1

Nervous system (1/ 3)

Petr Maršálek

lecture, v. EN

MF1 CUNI Prague, Department of pathological physiology

Human Physiology

2

Osnova/ klíčové pojmy (1)1.Excitabilita, klidový potenciál a práh2.Neuron je funkční jednotka3.(Omezená) regenerace: centrální vs. vegetativní4.Nernstův potenciál, AP, EPSP, IPSP, neuro-modulace5.Průměr vlákna, myelinizace6.Molekulární popis excitace, Hodgkin-Huxley7.Práh, rheobáze, chronaxie8.Reflex, monosynaptický, polysynaptický9.Tzv. signální soustava, I.P.Pavlov10.Mediátory excitační a inhibiční:glu,GABA,Ach, DOPA,

peptidové mediátory11.Dualita elektrického a chemického přenosu12.Recruitment, integrace a funkce dendritů13.Multiplexing, experimenty, příklad:tonotopie14.Rate-level function, pozitivní stupnice

Osnova/ klíčové pojmy (2)

15.Psychofyzika, úvod, definice16.Příklady psychofyzikálních experimentů17.Otevřené/ těžké otázky: subjektivita, vyšší nervová

činnost18.likvor19.Glie20.Další/ různé, zjednodušený popis motoriky

Neuron jako stavební a funkční jednotka

Nejjednodušší modelový organizmus: nezmar zelený (hydra)

Nernstův rovnovážný potenciál

7

Akční potenciál(je jednotkový impuls)

8

Vedení AP po nervovém vlákně

9

10

Šíření akčního potenciálu (AP)The use of action potential

Origin:

Propagation:

Axon departure from the neuronal body.

By local circuits or, in myelinated axons, by saltatory conduction from one Ranvier node (b) to another.

In axon terminals: presynaptic buttons (c).Termination:

Transmission: To postsynaptic membranes of another neurons (d), or to muscle cells (e), or to epithelial cells (f).

At the synapse, AP leads to secretion of neurotransmitters that bind to and modify the conductance of postsynaptic membrane channels.

Effect: Excitation or inhibition of postsynaptic neuron (d), initiation of muscle contraction (g), modulation of secretion/absorption (h)...

b neuronal activity:e.g. perception

cd

ba mechanical activity:posture & movement

ecAP

h g

chemical activity:e.g., secretionfc! Such a neuron does not exist!

In reality, every post-synaptic activity (on the right)

depends on its own specific pre-synaptic neuron !

Excitační a inhibiční post-synaptické potenciály, EPSP, IPSP, (+ potenciál na nervosvalové ploténce)

Synapse anervosvalová ploténka

12

Postsynaptický potenciál na nervosvalové ploténce

13

Metodika: patch clamp

Myelinizované vs.nemyelinizované vlákno: (myelinizované vede rychleji). Tloušťka vlákna a synapse:(s větším průměrem vede rychleji).

Příklady: „obrovské“ synapse ribbon (stužkové), Heldovy, apod

Vlákna periferního nervu

15

Akční potenciál, popis Hodgkina a Huxleyho, v roce 1950 fenomenologický, nyní molekulární výklad elektrofyziologických jevů.

Experimenty na obřím axonu sépie.

17

Mechanoreceptor current in response to mechanical

stimulationBA

[Walker et al, 2000]

18

Molecular DevicesIn year 2010:

Most of the

molecular

structure of

mechanically

gated ion

channels

is unknown

[Gillespie and Walker, 2001]

[Howard and Bechstedt, 2004]

19

Model: Introduction of Leaky Integrator (= RC circuit with threshold)

THfor 0)( VVdttV

L VVdt

dV

RC

IVVgdt

dVg )( LLL

1

L

Rg

20

Model: Reordered Equations

THfor 0)( VVdttV

IVVxNpVVhgVVgdt

dVg ))(()()( Na0KALLL

)(SS Vhhdt

dhh

Fxkydt

dym MRC

ydt

dx

1. Although leaky integrator and spring equations are linear, threshold, adaptation and mechanoreceptor currents are nonlinear, making the whole DE set nonlinear.2. Spring equation is rewritten to its normal form to be fed into a custom written fixed step Runge-Kutta numerical DE solver (in Matlab).

Pojmy: práh, rheobáze, chronaxie

Ivan Petrovich Pavlov (1849-1936),Nobel prize in 1904, fourth year,…

Classic of physiology,Concept of 1st and 2nd signalsystem

…I.P.Pavlov marketed by soviettotalitarian regime infamous by

persecutions and famine

Mediátory excitační a inhibiční: glu, GABA, ACh, dopamin,peptidy

Neurotransmitter examples

24

Vegetative nervous system - sympatikus a parasympatikus,

-receptory (alfa- a beta-adrenergní, nikotinové a

muskarinové cholinergní)

-mediátory (adrenalin, noradrenalin, acetylcholin)

-produkce (= biogenní aminy)

-rozklad (acetylcholin esteráza, mono-amino-oxidáza a

re-uptake)

-anatomické uspořádaní (hlava a trup, pregangliová a

postgangliová vlákna), močení, defekace, erekce, ejakulace,

-ostření oka = akomodace, clonění = adaptace,

-rovnováha mezi sympatikem a parasympatikem, atd.

25

Clitocybe dealbata,Deadly poisonous mushroom,poison: muscarine,antidotum: atropineClitocybe odora,Edible mushroom

Nicotiana tabacum,Tobacco plant,Deadly poisonous plant

Amanita muscaria,Mildly poisonousmushroom, poison:muscimol

nicotinic and muscarinic cholinergic receptors

Plants and mushrooms with effect on the cholinergic synapse

Dualita elektro-chemické signalizace.

(Ale v určitých neuronových okruzích jsou elektrické synapse.)

Různé mechanismy iniciacestahu hladkého svalu

27

Reflexní oblouk

Příklady monosynaptických reflexů (patelární) a polysynaptických

Je možné vyšetřit objektivně, zda funguje smyslová dráha a jí zprostředkované smyslové vnímání?

Pojem recruitmentu, otázka kódování

Multiplexing kódování modalit,příklad: nízké a vysoké frekvence zvuku, tonotopie.

32

Jemný úvod do problémů

psychofyziky

Psychofyzika aplikovaná v praxi,

aneb

o Scovillově

stupnici pálivosti papriček

33

Golden age of psychophysics

Gustav Theodor Fechner,(see: Weber-Fechner law, Ernst Heinrich Weber, 1795–1878)*1801, Poland,+1887, Leipzig, Germany,1850 – one day G.T.F. arrived to an “instant enlightenment”

and knew, how to describe sensory perception in general. It took him another 10 year to formulate everything in a definitive book:

Elemente der Psychophysik (1860),1878 – definition of median (= this is the value, dividing the

cumulative distribution function in two halves)

34

Response (R) is function of stimulus intensity (S), R=f(S),sense of touch as an example

35

Design of Experiments to Measure

Hotness, Construction of the

Scoville Scale of Hot Chili

Peppers…

Wilbur Lincoln Scoville, american pharmacist, (1865 – 1942)

36

Scoville ratings of chemicals substance examples(Scoville heat units)16,000,000,000 Resiniferatoxin5,300,000,000 Tinyatoxin 16,000,000 Capsaicin 15,000,000 Dihydrocapsaicin 9,200,000 Nonivamide9,100,000 Nordihydrocapsaicin8,600,000 Homocapsaicin160,000 Shogaol (dehydr. ginger oil)100,000 Piperine (black pepper alkaloid)60,000 Gingerol (ginger oil)16,000 Capsiate

37

Scoville ratings of hot peppers examples3 000 000-6 000 000 Pepper spray2 000 000 Trinidad Moruga Scorpion1 850 000 Chocolate 7-Pot1 600 000 Dorset Naga1 450 000 Trinidad Scorpion Butch Taylor1 200 000 Naga Viper, Trinidad 7 Pot Jonah1 200 000 Satan's Strain Trinidad Scorpion Moruga1 100 000 Naga Morich, Infinity Chili1 050 000 Bhut Jolokia850 000 Trinidad 7 Pot CARDI Strain350 000 – 580 000 Red Savina Habanero100 000 – 350 000 Habanero50 000 – 100 000 Pepper Birds Eye, Piri Piri30 000 – 50 000 Tabasco pepper5 000 – 23 000 Serrano5 000 – 10 000 Chipotle2 500 – 8 000 Jalapeño, Tabasco sauce1 000 – 2 000 Poblano100 – 500 Pimento

38

Psychophysics = describes, how subjectiveresponse depends on magnitude of physical,or chemical stimulation

R - (response) subjective intensityS - (stimulus) physical intensity

Examples:Chili pepper hotness: S... active or dry substance concentration,R... hotness

Pain: S… damage intensity (pain modality typology isbetter corresponding to R),R... pain

Various curves can be fitted to given datapoints(linear dependence, logarithm, power function, etc.)

39

/~45 40

Exponents in the Stevens (power) law

R - (response) subjective intensityS - (stimulus) physical intensityS0 - threshold stimulus intensityA - constant of proportion N - exponent

NR 0S-SA

0/log SSAR

Weber – Fechner(logarithmic) law

Stevens(power) law

Psychophysical laws

41

P = proporcionální sensorD = derivační (diferenční sensor)[D2 = akcelerační (sensor druhé diference)]I = integrační sensorPD , PDI, atd = smíšený sensor

Otevřené/ těžké problémy: problém subjektivity, existence beriéry mezi subjektivním a objektivním popisem smyslového vnímání.Obecně: neuronový korelát procesů vyšší nervové činnosti

Mozkomíšní mok (likvor) funkce.

Neuroglie, funkce…

Metafora pro popis funkce glie: nezmar zelený (hydra)

/ 65 45

END

OF THE LECTURE

Thanks for your attention

First Medical Faculty, Institute of Pathological Physiology

Warning: neither the PDF, nor the PPT, PPTX, etc.versions of this presentation are official study materials.For internal use only. Do not distribute.

Contact: Petr.Marsalek@LF1.CUNI.CZ

Část 2: Lokomoce pomocí svalů

• Motors - hybné prvky

- Flexory a - Extensory

• Brakes - brzdy

• Springs - pružiny

• Struts - výztuže, péra

46

Lokomoce, svaly člověka

Příklady

• Hybné prvky, motory - Flexory biceps fem. a – Extensory: quadriceps fem.

• Brakes – brzdy: biceps surae

• Springs – pružiny: ditto, Achillova šlacha

• Struts - výztuže, péra: posturální svalstvo

47

Další obrázek

Další obrázek