Program:

Biofizyka komórki – błona komórkowa, transport przez błony. Potencjał spoczynkowy i potencjał czynnościowy w komórce nerwowej. Przewodzenie impulsów nerwowych. Układ nerwowy – układ autonomiczny i somatyczny.

Biofizyka układu krążenia. Tętno, układ tętniczy i żylny. Elektryczna czynność serca, elektrokardiografia. Potencjały czynnościowe serca. Teoria elektrokardiografii i wektokardiografii.

Tkanka mięśniowa – budowa komórki mięśniowej. Mechanizm skurczu mięśnia. Potencjał czynnościowy komórek mięśniowych. Złącze nerwowo mięśniowe. Elektromiografia.

Biofizyczne podstawy generacji EEG I. Teoria Nuneza. Synchronizacja generatorów EEG. Analiza gęstości źródłowej prądu.

Biofizyczne podstawy generacji EEG II. Zasada kąta bryłowego. Warstwa dipolowa. Pomiar MEG. Lokalizacja czynności mózgu.

Rytmy EEG snu. Wrzeciona, kompleksy K, fale delta i wolna oscylacja. Struktura i funkcja snu. Wyładowania epileptyczne.

Rytmy EEG podczas pobudzenia i uwagi – rytmy beta/gamma, rola rytmu gamma w percepcji. Rytm theta, alfa, mu i tau.

Potencjały wywołane, synchronizacja wywołana zdarzeniem. Diagnostyka za pomocą EEG.

Sygnały bioelektryczne

Proponowane podręczniki:

G. Shepherd, Neurobiology

E. Kandel, Principles of Neural Science

D. Johnston i S. Wu, Foudations of Cellular Neurophysiology

P. Nunez, Electric fields of the brain

A. Longstaff, Neurobiologia. Krótkie wykłady, PWN

G.G. Matthews, Neurobiologia. Od cząsteczek i komórek do układów, PZWL

A. Pilawski, Podstawy Biofizyki, PZWL 1985

Sygnały bioelektryczne

Kryteria oceniania:

Egzamin pisemny i ustny (najlepiej po zakończeniu wykładu tj. przed sesją)

Sygnały bioelektryczne

Komórka nerwowa - neuron

Komórka nerwowa - neuronŚrednica aksonu

(0,004 mm) do 100 mikronów (.1 mm)

Średnica włosa0,02 mm do 0,08 mm.

U ludzi:

Ok. 1011 neuronów w mózgu

Średnia długość aksonu w korze ok. 0.02 m.

Całkowita długość aksonów A = 2*109m

Odległość Ziemia – Księżyc L = 4* 108m

A/L = 5

Długość aksonu (1 mm) do ponad 1m

Neurony jednobiegunowe

Neuron dwubiegunowy

Neurony wielobiegunowe

Komórki glejowe – Oligodendrocyty, Komórki Schwanna, Astrocyty

Astrocyty- podtrzymywanie fizyczne neuronów, buforowanie jonów potasu, regulacja neuroprzekaźnictwa (wchłanianie neuroprzekaźnika, otaczanie synaps), dostarczają składników odżywczych (glukoza) w stanie podwyższonej aktywności, usuwanie produktów przemiany wewnątrzkomórkowej.

Oligodendrocyty i komórki Schwanna – wytwarzają osłonkę mielinową (w chorobie zwanej stwardnieniem rozsianym dochodzi do uszkodzenia otoczki mielinowej w centralnym i obwodowym układzie nerwowym).

Mikroglej – składniki układu odpornościowego, aktywne podczas stanów zapalnych i w uszkodzeniach, pochłaniają produkty rozpadu neuronów.

Potencjał błonowy

Potencjał błonowy bierze się z rozdzielenia dodatnich i ujemnych ładunków przez błonę komórkową. Gdy neuron jest w spoczynku, na zewnątrz błony występuje przewaga ładunków dodatnich, a wewnątrz – ujemnych.

Potencjał błonowy – różnica potencjałów w poprzek błony komórkowej

Potencjał błonowy jest podstawową własnością wszystkich żywych komórek

Siły chemiczne i elektryczne

2

1log3.2C

CRTWC

zFVqVWE

R – stała gazowaT - temperatura

q – ładunekF – stała FaradayaV – różnica potencjałówz – elektrowartościowość

Potencjał Nernsta

2

1

2

1

log3.2

log3.2

C

C

F

RTV

C

CRTFV

WW CE

Równanie Nernsta

V - Potencjał Nernsta, potencjał równowagi, potencjał dyfuzji

Walter Hermann Nernst (ur. 25 czerwca 1864 w Wąbrzeźnie, zm. 18 listopada 1941w Zibelle), laureat Nagrody Nobla z chemii w 1920r.

Stan równowagi termodynamicznej:

Potencjał Nernsta dla jonów K, Na, Cl

mV81mV 125

5log58

mV ][

][log58

][

][log3.2

in

outK

in

outK

K

KV

K

K

F

RTV

mV58mV 12

120log58

mV ][

][log58

in

outNa Na

NaV

mV81mV 125

5log58

mV ][

][log58

out

inCl Cl

ClV

Potencjał błonowy - równanie Goldmana

mV][][][

][][][log58

outClinNainK

inCloutNaoutKm ClPNaPKP

ClPNaPKPV

Dla PNa = 0.04*PK, zaniedbując Cl-:

P – przepuszczalność (permeability)

Równanie Goldmana

Równanie Goldmana-Hodgkina-Katza (GHK)

Uwagi:

- Cl- ma ładunek ujemny i dlatego stosunek stężeń jest odwrócony.

- Ponieważ [K+]out = [Cl-]in oraz [K+]in = [Cl-]out i PCl << PK, to

pominięcie Cl- znacząco nie zmieni wyniku.

Vm = -60 mV

Obwód zastępczy

in

outKK K

KPG

][

][

przewodnictwo

Wygodną reprezentacją potencjału spoczynkowego jest obwód zastępczy. Dla każdego rodzaju jonów, potencjałowi równowagi odpowiada źródłowi napięcia. Jest ono połączone szeregowo z opornością, czyli odwrotnością przewodnictwa. ‘Kanały’ dla różnych jonów są oddzielne i niezależne. Dodatkowo, błona komórkowa może gromadzić ładunki po obu stronach i ma własności pojemnościowe.

Oprócz pasywnego procesu dyfuzji jonów zgodnie z gradientem stężeń, istnieje transport aktywny przywracający różnicę stężeń pomiędzy wnętrzem i zewnętrzem komórki. Mechanizm ten jest nazywany pompą sodowo-potasową i wymaga dostarczania energii.

Potencjał czynnościowy

Kalmar Atlantycki Loligo pealei

Potencjał czynnościowy polega na krótkotrwałej depolaryzacji błony komórkowej. Wczesne doświadczenia (K.C. Cole i H. J. Curtis, 1939) pokazały, że błona komórkowa staje się spolaryzowana dodatnio (ok. +50 mV) podczas maksimum potencjału czynnościowego.Gdyby powodował go jedynie chwilowy wzrost przepuszczalności dla wszystkich jonów, błona osiągnęła by 0 mV, lecz nie więcej. Obiektem do badań potencjału czynnościowego był akson Kalmara Atlantyckiego

Potencjał czynnościowy – impuls sodowy

Zależność potencjału czynnościowego od stężenia sodu. A i B: Maksimum potencjału czynnościowego maleje wraz maleniem stężenia Na w płynie zewnątrzkomórkowym. Silna zależność wartości maksimum od stężenia Na wskazuje na duża przepuszczalność błony dla tych jonów w trakcie impulsu.

Alan Hodgkin i Bernard Katz odkryli, że amplituda potencjału czynnościowego zależy od koncentracji Na+ na zewnątrz komórki. Postawili hipotezę, że chwilowa zmiana przepuszczalności i wpływ jonów Na+ do wnętrza komórki zgodnie z gradientem stężeń, powoduje potencjał czynnościowy. Potwierdzeniem tej hipotezy była obserwacja, że maksimum potencjału czynnościowego wynosi +55mV, co jest bliskie wartości potencjału równowagi dla sodu. Ich eksperymenty wskazały również, że zanik potencjału czynnościowego może być związany ze wzrostem przepuszczalności dla jonów K+ i ich wypływem z komórki.

Zaproponowano, że istnieja kanały zależne od napięcia. Np. kanał Na posiada bramkę aktywacyjną i bramkę inaktywacyjną. Obie muszą być otwarte by kanał mógł przewodzić jony. Bramka aktywacyjna jest zamknięta gdy błona znajduje się poniżej potencjału spoczynkowego i otwiera się szybko przy depolaryzacji. Bramka inaktywacyjna jest otwarta przy potencjale spoczynkowym i wolno zamyka się w wyniku depolaryzacji. Kanał K posiada tylko bramkę aktywacyjną otwierającą się wolno w wyniku depolaryzacji.

Model Hodgkina i Huxleya - bramki

Zachowanie pojedynczych kanałów może być rejestrowane za pomocą patch clamp. W zapisach widać szybkie otwieranie i zamykanie pojedynczych kanałów. Ich suma daje gładki przebieg wartości prądu

Eksperyment Hodgkina i Huxleya - video

wzrost gNa

Potencjał czynnościowy – wszystko albo nic!

depolaryza-cja błony

napływ Na+

‘Wybuchowa’ natura impulsu jest związana z kanałami sodowymi o przepuszczalności zależnej od napięcia i sprzężeniem zwrotnym dodatnim z depolaryzacją błony.

Okresy refrakcji

Po wystąpieniu potencjału czynnościowego występuje okres refrakcji. W fazie refrakcji absolutnej komórka nie może wygenerować kolejnego impulsu bez względu na pobudzenie. W fazie refrakcji względnej, komórka może wygenerować impuls ale wymaga to silniejszego pobudzenia niż w stanie spoczynku.

Generacja potencjału czynnościowego - podsumowanie

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.

Prądy w komórkach nerwowych

-Klasyczna teoria Hodgkina i Huxleya opisująca procesy w błonie komórkowej axonu związanych z kanałami Na+ i K+ jest użyteczna lecz nie w pełni adekwatna do opisu innych części komórki np. dendrytów, ciała komórki, zakończenia aksonu.

-W innych częściach komórek nerwowych istnieją cała gama kanałów jonowych dla różnego typu jonów.

-Ilościowy model HH można modyfikować i stosować do opisu wielu innych napięciowo-zależnych kanałów jonowych.

Sir Charles Sherrington, 1897, Podręcznik fizjologii

<gr. sýnapsis połączenie>

Synapsa

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

Dwa główne sposoby komunikacji w układzie nerwowym: synapsy elektryczne i synapsy chemiczne.

Synapsy chemiczne i elektryczne

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 20nm 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 Ca+ w komórce. Synapsy elektryczne mogą mieć również napięciowozależne bramki oraz reagować na różne neuroprzekaźniki.

Synapsa chemiczna

W skrócie:

• Potencjał czynnościowy dochodzi do zakończenia aksonu.

• Uwolnienie neuroprzekaźnika do szczeliny synaptycznej.

• Powstanie potencjału postsynaptycznego w neuronie postsynaptycznym.

Synapsy pobudzające i hamujące

W wyniku akcji synaptycznej powstaje potencjał postsynaptyczny (PSP) w neuronie postsynaptycznym. Potencjał ten jest pobudzający (excitatory or EPSP) jeśli zwiększa prawdopodobieństwo generacji potencjału czynnościowego oraz jest hamujący inhibitory or IPSPs) jeśli zmniejsza prawdopodobieństwo generacji potencjału czynnościowego. Większość neuronów dostaje wejścia zarówno pobudzające, jak i hamujące.

Prąd synaptyczny jest postaci: Isyn = gsyn(t)(V - Vsyn)

(A) Pobudzający potencjał postsynaptyczny EPSP. (B) Hamujący potencjał postsynaptyczny IPSP. (C) IPSP może jednak depolaryzować komórkę jeżeli potencjał równowagowy dla danej synapsy jest pomiędzy potencjałem spoczynkowym i progiem potencjału czynnościowego.