Potencjał czynnościowy - propagacja

Prąd wpływający do komórki musi z niej wypłynąć by zamknąć obwód prądowy. Jony płyną wzdłuż komórki szukając miejsc najmniejszego oporu błony. Prądy te (tzw. prądy lokalne) rozprzestrzeniają depolaryzację do sąsiednich rejonów aksonu gdzie, jeśli próg jest osiągnięty, generowany jest następny potencjał.

A. We włóknach niezmielinizowancyh propagacja następuje w sposób ciągły.

B. B. We włóknach z mieliną propagacja następuje skokowo – od jednego przewężenia do następnego.

C. W dendrytach występują odcinki błony aktywnej (tzw. hot spots), w których może być generowany impuls. Jest to odmiana propagacji skokowej.

Jednokierunkowa propagacja potencjału czynnościowego

Skokowa propagacja potencjału czynnościowego

W obszarach zmielinizowanych błona ma duży opór oraz małą pojemność, co powoduje, że prąd płynie pomiędzy przewężeniami Ranviera. W przewężeniach znajduje się duża liczba kanałów Na+. Kanały K+ znajdują się pod mieliną, pomiędzy przewężeniami.

Teoria kablowa (cable theory) – propagacja potencjału czynnościowego

własności membrany parametry kabla

aCc

aRr

aRr

mm

mm

ii

2

2/

/ 2

m

m

i

C

R

R - wewnątrzkomórkowy opór właściwy ( *cm) - oporność osiowa ( /cm )

- oporność błony ( * cm )

- pojemność błony (F/cm )

- opór właściwy błony ( *cm2)

- pojemność właściwa błony (F/cm2 )

Ri, total=Ri*l/A Rm, total=Rm/S Cm, total=Cm*S

Aby opisać propagację potencjału czynnościowego należy rozważyć teorię kablową opisującą rozchodzenie się jonów wzdłuż aksonu. W teorii kablowej aksony i dendryty są traktowane jako cylindry złożone z pojemności cm i oporu rm połączonych równolegle. Wzdłuż włókna występuje opór ri połączony szeregowo.

Parametry membrany o długości l, przekroju A = a2 i powierzchni S = 2al :

ri rm, cm

Teoria kablowa (cable theory) - cd

mii

im ir

x

ir

x

txV

2

2 ),(

mm

i

ix

txV

r

2

2 ),(1

2

2

22

2 ),(1),(

t

txV

x

txV

- prędkość propagacji

iim ir

x

txV

),(

Prawo Ohma:

mi ix

i

Zanik ii wraz z odległością (wyciek przez rm i cm):

Dostajemy

Prąd przez błonę:

aIx

V

R

am

i

2

2

22

LNaKmmi

IIIt

VCI

x

V

R

a

2

2

2

Potencjał czynnościowy propaguje się ze stałą prędkością. Stosujemy więc równanie falowe:

gdzie,

Teoria kablowa (cable theory) - cd

LNaKmi

IIIdt

dVC

dt

Vd

R

a

2

2

22

aCRKa mi 2/

Po rozwiązaniu równania dostajemy:

dla K = 10.47 m/s – wyznaczona doświadczalnie

= 18.8 m/s

exp= 21.2 m/s

Dwa mity

Neuron Impulsy elektryczne

Impulsy elektryczne Komunikacja

Komórki Rosiczki generują impulsy elektryczne podczas

zamykania listków

komórka jajowa strunowca

komórka grzyba

pień dyni

komórka pierwotniaka

komórka skóry żaby

komórka przysadki mógowej szczura

komórka trzustki szczura

Sir Charles Sherrington, 1897, Podręcznik fizjologii

<gr. sýnapsis połączenie>

Synapsa

Synapsy chemiczne, elektryczne i nie tylko...

Przekaźnictwo objętościowe (volume transmission)

Zbliżenia membrannowe (membrane juxtapositions)

Synapsy elektryczne

Synapsy chemiczne

Metody komunikacji w układzie nerwowym:

Zbliżenie membrannowe we włóknach nizemielinizowanych, umożliwiające komunikacje poprzez jony K+ lub przepływ prądu (--).

Rodzaje połączeń membrannowych

Synapsy chemiczne, elektryczne

Distinguishing Properties of Electrical and Chemical Synapses

Type of synapse

Distance between pre- and postsynaptic cell membranes

Cytoplasmic continuity between pre- and postsynaptic cells Ultrastructural components

Agent of transmission Synaptic delay

Direction of transmission

Electrical 3.5 nm Yes Gap-junction channels Ion current Virtually absent Usually bidirectional

Chemical 20-40 nm No Presynaptic vesicles and active zones; postsynaptic receptors

Chemical transmitter

Significant: at least 0.3 ms, usually 1-5 ms or longer

Unidirectional

Synapsy elektryczne

Główne cechy przekaźnictwa elektrycznego:- duża prędkość- wierność przekazu (bez zniekształcenia)- działanie dwukierunkoweZastosowanie:- szybkie działanie (np. odruch ucieczki)- synchroniczne działanie dużych grup neuronów- komunikacja w komórkach glejowych

A. W synapsie elektrycznej dwie komórki są połączone kanałami szczelinowymi (gap-junction channels). Kanały te umożliwiają bezpośredni przepływ jonów pomiędzy dwoma komórkami. Dodatkową ułatwieniem komunikacji jest zawężenie przestrzeni zewnątrzkomórkowej z 20 nm do 3.5 nm w złączu szczelinowym (gap junction).

Mikrografia elektronowa połączenia szczelinowego. Macierz kanałów wyizolowana z błony wątroby szczura. Każdy kanał ma strukturę hexagonalną. Powiększenie: X 307 800

B. Każdy półkanał (connexon) składa się z sześciu identycznych podzespołów (connexin).

C. Podzespoły są ułożone tak, że tworzą por pośrodku kanału. Por jest otwarty gdy podzespoły są skręcone względem podstawy. Na otwarcie lub zamknięcie poru może wpływać poziom pH i stężenie Ca2+ w komórce. Synapsy elektryczne mogą mieć również napięciowozależne bramki oraz reagować na różne neuroprzekaźniki.

Synapsy elektryczne u Aplysii

E. Kandel z Aplysią

Stymulacja elektryczna ogona powoduje synchroniczne wyładowanie w trzech motoneuronach. 1. Gdy motoneurony znajdują się w spoczynku stymulacja wywołuje identyczną salwę potencjałów czynnościowych w trzech komórkach czego wynikiem jest wypuszczenie atramentu. 2. W stanie hiperpolaryzacji, odpowiedź obronna jest zablokowana.

Synapsa chemiczna1. Depolaryzacja błony

presnaptycznej.

2. Aktywacja napięciowozależnych kanałów Ca2+

3. Fuzja błony pęcherzyka synaptycznego z błoną presynaptyczną

4. Uwalnianie neurotransmitera (egzocytoza)

5. Dyfuzja neurotransmitera do szczeliny synaptycznej

6. Przyłączenie neurotrasmitera do receptora i bramkowanie kanałów jonowych

7. Odnowa pęcherzyka synaptycznego –endocytoza

8. Inaktywacja neurotransmitera

Różnorodność połączeń synaptycznych

Znakowane fluorescencyjnie synapsy (pomarańczowe punkty) w komórce hipokamapa.

Mikrografia elektronowa szczeliny synaptycznej. Duże owalne struktury – mitochondria, małe okrągłe struktury - pęcherzyki synaptyczne. Rozmyte zgrubienia (strzałki) – strefy aktywne – obszary zawierające dużą gęstość pęcherzyków synaptycznych i receptorów.

Złącze nerwowo – mięśniowe (neuromuscular junction)

Mięsień jest unerwiany przez motoneuron. Rozgałęzienia motoneuronu tworzą połączenia synaptyczne z pojedynczymi włóknami mięśniowymi. Każde złącze, tzw. płytka końcowa, składa się z: zakończenia włókna nerwowego skąd uwalniana jest acetylocholina (ACh), szczeliny synaptycznej, obszaru postsynaptycznego zawierającego receptory acetylocholiny, otoczki glejowej.

Znakowane włókna mięśniowe i rozgałęzienia aksonu motoneuronu dochodzące do płytek końcowych.

Zdjęcie z mikroskopu elektronowego ukazujące przekrój złącza nerwowo mięśniowego. T – zakończenie aksonu, M – włókno mięśniowe. Skala 0.3 m.

Złącze nerwowo – mięśniowe – potencjały w płytce końcowej

Własności synapsy na przykładzie złącza nerwowo – mięśniowego. A. Zapisy wewnątrzkomórkowe potencjałów w płytce końcowej prowadzące do potencjału czynnościowego w komórce mięśnia; z lewej - układ eksperymentalny. B. Sumowanie miniaturowych potencjałów w płytce końcowej (MEPP). Pojedynczy MEPP wywołane jest uwolnieniem porcji jednostkowej Ach (~10000 cząsteczek). Uwolnienie wielu porcji jednostkowych w tym samym czasie powoduje sumowanie się potencjałów MEPP. C. Szum wywołany jonoforezą (wprowadzaniem pod wpływem pola elektrycznego) pojedynczych cząsteczek ACh. D. Zapis patch – clamp pokazujący prądy płynące przez pojedynczy kanał AChR.

Hipoteza kwantowa (del Castillo, Katz, Martin)

m = np

m – zawartość kwantowa tj. ilość uwolnionych kwantów (porcji jednostkowych)

n – ilość dostępnych kwantów

p – prawdopodobieństwo uwolnienia

n ~ 1000 (ilość stref aktywnych)

m ~ 100-200p ~ 0.1 – 0.2

Uwalnianie neurotransmitera ma naturę probabilistyczną, a nie deterministyczną

Kwantowe uwalnianie neurotransmitera stosuje się do większości synaps chemicznych. Proces (prawdopodobieństwo) uwalniania jest kontrolowany depolaryzacją błony zakończenia synaptycznego.

Kanał jonowy w płytce końcowej jest przepuszczalny dla Na+ i K+

Prąd synaptyczny płytki końcowej: IEPSP =gEPSP(V – VEPSP)

Prądy jonowe tworzące potencjał płytki końcowej można badać mierząc potencjał równowagowy prądu płytki końcowej. Napięcie na błonie komórki mięśnia jest ustalane na różnych wartościach i mierzony jest prąd synaptyczny podczas stymulacji mięśnia. A.Gdyby jedynie wpływ Na+ powodował IEPSP, potencjał odwrócenia wystąpiłby przy potencjale równowagowym dla sodu +55mV. B. Prąd płytki końcowej odwraca się przy 0 mV gdyż kanał przewodzi jony Na+ i K+. Prąd wypadkowy jest sumą wpływów i wypływów Na+ i K+. Przy potencjale odwrócenia wypływ Na+ jest równoważony wypływem K+.

gEPSP – przewodnictwo kanału ACh, V – potencjał błonowy, VEPSP – potencjał równowagowy dla jonów płynących przez kanał ACh.

Badanie synaps

plaster hipokampa

komora in vitro

hodowane kultury bakterii mózg in toto

Hipokamp

Ewolucja hipokampa na przykładzie niższego kręgowca (rekin), ssaka (szczur) i człowieka.

Konik morski (Hippocampus)

Organizacja hipokampa. A Kora śródwęchowa (entorhinal cortex), B. podkładka (subiculum), C. Hipokamp, D. Zakręt zębaty (dentate gyrus), E. Sklepienie (fornix), F. Włókna do kory śródwęchowej, G. Koryto (alveus), H. Kora okołokomorowa (periventricular grey matter).

Synapsy pobudzające

Dwa rodzaje receptorów glutaminianowych:AMPA: α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acidNMDA: N-methyl-D-aspartate

Odpowiedzi receptora AMPA i NMDA przy różnych wartościach potencjału. Separacja aktywności dwóch rodzajów receptora jest uzyskana

selektywną blokadą receptora NMDA przez APV.

Własności receptora NMDA

bez Mg2+

z Mg2+

-

Kanał NMDA jest napięciowozależny ze względu na napięciowozależną blokadę Mg+

Salwy epileptyczne in vitro

RD Traub, JG Jefferys and MA Whittington. Enhanced NMDA conductance can account for epileptiform activity induced by low Mg2+ in the rat hippocampal slice, The Journal of Physiology, 1994, 478 (3) 379-393.

Synapsy hamujące

Odpowiedzi receptora AMPA, GABAA i GABAB. Potencjały odwrócenia –90 mV (GABAB) i – 70 mv (GABAA) wskazują udział jonów K+ i Cl-.

Dwa rodzaje receptorów GABA (γ-aminobutyric acid) GABAA

GABAB

GABAA: neuroprzekaźnik -> otwarcie kanału Cl-

GABAB : neuroprzekaźnik -> aktywacja białka G -> podwyższenie poziomu cAMP (cykliczny adenozynomonofosforan) ->otwarcie kanału K+

Receptory jonotropowe i metabotropowe

Neurotrasmitery mogą działać bezpośrednio i pośrednio na kanały jonowe regulujące przepływ jonów. Bezpośrednie bramkowanie odbywa się w receptorach jonotropowych. Bramkowanie pośrednie odbywa się poprzez aktywację receptorów metabotropowych. Receptory metabotropowe aktywują białko G, które aktywuje kaskadę procesów modulujących aktywność kanału jonowego.

Receptory jonotropowe i metabotropowe

A. W receptorach jonotropowych, przyłączenie neuroprzekaźnika powoduje szybkie otwarcie kanału. Receptory jonotropowe powodują szybką i krótkotrwałą odpowiedź synaptyczną. Występują w obwodach kontrolujących szybkie zachowania.

B. W receptorach metabotropowych przyłączenie neuroprzekaźnika powoduje aktywacje białka G, które następnie przyłącza się do receptora i powoduje otwarcie kanału. Receptory metabotropowe dają odpowiedź wolniejszą i dłuższą. Modulują zachowanie zmieniając pobudliwość neuronów i siłę połączenia synaptycznego.

Receptory jonotropowe i metabotropowe

Hamowanie bocznikujące (shunting inhibition)

Bocznice w Holandii

Efekt bocznikowania. Gdy komórka dostaje wejście pobudzające i hamujące, kanały otwarte przez hamowanie bocznikują (wypuszczają) prąd pobudzający zmniejszając pobudzający potencjał synaptyczny.

Drugs and neurotransmitters

Various medical (sleeping pils, antidepressants) and recreational drugs interact with neurotransmission. Many addictive drugs increase the level of dopamine released in the brain by blocking the dopamine transporter (cocaine, amphetamine), by enhancing dopamine release (nicotine) or by inhibition of GABA-ergic neurons that normally suppress dopaminergic neurons (opiates).

Brain-reward circuitry in the rat. Acc = nucleus accumbens; DA = dopaminergic fibers; Enk = enkephalin and other opioid- containing neurons; GABA = GABA-ergic inhibitory interneurons; NE = norepinephrine-containing fibers; THC = tetrahydrocannabinol; VTA = ventral tegmental area.