stelatnem gangliju lignja
Za prenos informacije prek kemi čne sinapse je nujen vstop Ca2+ ionov (t.j. Ca2+ tok)
EPSP in IPSP
EPSP – ekscitacijski postsinaptični potencial – depolarizacija postsinaptične membrane IPSP – inhibitorni postsinaptični potencial – hiperpolarizacija postsinaptične membrane Njuno širjenje je elektrotonično – le prerazporeditev naboja, ki je prišel v celico v področ ju sinapse, na celotno celično membrano Na širjenje vplivajo predvsem pasivne lasntosti membrane živčnih celice
Pasivne električne lastnosti živčnih celic – dolžinska konstanta Kabelske lastnosti
Dolžinska konstanta () – v povezavi z razmerjem med prevodnostjo vlakna v transverzalni in v aksialni smeri (“izguba” naboja vzdolž vlakna) VX = V0e-x/
r m r i
Rm d Ri
4
Dolžinska konstanta vpliva na upad napetosti vzdolž živčnega vlakna in narašča s kvadratnim korenom premera vlakna - d. (Rm oz. Ri = upornost normirana na dolžinsko enoto)
Pasivne električne lastnosti živčnih celic – časovna konstanta
Vpliv kapacitivnosti
Časovna konstanta ( ) V = iR(1 – e-t/ ) = RmCm
Časovna konstanta (kot posledica kombinacije Rm in Cm) spremeni obliko
napetostnih signalov pri širjenju po živčnem vlaknu Časovna konstanta narašča predvsem na račun membranske kapacitivnosti – t.j. količine membrane na katero se naboj razporedi.
Kombinacija vplivov dolžinske in časovne konstante
Dolžinska konstanta ( ) določa kako daleč po vlaknu se bo poznala sprememba napetosti Časovna konstanta ( ) pa določa kakšen bo časovni potek spremembe napetosti. Obe sta močno odvisni od oblike (premera) in dolžine vlakna ter od razporeditve ionskih kanalov v membrani.
e t n a t s n o k e k s n i ž l o d v i l p v
vpliv časovne konstante
Vpliv dimenzij dendritov na širjenje potencialov
Presek dendritov ima velik vpliv na amplitudo maksimalna amplituda in obliko potencialov. Elektrotonična dolžina (razdalja)
E = x/ Razdalja normirana na dolžinsko konstanto
Vpliv dimenzij dendritov na širjenje potencialov
Dolžinska konstanta in verjetnost sproženja AP
Predvsem pasivne lastnosti membrane med sinapso in generacijsko cono (aksonskim stožcem) določajo ali bo določen postsinaptični potencial sprožil akcijski potencial ali ne
Sumacija postsinaptičnih potencialov mV
mV
tms tms
časovna sumacija
prostorska sumacija
Nelinearnosti pri prostorskem seštevanju sinaptičnih vhodov
Seštevanje sinaptičnih vhodov v praksi ni linearno
Sprememba napetosti povzroči odprtje kanalov Odprtje kanalov pomeni spremembo, Rm kar pomeni spremembo tako kot
Pretvorba postsinaptičnih potencialov v akcijske potenciale
Ko vsota EPSP-jev preseže vzdražni prag za nastanek AP, le ta nastane, če je le v tistem delu nevrona dovolj napetostno občutljivih Na+ ali Ca2+ kanalov Navadno do preekodiranja pride na začetku aksona – na aksonskem stožcu
Kodiranje membranskega potenciala v frekvenco AP Kadar se vsota EPSP jev še bolj dvigne se poveča frekveca akcijskih potencialov. Pride prekodiranja amplitude membranskega potenciala v frekvenco akcijskih potencialov
Posredovanje informacije
Razširjanje vzburjenja po vzdražni membrani
Hitrost potovanja akcijskih potencialov Helmholtz 1850
2 ms
Hermann von Helmholtz 1821 - 1894
5cm
tip
A A A A B C
premer m 10 - 20 7 - 15 4-8 2.5 - 5 1-3 0.3 1.5
v = 25ms-1
žaba (ms-1 )
mačka (ms-1 )
20 ºC
37 ºC
20 - 40 15 - 30 8 - 15 5-9 2-6 0.3 0.8
90 - 120 60 - 90 30 - 45 15 - 25 3 - 15 0.5 2
ovojnica debela srednje debela srednje debela srednje debela tenka brez
Hitrost potovanja akcijskih potencialov
Za sproženje akcijskega potenciala je potrebna sprememba napetosti Za koliko in kako daleč se pozna sprememba napetosti je pomembno kakšna je vzdolžna upornost vlakna (r i) oz. bolj natančno kakšno je razmerje med transmembransko (r m) in vzdolžno upornostjo (r m/r i)
r m r i
Rm Ri
d
4
- dolžinska konstanta
Hitrost potovanja akcijskih potencialov
Na+ kanalčki samoojačujejo akcijski potencial. Hitrost potovanja AP tako dolo čajo:
Vzdolžna upornost (r i) – t.j. presek vlakna Število odprtih kanalov v membrani v določenem trenutku (r m) Membranska kapacitivnost (Cm) (tudi povezana s presekom vlakna) in Gostota napetostno občutljivih Na+ kanalov, ki določajo koliko depolarizacijskega toka bo v določenem segmentu vlakna vstopilo v celico
Hitrost potovanja AP Primerjava presekov pri isti hitrosti ligenj
Hitrost prevajanja vzburjenja 25 m/s
4 m
10 m
90 m
deževnik
žaba
mačka
640 m
Mielinska ovojnica Skokovito (saltatori (saltatoriččno) prevajanje
Mielinska ovojnica pospeši prevajanje AP na več načinov:
poveča dolžinsko () konstanto – na račun zmanjšanja r m zmanjša časovno konstanto () – na račun zmanjšanja Cm Poveča količino toka, ki v določenem delu vstopi v celico – v območ ju Raniver-jevih zažetkov je izredno visoka gostota Na+ kanalov
Mielinska ovojnica Skokovito (saltatorič (saltatorično) prevajanje
Rezultat je, da lahko dosti tanjši aksoni prevajajo AP z veliko hitrostjo Prevajanje je skokovito – hkrati se depolarizira celoten segment Količina toka, ki vstopi v celico v depolariziranem zažetku je tolikšna, da depolarizacijo “čuti” nekaj nadaljnih zažetkov – sistem je tako manj občutljiv na manjše poškodbe mielinske ovojnice
Ranvier-jev zažetek
Živčni sistem aksonski transport Weiß&Hiscoe (1948)
ortogradno ali anterogradno
retrogradno
Aksonski transport ER
jedro
Golgi
a
b
c
a – mikrotubul b – nevrofilament c – mikrofilament
soma lizosom
retrogradni transport 200-300mm/dan
vezikel
hitri anterogradni transport 400mm/dan počasni anterogradni transport 3-6mm/dan mikrotubul
multivesikularno telesce sinaptični končič
Motorji: kinezin - anterogradni transport dinein retrogradni transport
Aksonski transport
Tako anterogradni kot retrogradni aksonski transport membranskih struktur (mitohondriji, sinaptični vezikli itd.) je večinoma hiter Transport strukturnih in drugih beljakovin večinoma počasen
Ovojnica živčnih vlaken – Schwanove celice
Ovojnica živčnih vlaken – mielinsko vlakno
nemielinsko vlakno
mielinsko vlakno
Ovojnica živčnih vlaken – Schwanove celice
Živec
živčna vlakna,
odeta vlakna, gola vlakna,
aksoni, dendriti, kapilare, ovojnice
Glia celice
astrocit
Schwanove celice
Glia celice
Rudolf Wirchow
Glia: živčno lepilo, amorfna masa , ki obdaja nevrone (??). Imajo običajne celične organele in vsebuje veliko glikogena in maščob. Izpolnjujejo prostor med nevroni. Manjše in jih je 10 - 50 krat več kot nevronov. Ne generirajo akcijskih potencialov.
Glia celice - danes
Vloge glia celic:
zagotavljanje strukturne podpore nevronom zagotavljanje izolacije (prepre čevanje presluhov) sodelovanje pri regeneraciji, poškodovanih nevronov sodelovanje pri prehranjevanju nevronov izločanje učinkovin, ki uravnavajo rast, razvoj in preživetje nevronov vzpostavljanje homeostaze zunajceli čnega prostora sodelovanje pri sinapti čnem prenosu
možganske ovojnice
dura
PSP arahnoidea
arterija
pr ed - S
po-S
pia mater akson
astrocit
astrocit pia kapilara
glia celica ventrikel nevron
ependimske celice kapilara
Ali živčna celica lahko poleg seštevanja naredi še kaj? Fiziologija živali
Klasični pogled na t.i. integracijske lastnosti Desna shema temelji na predpostavki, da se po dendritih in somi akcijski potenciali širijo pasivno. 100 µm
Toda… Ali je to vedno res?
Aktivne električ električne lastnosti živččnih celic živ Membranske črpalke (Na+/K+ ATP-aza, Ca2+ ATP-aza, Na+/Ca2+ antiport, …) Ionski kanali
Napetostno odvisni (Na +, Ca2+, K+) Ionotropni receptorji (Ca2+, Cl-, neselektivni kationski, …) Metabotropni receptorji (vezani na aktivacijo Gbeljakovin; različni ioni) Drugi načini aktivacije ([ATP]i, [Ca2+]i, temp., mehanski, …; različni ioni)
Pomembnejše ionske prevodnosti v živč živčnih celicah: INa in IK
Glavna “krivca” za nastanek akcijskih potencialov ter njihovo prevajanje po aksonu. Biofiziklani opis – Hodgkin in Huxley
Druge napetostno-odvisne prevodnosti
Na+
Ca2+
Na+/K+
K+
Vplivi različnih K+ prevodnosti
Znotrajcelični posnetki odzivov na podobne dražljaje v različnih delih sesalskih možganov
Integracijske lastnosti nevronov
Posledica tako pasivnih kot aktivnih električnih lastnosti Razlike med nevroni Razlike med deli nevrona
Dendritski del, soma, aksonski stožec, aksonski del Znotraj dendritskega dela !!
Kaj se dogaja v dendritskem drevesu? soma
dendrit
močno draženje soma
dendrit
šibko draženje
Stuart, Schiller & Sakmann, 1997; J. Physiology 505: 617-632
Akcijski potenciali v dendritskem drevesu so (pogosto) kalcijevi
Larkum, Zhu & Sakmann, 2001; J. Physiology 533: 447-466
Lliná & Sugimori, 1980; J. Physiolo
305: 197-213
In kaj vse to pomeni za funkcijo nevronov
možno je psevdosaltatorično prevajanje
več ji vpliv na NMDA receptorje in vzpostavljanje asociativnih povezav
Pojav akcijskih potencialov v dendritskem drevesu ima izredno pomembne posledice za sinaptično plastičnost in posledično za vzpostavljanje spominskih povezav refraktarnost tudi
čno vpliva na asociativnost
Popolnejši pogled na lastnosti in funkcionalno polarizacijo nevrona • Podpražna integracija • Lokalna integracija • Akcijski potenciali (prevajanje naprej in nazaj – “backpropagation”) • Globalni vzdražni prag za AP na nivoju nevrona
• Globalna frekvenca akcijskih potencialov
• Globalni “output”
Sinaptična plastičnost in spomin Fiziologija živali
Kje je skrit spomin?
Cajalova hipoteza: - v rasti novih povezav med nevroni (padlo v pozabo) Električna polja in kemični gradienti Dinamični vzorci v samovzbujajočih krogih ali vezjih DNA in RNA
Glavna težava: Kako zagotoviti plastičnost v fiksnem sistemu
Hebbova sinapsa Donald Hebb 1949 – hipoteza o učljivi sinapsi
klasično pogojevanje
Hebbova sinapsa
“Ko akson celice A ravno še vzdraži celico B in vedno znova ali vztrajno sodeluje pri njenem vzburjanju, pride do rastnega procesa ali metabolne spremembe v eni ali v obeh celicah, tako da se učinkovitost celice A pri proženju celice B poveča"
Sinaptična plastičnost
Sinaptična plastičnost je od predhodne aktivnosti odvisna, bolj ali manj trajna sprememba delovanja povezave med dvema ali več živčnimi celicami.
Groba razdelitev oblik plastičnosti oblika spremembe
e b t m s e o m n e j r a r p t s
facilitacija - povečanje odziva
depresija - zmanjšanje odziva
kratkoročna (ms - s) srednjeročna (s - min) dolgoročna (min - ure ali dnevi) trajna (dnevi do leta)
kontekst
monosinaptična heterosinaptična (asociativna)
Preproste oblike plastičnosti
Facilitacija (v ožjem pomenu) - kasnejši postsinaptični potenciali v “vlaku” so več ji od zgodnejših (akumulacija Ca2+) Posttetanična potenciacija (PTP) - postsinaptični odgovori na posamezne dražjaje so še nekaj časa več ji kot pred tetanusom (akumulacija Ca2+) Posttetanična depresija (PTD) - izpraznitev zalog nevrotransmiterja
Aplysia –
model za študij sinaptične plastičnosti
Eric Kandel prejema Nobelovo nagrado za medicino in fiziologijo leta 2000
Glavne značilnosti
1 mm
Habituacija pri Aplysii Mehanizem ni popolnoma jasen, vključuje pa: • inhibicijo N-tipa Ca2+ kanalov • posledično manj sproščenega nevrotransmiterja
Senzitizacija
Odstranitev učinka habituacije z drugačnim dražljajem - el. šokom Lahko traja več dni Ponavljanje jo naredi bolj učinkovito Namesto šoka lahko uporabimo serotonin (5HT) ali pa mikroinjekcijo cAMP ali katalitske podenote protein kinaze A (cAMP aktivira PKA)
Shema živčnega vezja, ki sodeluje pri senzitizaciji
• Čeprav je vezje, ki omogoča senzitizacijo relativno kompleksno, je prevladujoč učinek serotoninskih nevronov (5HT). Serotonin je nujen za senzitizacijo
Celični dogodki ob senzitizaciji
Hippocampus – vretenčarski model za študij plastičnosti
Hippocampus
Tim Bliss in Terje Lømo - 1973: Odkritje pojava imenovanega “Long Term Potentiation” - LTP Golgijeva risba prereza hippocampusa
Dolgotrajna potenciacija - LTP
(25-100 Hz, 1 s)
(25-100 Hz, 1 s)
Krivci za LTP Receptorji za glutamat: AMPA receptorji – glavni ionski kanali NMDA receptorji – ionski kanali
Mg2+ blokada, ki jo lahko odstrani dvig membranskega potenciala. Ob visoki frekvenci draženja ali sočasnem heterosinaptičnem draženju
NMDA in AMPA NMDA = N-metil-D-aspartat
← AMPA tokovi
AMPA = -amino-3-hidroksi-5-metil4-isoksazol propionska kislina
NMDA tokovi
↓
Mehanizem zgodnjega LTP
Dodatni vstop Ca2+ skozi NMDA receptorje povzroči aktivacijo CaM kinaze II CaMKII povzroči rekrutacijo novih AMPA receptorjev in njihovo modifikacijo (fosforilacija) Več ji tok skozi postisinaptično membrano ob sprostitvi glutamata s presinaptične membrane Več ji EPSP
Mehanizem poznega LTP
Druge signalne poti, opažene pri LTP
Presinaptično in postsinaptično: CaMKII CREB cAMP Tyr-kinaza ERK PI 3-K PKC Sinteza beljakovin
Retrogradni prenašalci:
Postsinaptična membrana → presinaptična membrana Hipotetični kandidati: NO CO Arahidonska kislina PAF
