Program:
1. Wstęp. Historia badań układu nerwowego. Poziomy organizacji układu nerwowego.
2. Komórki mózgu – neuron i glej.
3. Siły chemiczne i elektryczne, równanie Nernsta.
4. Potencjał czynnościowy, teoria Hodgkina i Huxleya, prądy w komórkach nerwowych.
5. Propagacja impulsu - teoria kablowa.
6. Synapsy elektryczne i chemiczne. Złącze nerwowo – mięśniowe. Hipoteza kwantowa.
7. Procesy obliczeniowe w dendrytach. Model Ralla.
8. Zmysły – prawo energii własnych, receptory, transdukcja, kodowanie bodźca.
9. Zmysły chemiczne – smak. Kodowanie informacji smakowej.
10. Dualna natura węchu. Receptory węchowe, mapy zapachów. Feromony.
11. Czucie somatyczne, receptory skóry, czucie głębokie.
12. Obwody rdzenia kręgowego. Teoria bramkowania bólu. Reprezentacja czuciowa w korze mózgowej.
13. Propriocepcja i kinestezja.
14. Zmysł równowagi. Odruch przedsionkowo – oczny.
15. Słuch - dźwięki słyszalne, budowa i działanie ucha. Rezonansowa teoria Helmholtza, teoria fali biegnącej, wzmacniacz ślimakowy.
16. Widzenie - spektrum EM, fotoreceptory, obwody siatkówki. Elektroretinogram (ERG), i elektrookulogram (EOG). Widzenie barwne. Drogi wzrokowe. Kolumny orientacji przestrzennej.
Rozpoznawanie twarzy. Problem scalania. Gdzie powstaje świadomość?
Program:
Zjawiska progowe w komórkach nerwów i mięśni. Przewodnictwo jonowe i powstawanie różnicy potencjałów w poprzek błony aktywnej. Teoria Hodgkina Huxleya.
Propagacja pobudzenia elektrycznego. Przewodnictwo skokowe. Przewodnictwo synaptyczne i potencjały postsynaptyczne. Synapsy elektryczne. Transmisja w zespołach neuronów.
Zjawiska elektryczne w komórkach mięśniowych. Sterowanie mięśniami.
Zjawiska elektryczne w narządach zmysłów. Aktywna transdukcja bodźca. Mechanizmy zapewniającą wysoką czułość i rozdzielczość percepcji.
Przewodnictwo objętościowe. Właściwości elektryczne tkanki i ich wpływ na potencjały mierzone w różnych reżimach eksperymentalnych. Rodzaje elektrod.
Sterowanie i regulacja w organizmach żywych.
Elementy analizy sygnałów stochastycznych.
Powstawanie, rejestracja, metody analizy sygnałów elektrycznych i magnetycznych:
elektroencefalogramów (EEG), potencjałów wywołanych (EP), lokalnych potencjałów polowych (LFP), elektromiogramów (EMG), elektroretinogramów (ERG), elektrookulogramów (EOG), elektrodermogramów (EDG), elektrogastrogramów (EGG), magnetoencefalogramów (MEG), magnetokardiogramów (MKG)
Neurobiologia
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.
W.J. Freeman, Mass action in the nervous system.
A.Longstaff, Neurobiologia. Krótkie wykłady, PWN
G.G. Matthews, Neurobiologia. Od cząsteczek i komórek do układów, PZWL
Proponowane podręczniki:
Edwin Smith Surgical Papyrus – 1700 BC
(‘yś) - mózg
Michał Anioł. Stworzenie Adama (Fresk. Kaplica Sykstyńska, Watykan, Rzym). 1510.
Meshberger, Frank Lynn. "An Interpretation of Michelangelo's Creation of Adam Based on Neuroanatomy", JAMA. 1990 Oct 10; 264(14):1837-41.
Kroki w poznaniu mózgu
4000 BC Zapisy Sumeryjskie – opis efektu zażycia opium 2700 BC Początki akupunktury
3000 – 1700 BC Starożytny Egipt. Pierwsze dokumenty medyczne opisujące urazy i anatomię mózgu.
2000 BC Trepanacje czaszek w pre-inkaskich cywilizacjach w Am. Płd.
600 – 400 BC Filozofowie Greccy – źródłem duszy i umysłu jest mózg lub serce.
130 – 200 AD Galen - początki fizjologii mózgu (4 płyny: krew, flegma, zółć, czarna żółć)
1543 Vesalius – opis anatomii układu nerwowego (i żeber!). Mózg – centrum umysłu i emocji
1673 Kartezjusz – mózg jako maszyna
1792 Galvani - elektryczna natura układu nerwowego (bioelektryczność!) 1870 Du Bois – Reymond – impulsy elektryczne
1891 Cajal i inni – układ nerwowy składa się z osobnych komórek - neuronów
1897 Sherrington – komunikacja neuronów poprzez synapsy
Kroki w poznaniu mózgu - cd
Lata 20-ste Langley, Loewi, Dale i inni - identyfikacja neurotransmiterów
Lata 40-ste Shannon, Weaver i Wiener – powstaje teoria informacji i systemów kontrolowanch (cybernetyka)
Lata 50-te Hodgin, Huxley, Katz i Eccles – pomiary sygnałów elektrycznych z użyciem mikroelektrod. Mikroskopia elektronowa ujawnia
szczegóły budowy neuronów i synaps.
Lata 50-te Mountcastle, Lettvin, Hubel and Wisel – analiza pojedynczych komórek ujawnia ‘jednostki percepcji’ w mózgu
Lata 60-te Poznanie sumacyjnych własności dendrytów i obwodów synaptycznych i przetwarzania informacji bez impulsów.
Lata 70-te Poznanie neuromodulatorów i przekaźników II-go stopnia – złożoność oddziaływań neuronalnych.
Lata 70-te Komputerowe techniki obrazowania i lokalizacji funkcji poznawczych mózgu
Lata 70-te Molekularne metody analizy informacji genetycznej (rekombinacja DNA) i pojedynczych białek w błonie neuronalnej (patch clamp).
Lata 80-te Modele komputerowe układu nerwowego (wzrok, język, pamięć) Lata 90-te i
obecne „Dekada mózgu” – integracja informacji z różnych poziomów w celu stworzenia pełnej teorii działania mózgu.
Kroki w poznaniu mózgu - cd
2000 i później Kandel – zrozumienie mechanizmów pamięci Sztuczny mózg:
1cm2 - Blue Brain Project
Mózg małego ssaka - C2 (IBM)
Inteligencja ssaka - MoNETA: A Mind Made from Memristors
Sztuczna siatkówka –
http://artificialretina.energy.gov/
Behavioural neuroscience: Rat navigation guided by remote control. Sanjiv K. Talwar, Shaohua Xu, Emerson S. Hawley, Shennan A. Weiss, Karen A. Moxon and John K. Chapin Nature 417, 37-38(2 May 2002)
Poziomy organizacji układu nerwowego
+ -
+ -
- + +
-
+ +
+
+
-
+
- - -
-
+
( b ) S y s t e m s ( b ) L o c a l p o p u l a t i o n s , n e u r o n a l
n e t w o r k s
( c ) S i n g l e c e l l s
( d ) S y n a p s e s ( f ) G e n e s
( e ) M e m b r a n e s , c h a n n e l s , i o n s
D e n d r i t e s
S o m a
A x o n
s e n s o r y c e n tra l
( a ) B e h a v i o u r
+ -+
-
-+
+-+
+ +
+ -+
-
--
- +
s e ns o ry
c e n t ra lmotor
Zrozumienie działania mózgu (naszego zachowania) wymaga zrozumienia mechanizmów na wielu poziomach organizacji i zrozumienia zależności pomiędzy tymi poziomami.
Cel wykładu
Podział układu nerwowego
Struktura układu nerwowego podzielona jest na:
Centralny Układ Nerwowy - mózg
- rdzeń kręgowy
Obwodowy Układ Nerwowy
-nerwy korpusu i kończyn niosące informacje od/do mózgu W układzie nerwowym można wyróżnić dwie
funkcjonalne części:
-układ somatyczny - kieruje pracą mięśni szkieletowych, gruczołów skórnych i komórek barwnikowych skóry.
-układ autonomiczny - unerwia narządy wewnętrzne
Obwodowy układ nerwowym można podzielić ze względu na kierunek przekazywania impulsów:
-cześć sensoryczna -część motoryczna
Midbrain – śródmózgowie Pons – most
Medulla oblongata – rdzeń przedłużony
Brainstem – pień mózgu
Cerebellum - móżdżek
Diencephalon - międzymózgowie
Thalamus - wzgórze
Diencephalon - międzymózgowie
Hypothalamus - podwzgórze
Limbic system – system limbiczny
Hippocampus - hipokamp
Lateral ventricle – komora boczna
Basal Ganglia – zwoje podstawy
Caudate – jądro ogoniaste
Basal Ganglia – zwoje podstawy
Caudate – jądro ogoniaste
Putamen – skorupa Striatum –
prążkowie = jądro ogoniaste + skorupa
Amygdala – ciało migdałowate
Cerebral Cortex – kora mózgowa
White matter – isotota biała
Cerebral Cortex – kora mózgowa
Grey matter – isotota szara
Frontal lobe – płat czołowy Temporal lobe – płat skroniowy Parietal lobe – płat ciemieniowy Occipital lobe – płat potyliczny
Doktryna neuronu
Komórki móżdżku obserwowane pod mikroskopem przez
Purkinjego, 1837
Motoneuron rdzenia kręgowego obserwowany pod (ulepszonym)
mikroskopem przez Deitersa w 1865.
Widoczne dendryty (przedłużenia protoplazmatyczne), ciało neuronu i akson (cylinder osiowy – axis
cylinder)
Doktryna neuronu - cd
Camillo Golgi (1843 - 1926) w laboratorium
Preparat wykonany przez Golgiego
Preparat metodą Golgiego wykonany obecnie
Golgi argumentował, że ilość połączeń między neuronami jest tak wielka, że prawa transmisji sygnałów pomiędzy komórkami nie mogą być określone.
Wynika stąd, że sieć neuronów ma postać ciągłą (teoria siatkowata).
Doktryna neuronu - cd
Santiago Ramon y Cajal (1852 – 1934)
Cajal ulepszył metodę barwienia Golgiego, co pozwoliło mu
zaobserwować więcej szczegółów. Nie znalazł potwierdzenia teorii
siatkowatej i zaproponował że układ nerwowy zbudowany jest z osobnych komórek nerwowych.
Struktura siatkówki. Rysunek Cajala (1900)
Doktryna neuronu - cd
Wilhelm Waldeyer, niemiecki profesor anatomii i patologii, opublikował w 1891 artykuł z tezą, że teoria komórkowa stosuje się również do układu nerwowego.
Waldeyer wprowadził termin ‘neuron’.
Jego teoria została ogólnie zaakceptowana i nazwana ‘doktryną neuronu’.
Heinrich Wilhelm von Waldeyer-Hartz (1836-1921)
Nagroda Nobla z fizjologii i medycyny - 1906
Komórka nerwowa - neuron
Komórka nerwowa - neuron
Średnica aksonu
(0,004 mm) do 100 micronów (.1 mm)
Średnica włosa 0,02 mm do 0,08 mm.
U ludzi:
Ok. 1011 neuronów w mózgu Każdy neuron ok. 104 połączeń
Średnia długość aksonu w korze ok. 2 cm.
Całkowita długość aksonów A = 2*109 m Odległość Ziemia – Księżyc L = 4*108 m A/L = 5
Długość aksonu (1 mm) do ponad 1m Neurony
jednobiegunowe Neuron dwubiegunowy
Neurony wielobiegunowe
Komórka nerwowa - terminologia
Neurony posiadające długi akson, który tworzy
połączenie z innym rejonem układu
nerwowego nazywają się neuronami projekcyjnymi, neuronami głównymi i komórkami
przekaźnikowymi.
Neurony wewnętrzne lub interneurony znajdują się w całości wewnątrz
jednego obszaru układu nerwowego. Neurony wewnętrzne mogą nie posiadać aksonu.
Dendryty - terminologia
Neurony posiadają zazwyczaj jeden akson oraz wiele dendrytów.
Wyróżniamy dendryty wierzchołkowe (apical) i podstawne (basal).
Druga składowa układu nerwowego -
komórki gleju
Komórki glejowe
Komórki glejowe są drugim głównym składnikiem układu nerwowego. W niektórych
obszarach są 10 razy liczniejsze niż neurony.
Najważniejszą rolą komórek glejowych jest kontrolowanie otoczenia neuronów. Są one zaangażowane w wiele różnych funkcji.
Rodzaje i funkcje gleju
•Astrocyty: największe i najliczniejsze. Ich funkcja to podtrzymywanie fizyczne i odżywianie neuronów, regulacja zawartości przestrzeni zewnątrzkomórkowej - buforowanie jonów, regulacja neuroprzekaźnictwa (pochłanianie neurotransmitera i zapobieganie dyfuzji poza szczelinę synaptyczną), bariera krew – mózg (?).
•Microglia: składniki układu odpornościowego,
aktywne podczas stanów zapalnych, usuwają ‘zmarłe’
neurony.
•Oligodendrocyty: wytwarzają mielinę w neuronach centralnego układu nerwowego.
•Komórki satelitarne (Satellite Cells):
podtrzymywanie fizyczne neuronów w obwodowym układzie nerwowym
•Komórki Schwanna: wytwarzają mielinę w neuronach obwodowego układu nerwowego.
Stwardnienie rozsiane (łac. sclerosis multiplex, SM) - demielinizacja włókien nerwowych w obrębie mózgu i rdzenia kręgowego
