Základy excitability NS

Klidový membránový potenciál

• Přítomen u všech buněk• Změny elektrického potenciálu podstatou přenosu

a zpracování informací neuronů– Nerovnoměrné rozložení iontů na membráně– Semipermeabilita membrány

• Pohyb iontů přes membránu ovlivňován– Pasivně

» Koncentračním gradientem» Elektrickým gradientem

– Aktivně» Elektrogenní Na+ /K + pumpou

Rovnovážné potenciály

• Potenciální rozdíl, který brání difuzi iontů podél koncentračního gradientu

• Kalkulace podle – Nernstovy rovnice

– E = RT

FZ ln

(iont) ECT

(iont) ICT

Konstanty Nernstovy rovnice

• R – universální plynová konstanta (8,31 joulů/mol/oK

• T – teplota ve oK (273 + oC)• F – Farradayova konstanta (náboj/mol:

96,500 coulombů/mol)• Z – valence iontu• ICT – intracelulárně• ECT - extracelulárně

Výpočet klidových membránových potenciálů

• EK+

• ENA+

• ECl-

• ECa++

Ln . 2,3 = log10

Výpočet membránového potenciálu• Neuronální membrána je různě propustná

pro různé ionty

• Tyto ionty přispívají ke vzniku klidového membránového potenciálu podle svých propustností

• Goldmanova rovnice

Goldmanova rovnice

PK(K+)o + PNa (Na+)o + PCl(Cl)o

PK(K+)i + PNa (Na+)i + PCl(Cl)i

Em =RT

F

ln

P – propustnost, permeabilita, dána vlastnostmi iontových kanálů

PK : PNa : PCl = 1 : 0,04 : 0,45

Snímací elektroda v ICT

Membrána

Axon

Snímací elektroda

První intracelulární měření – obří axon sepie - 0,5 mm

Experimentální verifikace

Snímací el.

Průnik membránou

Intracelulární snímání skleněnou elektrodou

Nervový vzruch

• Podmíněn přítomností napěťově řízených iontových kanálů pro Na

• ms depolarizace membránového poteniálu s následnou repolarizací - odpověď vše nebo nic

• Depolarizace nesena Na, repolarizace K

Hrot AP

Afterpotential

Depolarizace

Repolarizace

Nap

ětí (

mV

)

Čas (msec)

A

B

CPráh

Práh

Práh

Stimulus

Stimulus

Stimulus

-60 mV

0 mV

+5 mV

-70 mV

-60 mV

Napěťový zámekPrůtok iontů přes membránu

Iontový proud

Axon Napěťový zámek

Referenční elektroda

Snímací elektroda

Elektroda regulující napětí

0 2 4

Akční potenciál - spike

Iontový kanál ICT

Zámková elektroda

Měření proudu

Referenční elektroda

Skleněná mikroelektroda

Terčíkový zámek

Terčíkový zámek

• Umožňuje studovat vlastnosti jednotlivých iontových kanálů

• Iontové kanály se zavírají a otevírají rychle a v různý čas

• Otevírání a zavírání kanálů je řízeno pohybem jednoho transmembránového segmentu (S4) v závislosti na změnách membránového potenciálu

Změny proudu během otevření kanálu

stimulus

Souhrnný potenciál

Tok proudu Na kanály po depolarizaci

Terčíkový zámek

Registrace napětí Na kanálm

S4 doména Podjednotka

Centrální pór

Klidová membrána

Depolarizovaná membrána

Registrace napětí napěťově řízenými Na kanály• Na kanál má dvě brány, které spolu interagují

– Aktivační a inaktivační• Na kanál – 4 podjednotky s centrálně umístěnou S4 jednotkou

v centru každé podjednotky• při depolarizaci membrány se S4 jednotky vysunou a otevřou

pór (aktivace)• inaktivace nastupuje po krátké době aktivace a uzavírá kanál

– aminokyselinová smyčka, která překáží v dutině kanálu

– v klidu je • inaktivační brána otevřená• pór je uzavřen

Refrakterní perioda

• Období, kdy nelze vyvolat AP• Absolutní – během repolarizace membrány• Relativní – během přestřelení – stimulus musí být silnější, práh

dráždivosti je vyšší

• Období, kdy je aktivována inaktivační brána a S4 domény vysunuty

• Po odeznění depolarizace dochází ke konformačním změnám, které – Otevírají inaktivační bránu a – Zasouvají S4 domény

Práh dráždivosti

Intenzita stimulu potřebná k vyvolání AP

Vliv refrakterní periody na intenzitu stimulu

K kanály

• Napěťově řízené

• Odlišné vlastnosti– Jednu bránu

• Otevírá se při depolarizaci a uzavírá se při repolarizaci

• Pomalu se otvírají, ale dlouho otevřené

• Pomalu se inaktivují

Rozmanitost iontových kanálů• Liší se

– Fyziologicky (kinetika otvírání a zavírání)– Strukturálně

• Na napěťově řízené kanály relativně velmi podobné

• K napěťově řízené kanály extrémní variabilita• Typy kanálů podmiňují mnoho neuronálních

vlastností– Práh dráždivosti– Refrakterní perioda– Pacemakerová aktivita

Typy K kanálů

K kanály

KA kanály

KCa kanály

KIr kanály

KM kanály

KS kanály

KAch kanály

Vedení nervového vzruchunemyelinizované vlákno

Depolarizace se šíří podél vláknaI směrem, odkud AP přišelNa kanály jsou tu inaktivované aProto se AP zpět nešíří

Rychlost vedení je závislá navelikosti vlákna – větší vláknamají nižší odpor

Šíření akčního potenciálu

Efekt myelinizace

• Myelin ovlivňuje rychlost vedení– snižuje kapacitu membrány = schopnost uchovávat

elektrický náboj• kapacita snižuje napětí, které se může šířit a depolarizovat

sousední úseky membrány• Nižší kapacita – vyšší rychlost vedení

• Saltatorní vedení AP – depolarizace se šíří ve skocích mezi Ranwierovými

zářezy– vysoká hustota napěťově řízených Na kanálů– absence jiných kanálů

Axon

Myelin

Ranwierův zářez

Tok proudu na myelinizovaném axonu během AP

Energetické nároky na vedení nervového vzruchu

• Vedení AP není přímo závislé na energii

• Využívá se energie membránového potenciálu– Energie je potřebná pro jeho udržování

Synaptický přenos

• Proces přenosu informace z jednoho neuronu na druhý

• Elektricky • přímý přenos polarizace na postsynaptický neuron,

rychlé, bez mediátoru, nepotřebuje receptory

• Chemicky • Klasický synaptický přenos

– mediován ionotropními receptory, 0,5-1,0 ms synaptické zdržení

» Excitační – depolarizace postsynaptického neuronu» Inhibiční – hyporpolarizace postsynaptického

neuronu

• Nuromodulační – mediován metabotropními receptory, mění odpověď

postsynaptického neuronu k jiným signálům

SEM axonů se synapsemi na postsynaptickém neuronu

Elektrický synaptický přenos

• Umožňuje přímý tok proudu (iontů) z jednoho neuronu na druhý

• Vyžaduje přítomnost nízkoodporových iontových kanálů (gap junctions) mezi presynaptickým a postsynaptickým neuronem

• Nejrychlejší přenos informace – nejrychlejší odpověď postsynaptického neuronu

• Umožňuje synchronní odpověď více postsynaptických neuronů

Iontový proud

Iontový proud

A

B

EM elektrické synapse

Příčný řez

Podélný řez

Chemický přenos

• Zahrnuje uvolnění mediátoru presynaptickým neuronem, difusi synaptickou štěrbinou a působení na postsynaptický neuron

• Pomalejší, ale umožňuje modifikaci či modulaci odpovědi

• Odpověd postsynaptického neuronu na přenašeč závisí na povaze a vlastnostech receptorových proteinů

• Variabilita receptorů umožňuje variabilitu odpovědi• Odpověď receptorů může být modulována v závislosti na

zkušenosti

1 Syntéza mediátoru

2 Skladování

3 Uvolňování

4 Postsynaptické působení

5 Inaktivace

5 fází chemického synaptického přenosu

Ligand sensitive receptors

• Odpověď postsynaptického neuronu je zahájena navázáním mediátoru (ligandu) na receptory– závisí na typu aktivovaných iontových kanálů

• tj. na typu iontů, které aktivovanými kanály protékají

– nezávisí na typu mediátoru• Některé mediátory excitační i inhibiční

• Hustota ligand sensitivních kanálů je vysoká na postsynaptické membráně

nAch receptor

• Nejprobádanější ligand sensitivní receptor– nervosvalové spojení, periferní NS obratlovců, – CNS obratlovců i bezobratlých

• nAch receptor je kanálem– 5 podjednotek: 2 alfa, 1 beta, gama, delta– Váže 2 Ach (alfa a beta, alfa a gama)– Zvýšení propustnosti pro Na a K a trochu Ca

• Desensitizace - pomalá strukturální změna receptoru – snížení citlivosti na ligand

• Recovery vyžaduje periodu bez přítomnosti ligandu

Nikotinový acetylcholinový receptor

A

B

Vazebná místa receptoru

8 nm

6 nm

4 nm

14 nmMembrána

Excitační synaptický přenos• Depolarizace postsynaptického neuronu –

excitační postsynaptický potenciál, EPSP (nervosvalové spojení = ploténkový

potenciál, EPP)• Reversal potential = membránový potenciál,

kdy je EPSP (příp. i IPSP) roven nule • Potenciál, kdy jsou v rovnováze síly působící na

pohyb iontů přes iontové kanály a těmi neprotéká žádný proud

• Používán k analýze iontového základu EPSP

Reversal potenciál

Mem

brán

ový

pote

nciá

l (m

V) 62

31

16

-4

-10

-18

-22

EPSPObratlovčí neuron, AP potlačeny TTX

Time (msec)10 200

Mem

brán

ový

pote

nciá

l (m

V)

Náboj

Na+

K+

Vznik AP na postsynaptickém neuronu• Excitační synapse obvykle na dendritech -

nemají napěťově řízené Na+kanály – EPSP nemůže vyvolat AP

• EPSP se šíří elektrotonicky (s úbytkem) podél těla neuronu

• AP vzniká v tzv. iniciační zóně, úpatí axonu, je-li depolarizace dostatečně veliká.

Excitační synapse

Tělo neuronu

Axonový hrbolek

Iniciační zóna

Axon

Šíření depolarizace

Inhibiční synaptický přenos

• Hyperpolarizace postsynaptického neuronu – IPSP - snižuje pravděpodobnost vzniku AP

• Výtok K+ nebo vtok Cl- podle typu aktivovaných kanálů - přechodné zvýšení záporného náboje v buňce

• V některých případech může být IPSP depolarizační, ale přesto brání vzniku AP

Mem

brán

ový

pote

nciá

l (m

V)

Čas (msec)

Náboj Náboj

IPSP

Tělo neuronu

Axonový hrbolek

Axon

Iniciační zóna

Excitační neuron

Inhibiční neuron

Pohyb kladných iontů

Pohyb záporných iontů

Presynaptická inhibice

• Postsynaptická inhibice - snižuje schopnost neuronu odpovídat na všechny podněty

• Presynaptická inhibice = selektivní snížení citlivosti k určitého podnětu

• Snižuje množství uvolňovaného mediátoru – snížení citlivosti napěťově řízených Ca++ kanálů k depolarizaci– Zvýšení vodivosti presynaptické membrány k Cl- iontům – snížení

velikosti AP a tím snížení množství uvolňovaného mediátoru

• Pre i post-synaptická inhibice mohou být mediovány stejným mediátorem - GABA – Vlastnosti iontových kanálů jsou však rozdílné

Presynaptická inhibice

Excitační neuronInhibiční neuron

Excitační neuron je presynaptický i postsynaptický

Neuromodulační synaptický přenos• Mnohé synapse „jenom“ přenáší informaci• Většina však ovlivňuje metabolismus nebo

způsob odpovědi neuronu na jiné vstupy - prostřednictvím metabotropních receptorů

• Méně výrazné EPSP nebo IPSP• Aktivace vnitrobuněčných sekundárních mediátorů

- ty aktivují biochemické pochody v postsynaptickém neuronu - déletrvající pochod

Srovnání neuromodulačního a klasického synaptického přenosu

• Neuromodulace– Second messenger

– Přímý postsynaptický efekt trvá stovky ms až dny

– Sekundární efekt trvá dny

– Postsynaptické jevy jsou pomalé a slabé

• Klasika– Efekt zprostředkován

přes přímo kontrolované kanály

– Postsynaptické jevy trvají desítky ms

– Žádný sekundární efekt

– Postsynaptické jevy jsou rychlé a silné

Mechanismus neuromodulace

• Detaily rozmanité, společné vlastnosti: – Aktivace G proteinu – zahrnuje cyklus disociace molekuly a

následného opětovného sjednocení– výsledkem cyklu je produkce sekundárního

mediátoru• kontrola biochemických reakcí neuronu• následná kontrola iontových kanálů• zesílení reakce

ReceptorA - inaktivovaný G protein - afinita k GDP

GDP

GTP

GDP

GTP

GTP

PO4

B Navázání ligandu vede k záměně

GDP za GTP

C Disociace podjednotek

Působení na kanály nebo aktivace sekundárních mediátorů

D Defosforylace

Sekundární mediátory• Výsledkem aktivace sekundárních

mediátorů je fosforylace membránového kanálu a změna jeho propustnosti (proteinkináza)

• Mediátory a proteinkinázy:– cAMP – cAMP dependentní proteinkináza

(proteinkináza A = PAK)– cGMP – cGMP dependentní proteinkináza– Diacylglycerol – fosfolipid-dependentní

protein kináza (proteinkináza C), – IP3 - calcium dependentní proteinkináza

GDP

GTP

GTPATP cAmp

cAmp P

PBiochemické reakce vedoucí k fosforylaci iontových kanálů

Fosforylace kanálu

Adenylátcykláza

cAMP

Aktivace receptoru

Aktivace G proteinu

Produkce cAMP

Aktivace proteinkinázy

Proteinkináza

Funkční význam neuromodulace

• Déletrvající efekt na postsynaptický neuron

• Mění způsob jak neuron odpovídá

• Adaptace na změněné podmínky

• Významné pro učení a paměť

• Trvá hodiny až týdny

Difuze

Enzymatická degradace

Zpětné vychytávání

Inaktivace mediátoru v synaptické štěrbině

Inaktivace mediátorů - enzymatická degradace

• Ach – acetylcholinesteráza - cholin– v extracelulární matrix svalové pochvy kolem

synaptické štěrbiny– Součást pre- i postsynaptické membrány v CNS

• Organofosfátové nervové plyny – blokují Ach-esterázu – respirační selhání– bronchiální konstrikce

» Ach mediátor respiračního centra mozkového kmene, » Ach mediátor vegetativního NS» desensitizace Ach receptorů na nervosvalovém spojení

• Monoaminy • Catechol-O-methyltransferáza (COMT) • monoamine oxidáza (MAO)

Inaktivace mediátorů – zpětné vychytávání

• Speciální transportní mechanismy v membráně– Většinou pre-, ale často i postsynaptického neuronu

• Fungují jako sací pumpa• Až 50 % uvolěného mediátoru - v sec• Recyklace mediátoru• Mechanismy inaktivace mediátoru často spřažené

– Cholin na nervosvalovém spojení - zpětně vychytáván

Mediátory a jejich uvolňování

• Chemická komunikace mezi neurony závisí nejen na odpovědi postsynaptického neuronu, ale také na– Syntéze mediátoru– Způsobu skladování– Způsobu uvolňování

Synaptické měchýřky a úloha Ca++

• Katz a Miledi 1960s – sépie– synaptický přenos lze potlačit

• Blokádou vedení AP v presynaptickém neuronu TTX • Snížením koncentrace extracelulárního Ca++

• Klíčové faktory pro synaptický přenos– Míra depolarizace presynaptického neuronu– Dostupnost volných Ca++ iontů v extracelulárním

prostoru • tekou napěťově řízenými kanály dovnitř presynaptického

zakončení a umožňují uvolňování synaptických měchýřků do extracelulárního prostoru

A B

Presynaptický neuron

Postsynaptický neuron

AP

pr e

s yn

apt i

c ký

(mV

)

EPSP postsynaptický (mV)TTX v různých dávkách

Čas (sec)

2 mV

Miniaturní ploténkové potenciály

• Mediátor - uvolňován v kvantech = objem synaptického měchýřku

• Množství kvant se liší– Nervosvalové spojení - cca 200

kvant Ach• měchýřek - cca 10 000 molekul

– autonomní nervy 10-20 kvant

• Prokázáno spontánní uvolňování mediátoru i v nepřítomnosti presynaptické depolarizace

Ploténkový potenciál (mV)

Poč

et E

PS

P d

ané

amp

. Distribuce EPSP pod Mg

Mg

Synaptické váčky

Synaptická štěrbina

Molekulární základ uvolňování

• Měchýřky jsou v presynaptickém zakončení vázány na aktinová vlákna cytoskeletu

• (storage pool) a musí být převedeny do formy vhodné k uvolnění

• (release pool)• Mobilizované měchýřky řazeny poblíž

presynaptické membrány – docking • Depolarizace měchýřky uvolní• Měchýřky splývají s presynaptickou membránou a • Mediátor je uvolněn do extracelulárního prostoru

Úloha Ca++ při mobilizaci

• Depolarizace presynaptického zakončení otevírá napěťově řízené Ca++ kanály, – Extracelulární Ca++ teče do nitra buňky– Ca++ dependentní proteinkináza fosforyluje

protein synapsin I – uvolnění měchýřků z cytoskeletu

• Mechanismy transportu a uskladňování neznámé

Fura-2

Ca++ Imaging

Neuron hippokampuDendrit a tělo

Iontoforetická elektroda -aplikace GLU

EM

• Interakce proteinů účastnících se fůze měchýřku s presynaptickou membránou vede ke vzniku kanálů – – v EM zobrazované jako oválné elementy

(particles)– Měchýřky skladovány ve 2 řadách poblíž

těchto kanálů

Měchýřky

Oválné partikuleCa kanály

A - EM vnitřní části membrány presynaptického neuronu

B - EM vnější části membrány presynaptického neuronu

A

B

Synaptický váček

Membrána presynaptického neuronu

Membrána synaptického váčku

Intracelulární prostor presynaptického neuronu

Synaptotagmin SNAP

SNAP – soluble attachement protein

Syntaxin

SNAP-25

NSFSNAPVAMP

Proteiny docking a release

• Cytoplasma – NSF – N-ethylmaleimide sensitive factor– SNAP – soluble NSF attachement protein

• Vesikulární membrána– V-SNARE – vesicular SNAP V-SNARE – vesicular

SNAP - synaptotagmin– VAMP – vedicle-assciated membrane protein =

synaptobrevin

• Presynaptická membrána– T-SNARE – target membrane SNAP receptor– SNAP-25 – 25 kdalton synaptosomal-associated protein

Schema fuze

Vnitřek synaptického měchýřku

Membrána měchýřkuPresynaptická membránaSynaptotagmin

Synaptobrevin

SNAP

SNAP NSF

SNAP-25

Syntaxin

Synaptická štěrbina

Mechanismus fúze Ca++dependentní

Fůze vede k tvorbě póru

• Pór existuje přechodně - několik msec

• Tetanus a botulotoxin – neurotoxiny působí na tvorbu póru – – Tetanus brání uvolnění inhibičních mediátorů z

inhibičních neuronů v míše, nekontrolované svalové kontrakce

– Botulinum brání uvolnění mediátoru z motorických neuronů - paralýza

Osud synaptických měchýřků

• Membrána měchýřků se stává součástí membrány presynaptického neuronu

• Povrch membrány presynaptického neuronu se po uvolnění mediátoru zvětší– Zvětšený povrch synapsí by mohl být základem pro

učení a paměť– Zvětšení povrchu ale neodpovídá počtu uvolněných

měchýřků– Existuje mechanismus, který část presynaptické

membrány odstraňuje a transportuje zpět do nitra neuronu

– Recyklace zpět do synaptických měchýřků

Synaptická štěrbina

Měchýřky

Presynaptický neuron

Postsynaptický neuron

Uvolňování mediátoru „nonspiking“ neuronů

• Neurony, které nemají napěťově řízené Na+ kanály • Retina obratlovců: čípky, tyčinky, horizontální a bipolární bb.• Vnitřní ucho• Postranní čára ryb• Čichový lalok• Interneurony obvodů motorických programů bezobratlých• Smyslové neurony

• Uvolnění mediátoru řízeno depolarizací presynaptického zakončení – odstupňované uvolňování

• Některé neurony uvolňují mediátor oběma způsoby – AP i odstupňovaně

Plnění měchýřků• Těla neuronů nebo synaptická zakončení • Mediátor je syntetizován a plněn do měchýřků

synaptickém zakončení– PLNĚNÍ - clear vesicles (40-50 nm, na EM průhledné,

oválné nebo sférické)– nejprve transport H+ do nitra měchýřku (potřebuje

ATP) – vzniká protonový gradient– transportní proteinen v membráně měchýřku pak

vymění molekulu mediátoru za H+

– PLNĚNÍ dense core vesicles 70-200 nm, EM – vzhled pevné částice, sférické

– plněny peptidickým mediátorem – syntéza v Golgiho systém buněčného těla, plnění a syntéza současně

Mitochondrie

Postsynaptická buňka Synapse

Dense core měchýřky

Clear vesicles

Presynaptickábuňka

Chemie neuromediátorů

• Mediátorem je látka splňující následující kriteria– Syntéza, uchovávání a uvolňování z presynaptického

neuronu– Iontoforetická aplikace mimikuje efekt přirozeného

mediátoru

• Neurony mohou obsahovat syntetické dráhy pro více než jeden typ mediátoru

• Několik mediátorů může být zabaleno do jednoho měchýřku

• Aminokyselinové mediátory z diety

Hlavní neuromediátory• Aminokyseliny - kyselá a NH2 (amino) skupina

• Glutamát – excitační• Aspartát – excitační • GABA - inhibiční

• Aminy – aminoskupina – biogenní aminy• Histamin, Octopamin, Serotonin

– Katecholaminy - amino- plus katecholová skupina (6C kruh s OH skupinou)

• Dopamin, Adrenalin (epinephrine), Noradrenalin (norepinephrine)

• Peptidy• Proktolin (bolest), endorphiny,

• Jiné• Ach, ATP, NO, CO

Terminologie• Adrenergní • Katecholaminergní• Cholinergní• Muskarinové – Ach v CNS, AUNS, hladká a

srdeční svalovina, inhibiční nebo excitační, blokáda atropinem

• Nikotinové – Ach perif. NS, excitační, blokovány kurare

• Noradrenergní• Serotonergní

Tyrosine Tyrosine hydroxyláza

DOPA

Dopamine

Norepinephrine

Epinephrine

Aromatic L-amino acid decarboxyláza

Dopamin -hydroxyláza

Phenylethanolamine N-methultransferáza

Biosyntéza katecholaminů

Biosyntéza serotoninu

Tryptofan

5-hydroxytryptofan

5-hydroxytryptamine - serotonin

Tryptofan hydroxyláza

Amino acid decarboxyláza

Syntéza acetylcholinu

Acetyl CoA Choline

Choline acetyltransferáza

CoA Acetylcholin

Integrace synaptické aktivity

• Komunikace mezi neurony není závislá jenom na excitačních a inhibičních mechanismech

• Důležité jsou modulační mechanismy, které aktivitu neuronů ovlivňují velmi variabilním způsobem

• Jeden neuron může odpovídat na dva stejné podněty rozdílně v závislosti na kontextu

Pasivní elektrické vlastnosti neuronů• EPSP je dán vtokem kationtů do neuronu

otevřenými iontovými kanály• Rozdíl potenciálu mezi aktivovanými a

neaktivními místy membrány působí na pohyb iontů – vzniká iontový proud– Se zvyšující se vzdáleností od místa vzniku se jeho

velikost snižuje– Faktory, které toto snižování ovlivňují jsou

• Odpor membrány a intracelulárního prostoru• Membránová kapacita

Odpor membrány neuronu

• Počet otevřených kanálů v membráně určuje její odpor resp. vodivost– Membrány různých neuronů se liší množstvím

otevřených iontových kanálů– Různé částí téhož neuronu se liší

• Čím vyšší odpor membrány, tím dále se potenciál dostane

Vnitřní odpor neuronu

• = odpor neuronální cytoplasmy– Čím nižší odpor tím dále se EPSP šíří

Kapacita membrány neuronu

• Schopnost uchovávat náboj

• Capacitance – C

• Náboj Q

• Napětí V

C =Q

V

Kapacita membrány neuronu

• Membrána neuronu se chová jako kondenzátor

• 2 vodivé desky oddělené izolátorem

– Čím větší je kapacita membrány, tím více se membrána nabíjí a tím déle trvá než poenciál dosáhne maxima nebo se vrátí se k nule (membrána se vybije)

• Kapacita ovlivňuje – Časový průběh i amplitudu EPSP

Elektrické konstanty neuronu

• Prostorová konstanta – vzdálenost, kam se EPSP dostane než se sníží na 37% své

velikosti, • dána odporem membrány a cytoplasmy

– Malé neurity mají menší prostorovou konstantu než velké

• Časová konstanta – čas, za který se EPSP sníží na 63% své velikosti

• Dána odporem membrány a její kapacitou

– Neurony mohou mít různé časové konstanty

– Dendrity s malou časovou konstantou - krátké EPSP

– Dendrity s velkou časovou konstantou - dlouhé EPSP

Snímací elektroda

Stimulační proud

Stimulační proud

Buňka 1

Buňka 2 Nižší kapacita

Vyšší kapacita

Em

Em

I

I

V1

V2

++ + + +

EPSP

SR

0 0,5 1 2 4 cm

0 0,5 1 2 4 cm

-50 mV

37%

R R R

Prostorová konstanta

S R

-50 mV

63%

0 50 100Čas (msec)

400

Časová konstanta

Sumace• U většiny neuronů jsou individuální EPSP nižší

než práh pro vznik AP (výjimku tvoří NSS)• Většina neuronů přijímá informace mnoha

synapsemi – EPSP a IPSP různých amplitud, trvání, různé zpoždění

• EPSP i IPSP mohou být sumovány = více podprahových EPSP může vyvolat depolarizaci iniciačního oblasti axonu a vyvolat AP atd.

• Sumace resp. integrační vlastnosti neuronu jsoue formovány pasivními elektrickými vlastnostmi neuronu

• Časová• Prostorová

Prostorová sumace 1• různé vstupy• stejný čas

– časová konstanta1

2

Dendrit

Axon

Snímací elektroda

Tělo neuronu

A B

C

Práh Práh

Práh

Čím delší prostorová konstanta, tím vzdálenější synapse mohou být efektivní

Prostorová sumace 2• různé vstupy• stejný čas

– časová konstanta

1

2A B

Práh Práh

Práh C

Tělo

Snímací elektroda

Axon

Iniciační zóna

Denditry

Čím delší prostorová konstanta, tím vzdálenější synapse mohou být efektivní

Časová sumace

• 1-více vstupů• Různý čas

1

1 1Efektivita časové sumace závisí na časové konstantě –Při delší časové konstantě EPSP trvá déle a je větší naděje na interakci s jiným

Integrace IPSP a EPSP

• Interakce ovlivněna elektrickými vlastnostmi neuronu

• Velikost a tvar výběžků neuronu utváří neuron tak, aby sloužil určité funkci v nervových okruzích

• Elektrické vlastnosti neuronu mohou být měněny tak, aby mohly sloužit různým potřebám NS v různém čase

• Rozhodování neuronu

Změny v závislosti na činnosti

• Facilitace – zvýšení odpovědi postsynaptického neuronu po opakované aktivaci

Stimulace

Záznam

Odpověď postsynaptického neuronu

Stimulus 0,5 s

Potenciace (min)

• Posttetaticná potenciace – zvýšení EPSP neuronu po tetanické stimulaci– Homosynaptická– Heterosynaptická

Postsynaptická odpověď

EPSP

EPSP

Tetanická salva(20 s /50-100 Hz)

Facilitace• Mechanismus ne zcela objasněn - významná

úloha Ca++ iontů– V normálních synapsích– Během synaptického přenosu – Ca++ uvolňuje

měchýřky z „docking“ zóny a mobilizuje zásoby– Po odeznení depolarizace je hladina volného Ca++

rychle redukována– difuze, – specializovaný buffer protein, – vychytávání Ca++ do zásobních prostor

– Ve facilitujících synapsích – zůstává hladina volného Ca++ zvýšená

• Při opětovné stimulaci je výsledná hladina dostupného Ca++ vysoká

• synaptický přenos je účinnější• Vyšší EPSP

Facilitace

• Homosynaptická

• Heterosynaptická – Aplysia (mořský

zajíc) – facilitace jinou synapsí než efektorovou

Ganglion

1 Test

2 Facilitující

stimul

Snímací elektroda

1 Test Stimul 2

Axon

Test Test

Stimul 2

A

B

C

SerotoninUzavření určitých K+

kanálů – rozšíření (trvání) AP

Heterosynaptická facilitace

LTP 1- postsynaptický efekt• Homosynaptická x Heterosynaptická =

asociativní (paměť) – Hippocampus:

• Glutamátové receptory– Ionotropní

• K receptory – kainát – propustné pro K+, NA+

• AMPA neboli Q receptory – -amino-3-hydoxy-5-methyl-4-isoxazole-propionová kyselina (AMPA) a quisqualate - propustné pro K+, NA+

• NMDA - N-methyl-D-aspartate - propustné pro K+, NA+ a Ca++ , jejich ústí normálně blokováno Mg++, velká depolarizace je uvolňuje

LTP 2 – postsynaptický efekt

• NMDA receptory regulují vstup Ca++ Ca++ aktivuje:

1. Ca++ /calmodulin-dependentní protein kinázu II

2. Proteinkinázu C3. Ca++ dependentní proteázu• Kinázy ovlivňují aktivitu AMPA a K

glutamátových receptorů a zvyšují citlivost ke glutamátu

LPT 3 – presynaptické mechanismy

• Ca++ indukuje syntézu NO (NO syntetáza) prostřednictvím Ca++ dependentní protein kinázy II

• NO působí jako retrográdní přenašeč

• Difunduje z postsynaptické buňky do presynaptické a uvolňuje další mediátor

Mechanismus LPT

GLU Mg

NMDA kanál

Ca++ K+

Na+

AMPAkanál

GLU

Ca++

Ca++Na+

K+

Mg

Zvýšení Ca++

NO syntetáza

NO

NO

uvolňování mediát.

A B