Komórka nerwowa - neuron
Jądro neuronu
Dendryty
Ciało komórki
Przewężenie Ranviera Otoczka mielinowa Akson
Zakończenia aksonu Oligodendrocyt
Synapsa
Komórka nerwowa - neuron
Średnica aksonu
od 4 (0,004 mm) do 100 mikronów (.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. 0.06 m.
Całkowita długość aksonów A = 6*109m Odległość Ziemia – Księżyc L = 4*108m A/L = 15
Długość aksonu od 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
Potencjał błonowy
Potencjał błonowy bierze się z rozdzielenia dodatnich i ujemnych ładunków przez błonę komórkową. W neuronach na zewnątrz występuje
przewaga jonów dodatnich, a wewnątrz – ujemnych.
Potencjał błonowy – różnica potencjałów w poprzek błony komórkowej
Potencjał błonowy jest podstawową własnością wszystkich żywych komórek
Techniki pomiarowe mikropiptety
Pomiary wewnątrzkomórkowe in vivo. Grupa prof. Amzici, Universite Laval, Quebec, Kanada
Mikropipety służą do pomiarów potencjału zewnątrzkomórkowego, wewnątrzkomórkowego, patch, stymulacji elektrycznej,
dostarczania substancji do przestrzeni zewnątrz/
wewnątrzkomórkowej
Techniki pomiarowe – patch clamp (E. Neher, B. Sakmann, Nobel 1991)
Układ pomiarowy patch clamp Pipeta do patch calmp. Zakończenie pipety
może być większe (średnica~3m) niż mikropipety do pomiarów
wewnątrzkomórkowych (średnica ~1 m)
Mikropipety do patch clamp są przygotowywane jak zwykłe mikropipety lecz ich zakończenia są gładkie i przyklejają się do błony zamiast ją przekłuwać. Patch clamp umożliwia pomiar z pojedynczych kanałów jonowych (indside-out) oraz potencjału błonowego
Techniki pomiarowe – patch clamp (E. Neher, B. Sakmann, Nobel 1991)
Pomiar potencjału błonowego (whole cell recording) komórki hipokampa metodą patch calmp. Pipeta jest zaznaczona kolorem niebieskim.
Siły chemiczne i elektryczne
2
log 1
3 .
2 C
RT C W C
zFV qV
W E
R – stała gazowa T - temperatura
F – stała Faradaya
V – różnica potencjałów
z - walencyjność
Potencjał Nernsta
2 1
2 1
log 3
. 2
log 3
. 2
C C zF
V RT
C RT C
zFV
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:
Potencjał Nernsta
mV 81 125 mV
log 5 58
] mV [
] log[ 58
] [
] log[ 3
. 2
in K out
in out K
K V K
K K F
V RT
mV 58 12 mV
log120 58
] mV [
] log[
58
in Na out
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) [m/s]
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 [ ]
] [
Obwód zastępczy błony komórkowej neuronu. Potencjał równowagowy jest
reprezentowany przez baterię o odpowiedniej polaryzacji i napięciu odpowiednim dla danego jonu. Bateria jest połączona szeregowo z opornością (R) odpowiadającą
przepuszczalności błony. Zazwyczaj, zamiast oporności podaje się przewodnictwo G = 1/R, związane z przepuszczalnością (P) i stężeniami jonów ([K]) następująco:
Dodatkowo, podwójna warstwa lipidowa tworząca błonę może gromadzić ładunki i
zachowuje się jak kondensator o pojemności Cm.
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 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.
Skąd się bierze próg?
Depolaryzacja podprogowa jest kompensowana pasywnym wypływem jonów potasu i nie wywołuje potencjału czynnościowego. Jeśli wypływ jonów potasu nie może zrównoważyć wpływu jonów sodu, błona osiąga próg na generację impulsu i generowany jest potencjał czynnościowy.
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.
Voltage clamp
Technika voltage clamp była opracowana przez Kenneth’a Cole’a w 1949 r. Alan Hodgkin i Andrew Huxley wykorzystał ją w serii eksperymentów (1952) nad mechanizmem generacji potencjału czynnościowego. Voltage clamp pozwala mierzyć wpływ zmian potencjału błonowego na przewodnictwa jonowe.
Voltage clamp działa na zasadzie ujemnego sprzężenia zwrotnego. Potencjał błonowy jest mierzony przez wzmacniacz podłączony do elektrod zewnątrz i wewnątrzkomórkowej. Jest on przekazywany do wzmacniacza
(feedback amplifier). Drugie wejście do wzmacniacza stanowi potencjał z generatora ustalany przez eksperymentatora (command potential). Wzmacniacz oblicza różnicę napięć i przekazuje sygnał na elektrodę biegnącą wewnątrz
komórki. Prąd potrzebny do utrzymania napięcia na zadanym poziomie jest miarą prądu błonowego płynącego przez kanały jonowe.
Eksperyment Hodgkina i Huxleya - video
Eksperyment Hodgkina i Huxleya - wyniki
Mała depolaryzacja wywołuje prąd kondensatora Ic = C dV/dt oraz leak Il.
Większa depolaryzacja wywołuje większy prąd kondensatora Ic oraz Il oraz
dodatkowo prąd dokomórkowy a następnie odkomórkowy.
Depolaryzacja w obecności tetrodoxyny (TTX) blokującej kanały Na a następnie w obecności tetraethyloammonium (TEA) blokującej kanał K pozwala zobaczyć
‘czysty’ prąd IK i INa, po odjęciu Ic oraz Il.
•Fugu (puffer fish) specjał sushi zawierający TTX
•Szkolenie na mistrza fugu trwa 3 lata, test zdaje ok. 30%.
•Mimo wszystko, w Japonii, 5-10 osób rocznie umiera w wyniku spożycia fugu
) (
) , ) (
, (
K K K
V V
t V t I
V
g
) (
) , ) (
, (
Na Na Na
V V
t V t I
V
g
Eksperyment Hodgkina i Huxleya - wyniki
Prawo Ohma
Znając IK, INa, VK, VNa, oraz V można obliczyć gK i gNa. IK, INa można wyliczyć z pomiarów voltage clamp, VK, VNa- stałe, V – ustala eksperymentator.
Andrew Huxley, Alan Hodgkin (Nobel 1963)
) (
) )(
, ( )
)(
,
(
K Na Na L LK m
m
L Na
K m
m
V V
g V
V t V g
V V
t V dt g
C dV I
I I
dt I C dV I
Pomiary voltage clamp dla różnych wartości V pozwoliły HH postawić hipotezę, że 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.
HH model - 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
1 - y y
Otwarty Zamknięty
y - prawdopodobieństwo, że bramka jest w stanie otwartym, 1-y – że w stanie zamkniętym, , – stałe szybkości.
Zakładamy kinetykę reakcji pierwszego rzędu:
y dt y
dy ( 1 )
W stanie ustalonym:
y y
dt
dy 0 ( 1 )
Stąd:
y
Podstawiając do równania:
) )(
(
) (
) (
) (
) 1
(
y y
y y
y y
dt y dy
Model bramki (gate model – Hodgkin i Huxley (1952))
) ( )
( ) 1
(
) (
V V V
V y
dy(1) (y
y)
(1) ( ) dt
ln(y
y) ( )t y y
Ae
()tModel bramki (gate model – Hodgkin i Huxley (1952)) Całkując dostajemy:
stan ustalony stała czasowa
Zależność stałych czasowych i prawdopodobieństwa w stanie ustalonym od napięcia dla kanałów napięciowozależnych aktywowanych depolaryzacja (lub inaktywowanych hiperpolaryzacją).
K K
K
K
V t Y V t g n g
g ( , ) ( , )
4Na Na
Na
Na
V t Y V t g m h g
g ( , ) ( , )
3HH zauważyli, że gK i gNa nie są funkcjami exp(-t/) lecz raczej potęgami funkcji ekspotencjalnych.
Zaproponowali:
Korzystając z modelu bramki:
n n
n n
n n n
n
n n n
dt dn
1
,
, )
1 (
m m
m m
m m m
m
m m m
dt dm
1
,
, )
1 (
h h
h h
h h h
h
h h h
dt dh
1
,
, )
1 (
HH model
Rozwiązując równania na n, m i h dostajemy:
HH model
)]
1 )(
[(
)
( t n
0n
0n e
t/ nn
)]
1 )(
[(
)
( t m
0m
0m e
t/ mm
)]
1 )(
[(
)
( t h
0h
0h e
t/ hh
Wstawiając rozwiązania do gNa i gK dostajemy:
/ 4 0
0
4
[ ( )( 1 )]
)
(
K K t nK
t g n g n n n e
g
h m
h m
t t
Na
t t
Na Na Na
e e
h m g
e h
h h
e m
m m
g
h m g
t g
/
3 / 0
/ 0
/ 3 0
0 3
) 1
(
)]
1 )(
( [
)]
1 )(
( [
) (
Gdyż m0 i hinf są zaniedbywalnie małe.
Z przebiegów gK i gNa HH wyznaczyli:
n,
m,
h, n
, m
, h
A następnie obliczyli:
n,
n,
m,
m,
h,
hm m
m m
m m
1
,
n n
n n
n n
1
,
h h h
h h h
n n
1
,
HH model
Po dopasowaniu oraz numerycznym rozwiązaniu równań HH, otrzymano doskonalą zgodność z doświadczeniem. Model HH jest wciąż uznawany za największy sukces w ilościowym modelowaniu mózgu a nawet i w całych naukach biologicznych. Teoria HH opisuje nie tylko generację potencjałów czynnościowych ale również ich propagacje.
HH model
Model HH ma tez pewne ograniczenia. Dobrze opisuje makroskopowe prądy Na lecz jego przewidywania na poziomie pojedynczych kanałów nie zgadzają się z doświadczeniem (np.
bramki m nie są od siebie niezależne i nie koniecznie są takie same).
W równaniach HH można zaobserwować zachowania chaotyczne
Generacja potencjału czynnościowego - podsumowanie
-100 -80 -60 -40 -20 0
0.2 0.4 0.6 0.8 1
activation gate
mV
-100 -80 -60 -40 -20 0
0.2 0.4 0.6 0.8 1
inactivation gate
mV
-100 -80 -60 -40 -20 0
5 10
15 tau activation
mV
ms
-100 -80 -60 -40 -20 0
100 200 300
tau recovery and inactivation
mV
ms
Charakterystyka typowego kanału
Prądy w komórkach nerwowych
Kanały Ca
+Dwa rodzaje kanałów wapniowych rejestrowanych metodą patch clamp. A. T-type (transient lub LVA – low voltage activation channel). B. L-Type (long lasting lub HVA – high voltage activated channel).
Kanały K
+Delayed rectifier IK(DR) Transient IK(A)
Delay current IK(D)
Calcium-Dependent IK(Ca); IC Afterhyperpolarization IAHP Anomalous rectifier IAR; IQ; Ih M current IM
Leak IK, leak
IK(DR)+ IK(A)
IK(Ca)
IK(DR)+IK(A)+IK(D)+IK(Ca) +IAHP+IM Istnieje wielka różnorodność kanałów K+. W aktywnej
komórce, kanały K+ zapewniają powrót do stanu
równowagi. Potencjał równowagowy dla K+ (-81 mV) jest bliski potencjałowi spoczynkowemu komórki (-70 mV). Po otwarciu kanałów Na+ lub Ca+, następuje aktywacja kanałów K+ mająca na celu przywrócenie potencjału spoczynkowego
Kanały jonowe - podsumowanie
Rozszerzony model błony neuronalnej
Cztery rodzaje neuronów kory?
a) zapisy wewnątrzkomórkowe u czuwających i śpiących kotów b) zapis wewnątrzkomórkowy z neuronu korowego u kota w stanie anestezji. Podawanie prądu dokomórkowego (b1 - ramka) wywołuje zmianę wzorca odpalania. Mircea Steriade, Neocortical Cell Classes Are Flexible Entities. NATURE REVIEWS |
NEUROSCIENCE, VOL. 5, pp. 121-134, 2004.