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
J. Nolte, Mózg człowieka, URBAN & PARTNER 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
Neurony
Neurony
jednobiegunowe
Neuron
dwubiegunowy
Neurony wielobiegunowe
Średnica aksonu 0.004 mm do 0.1 mm
Średnica włosa
~0.05 mm
Całkowita długość neuronów u człowieka A = 180 000 km Odległość Ziemia – Księżyc L = 380 000 km
A/L ~ 1/2
Komórki glejowe – Oligodendrocyty, Komórki Schwanna, Astrocyty, Mikroglej
Astrocyty:
- podtrzymywanie fizyczne neuronów - regulacja stężenia jonów w przestrzeni pozakomórkowej,
- regulacja neuroprzekaźnictwa (wchłanianie neuroprzekaźnika, otaczanie synaps),
- transport metabolitów do i od neuronów (dostarczanie składników odżywczych np.
glukozy 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 – są składnikiem układu
odpornościowego. Podczas stanów zapalnych oraz w miejscach uszkodzeń, rozmnażają się i uczestniczą w mechanizmach obronnych organizmu - pochłaniają czynniki patogenne oraz produkty rozpadu neuronów.
Komórki glejowe stanowią obok neuronów drugi składnik układu nerwowego. Szacuje się, ze komórek glejowych jest 10 razy więcej niż 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
log 1
3 .
2 C
RT C W C
zFV qV
W E
R – stała gazowa T - temperatura
q – ładunek
F – stała Faradaya
V – różnica potencjałów
z – elektrowartościowość
Potencjał Nernsta
2 1
2 1
log 3
. 2
log 3
. 2
C C F
V RT
C RT C
FV
W W E C
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:
* W wyprowadzeniu przyjęto z = +1, co jest słuszne np. dla jonów Na+ i K+. Dla jonów chloru, Cl-, z ma wartość -1 i stosunek stężeń ulegnie odwróceniu.
Potencjał Nernsta dla jonów K, Na, Cl
mV 81 125mV
log 5 58
] mV [
] log[ 58
] [
] log[
3 . 2
in out K
in out K
K V K
K K F
V RT
mV 58 12 mV
log120 58
] mV [
] log[
58
in out
Na Na
V Na
mV 81 125 mV
log 5 58
] mV [
] log [
58
out Cl in
Cl V Cl
Potencjał błonowy - równanie Goldmana
] mV [
] [
] [
] [
] [
] log [
58
out Cl
in Na
in K
in Cl
out Na
out m K
Cl P
Na P
K P
Cl P
Na P
K
V P
Dla P
Na= 0.04*P
K, 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
-]
inoraz [K
+]
in= [Cl
-]
outi P
Cl<< P
K, to
pominięcie Cl
-znacząco nie zmieni wyniku.
V
m= -60 mV
Obwód zastępczy
in K out
K
K
P K
G [ ]
] [
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.
wzrost g
NaPotencjał 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.
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
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.
