Egzamin Egzamin pisemny z Neurobiologii odbędzie we wtorek 12 czerwca o godz. 10 w Sali 132. Po egzaminie pisemnym, będzie można się zapisać na egzamin ustny, w terminie 13-15 czerwca.

Egzamin

Egzamin pisemny z Neurobiologii odbędzie we wtorek 12 czerwca o godz. 10 w Sali 132.

Po egzaminie pisemnym, będzie można się zapisać na egzamin ustny, w terminie 13-15 czerwca.

Część wisceralna i somatyczna

A. Hipotetyczny prymitywny strunowiec z rozdzieloną częścią wisceralną i somatyczną.B. Niższy kręgowiec (ryba) wykazujący większą integrację dwóch składowych ciała. Z: Romer, A. S. 1964. The Vertebrate Body. W. B. Saunders.

Philadelphia.

Ciało składa się z dwóch części:

Część wisceralna (trzewia): organy wewnętrzne – narządy klatki piersiowej (serce, płuca) i jamy brzusznej (żołądek, jelita).

Część somatyczna – aparat mięśnioszkieletowy

Układ autonomiczny i somatyczny

Podział układu nerwowego

Układ autonomiczny (wegetatywny) unerwia narządy wewnętrzne. Działanie u.a.

powoduje reakcje niezależnie od naszej woli (np. wydzielanie soków żołądkowych) i utrzymuje podstawowe parametry fizjologiczne (temeperatura, ciśnienie krwi) na poziomie dostosowanym do aktualnego zachowania i warunków środowiska.

Układ somatyczny – kieruje pracą mięśni szkieletowych, gruczołów skórnych i komórek barwnikowych skóry. W dużym stopniu podlega kontroli świadomości.

Aktywność ruchowa

System ruchowy generuje:

- odruchy

- ruchy rytmiczne - ruchy zamierzone

Odruchy

Łuk odruchowy – droga impulsu nerwowego od receptora do efektora

Charles Sherrington – ok. 1890. Odruch - podstawowa jednostka

funkcjonalna rdzenia kręgowego oraz innych części układu nerwowego.

Odruchy rdzeniowe - odruch miotatyczny na rozciąganie

Odpowiedzi mięśnia

czworogłowego uda na rozciąganie przed i po przecięciu

unerwiającego go motoneuronu.

Po przecięciu nerwu, odpowiedź jest mniejsza, co wskazuje na istnienie polaczen przechodzacych przez rdzen kregowy, a nie na wrodzoną reakcję mięśnia.

Obwody rdzenia powodują skurcz męśnia, ktory byl rozciagniety.

Rozciaganie mięśnia przeciwstawnego (mięsień półścięgnisty), powoduje reakcje hamującą (strzałka).

Obwody rdzenia kręgowego

Receptory w skórze i mięśniach wysyłają informacje do rdzenia kręgowego. Ciałka komórek receptorowych znajdują się w zwojach korzeni grzbietowych (dorsal root ganglion). Włóka wchodzą do rdzenia kręgowego poprzez korzenie grzbietowe (dorsal root). Komórki rogów brzusznych (ventral horn) wysyłają połączenia przez korzenie brzuszne (ventral root) do mięśni, w celu kontroli ruchu.

Odruchy mięśniowe i skórne

Badanie obwodów odruchów. Porównanie odpowiedzi w aksonie motoneuronu w rdzeniu kręgowym na stymulację elektryczną włókna wrzecionka mięśniowego (włókna przewodzące szybkie) i włókna czuciowego skóry (włókna przewodzące wolne + droga polisynaptyczna).

Rodzaje włókien nerwowych

Obwody refleksów - połączenia monosynaptycze i polisynaptyczne

A. Badanie obwodów odruchów. B. Porównanie odpowiedzi motoneuronu w rdzeniu kręgowym na stymulację wychodzących włókien mięśniowych typu Ia i II. Eksperymentalne wykazanie drogi monosynaptycznej i dwusynaptycznej do motoneuronu u kota.

Wnioski:

- aferenty Ia tworzą drogę pobudzającą monosynaptyczną z własnymi motoneuronami i dwusynaptyczną hamującą droge z motoneuronami antagonistycznymi

- aferenty II tworzą dwusynaptyczną pobudzającą drogę z własnymi motorneuronami.

neuron pobudzający neuron hamujący

Odruchy rdzeniowe

Odruchy rdzeniowe i wyższe

Bodźce czuciowe wyzwalają refleksy poprzez obwody rdzenia i dłuższe obwody wyższe.

Krótkie napięcie mięśnia kciuka powoduje szybką odpowiedź M1 w rozciąganym mięśniu i wolniejszą odpowiedź M2 biorącą się z obwodu zawierającego korę motoryczną.

Koordynacja odruchów

Hamujące interneurony koordynują odruchy.

A. Ia interneuron umożliwia koordynację mięśnia przeciwstawnego pojedynczym sygnałem. Dodatkowo, otrzymuje on wyjścia z obwodów wyższych dzięki czemu sygnał zstępujący aktywujący jedną grupę mięśni, automatycznie rozluźnia grupę przeciwstawną. Inne wejścia zstępujące tworzą połączenia hamujące i pobudzające, zwiększając możliwości kontroli.

B. Komórki Renshawa tworzą hamowanie zwrotne z motoneuronami. Umożliwia to regulację pobudzenia

motoneronów i stabilizację ich częstości odpalania. Wejścia zstępujące modulujące pobudzenie komórek Renshawa modulują pobudliwość wszystkich motoneuronów w stawie.

Lokomocja

Eadweard Muybridge i zoopraxiskop (1879)

Neuronalne składowe systemów motorycznych

Główne komponenty większości systemów motorycznych: mięśnie, oscylator (aktywność rytmiczna) i ośrodki kontroli ruchu

Centralne generatory wzorca

Centralny generator wzorca – mechanizm neuronalny generacji rytmicznych i skoordynowanych impulsów do motoneuronów

Podstawowe typu generatorów rytmu. Oznaczenia: D – driver, E – extensor motoneuron, F – flexor motoneuron, I – interneuron, P – pacemaker (generator rytmu).

Pływanie u kręgowców - minóg

Układ pływania u minoga składa się z wyższych ośrodków w pniu mózgu i segmentów w części rdzeniowej. Każdy segment tworzy CGW. Podczas pływania sieci CGW są aktywowane przez system siatkowo-rdzeniowy (reticulospinal system). Najbardziej pobudliwe generatory wzorca znajdują się w przednim odcinku, co powoduje rozchodzenie się skurczu od przodu do tyłu. Połączenie pomiędzy segmentami zapewniają koordynację i opóźnienia (lag) pomiędzy kolejnymi CGW. Opóźnienie determinuje prędkość ruchu.

Minóg w trakcie pływania wykonuje falujące ruchy. Skurcz po prawej stronie powoduje wygięcie ciała w prawo, po lewej – w lewo. Fala skurczu rozchodzi się od głowy do ogona po obu stronach ciała. Fale po każdej stronie są względem siebie przesunięte w fazie.

Segmentowy obwód CGW u minoga

MN – motoneurony, interneurony pobudzające (E), interneurony hamujące (L, I), pień mózgu pobudza wszystkie te elementy. Aktywność w każdym segmencie jest inicjowana poprzez pobudzenie z systemu siatkowo-rdzeniowego. Pobudzenie receptora NMDA powoduje aktywacja prądów Na⁺/Ca²⁺. Napływ Ca²⁺ wywołuje repolaryzacje poprzez IK(Ca). Pobudzenie receptora kainate/AMPA przyśpiesza cykl.

Neurony pobudzające (E) pobudzają motoneurony oraz aktywują interneurony hamujące (L, I). Aksony interneuronów I hamują aktywność wszystkich komórek w kontralateralnej stronie segmentu, zapewniając przesuniecie w fazie aktywności po obu stronach o 180^o.

Od pływania do chodzenia

Nogi u płazów wyewoluowały z płetw u ryb. Poruszanie po lądzie odbywa się poprzez wyciągnięcie, podparcie i nacisk kończyn na podłoże w koordynacji z pływającymi ruchami ciała.

Pływanie ryby Chodzenie salamandry.

..i biegania u jaszczurki

U płazów i gadów nogi zamocowane są bocznie (stabilność). U ptaków i ssaków – od dołu (prędkość). Niektóre gady mogą poruszać się bardzo szybko. Bazyliszek (basilisk lizard) osiąga prędkość 20 km/h (krok dwunożny)

Kroki

Porównanie kroków karalucha i kota. Stopa uniesiona Stopa na ziemi

Kroki cd

Cykl kroku kota składa się z dwóch faz – zamachu i podparcia. Dolne przebiegi pokazują aktywność mięśni.

Rdzeniowe mechanizmy chodzenia

Zapis elektromiogramu (EMG) z mięśni kota w stanie normalnym (A) i po przecięciu połączeń z mózgiem (B). Wzorzec podstawowy jest zachowany lecz staje się mniej stabilny i łatwo ustaje.

Rdzeniowe mechanizmy chodzenia

Centralny generator wzorca generujący chodzenie u kota jest typu ‘half-center’ i zlokalizowany jest w rdzeniu. Długie, opóźnione serie wyładowań są widoczne w interneuronach w rdzeniu kręgowym w wyniku stymulacja ipsilateralnej nerwów FRA (flexor reflex afferents).

Hierarchiczna struktura organizacji kontroli ruchu - początki

Rdzeń kręgowy i pień mózgu

Kora mózgowa wzdłuż bruzdy Rolanda Płat czołowy

John Hughlings Jackson (1835 - 1911)

Na podstawie obserwacji pacjentów epileptycznych opracował koncepcję poziomów kontroli ruchów. Niższe

poziomy kontrolują ruchy automatyczne, wyższe – ruchy zamierzone. Wyższe poziomy kontrolują też niższe poziomy poprzez hamowanie lub pobudzanie.

Gdy wyższa funkcja jest uszkodzona, niższe poziomy ulegają ‘wyzwoleniu’

spod kontroli, co prowadzi do hyperaktywności.

Piętra kontroli ruchu wg. Jacksona:

Hierarchiczna struktura organizacji kontroli ruchu

Układy motoryczne mają trzy poziomy kontroli – rdzeń kręgowy, pień mózgu i kora mózgowa. Wszystkie trzy poziomy układu motorycznego dostają wejścia sensoryczne i są dodatkowo pod

wpływem dwóch struktur podkorowych – zwojów podstawy i móżdżku.

Hierarchiczna struktura organizacji kontroli ruchu

1. Aparat rdzeniowy kontrolowany poprzez motoryczne obszary kory i pnia mózgu (poziom środkowy Jacksona).

2. Kora i pień mózgu kontrolowane poprzez różne obszary (np.

móżdżek, zwoje podstawy), a nie tylko przez korę przednią.

3. Kontrola nie jest stricte

hierarchiczna (np. drogi równoległe, nie tylko szeregowe).

4. Połączenia zwrotne, również do najwyższego poziomu.

Dwa rodzaje kontroli

A. W układzie z kontrolą zwrotną,

sygnał z sensora jest porównywany z sygnałem odniesienia. Różnica jest przekazywana do kontrolera i

wywołuje odpowiednią reakcje mięśni.

B. Kontrola torująca opiera się na informacji otrzymanej przed

aktywacją sensora kontroli zwrotnej.

Mechanizm ma zasadnicze znaczenie dla ruchów szybkich.

Dwa rodzaje kontroli

A. Układ eksperymentalny łapania piłki.

B. Średnia odpowiedź człowieka łapiącego piłkę puszczoną z 0.8 m.

Zapisy od góry do dołu pokazują:

kąt łokcia, kąt nadgarstka, zapis EMG z bicepsa, tricepsa, flexor carpi radialis (FCR)i extensor carpi radialis (ECR). Widoczna aktywacja mięśni zarówno przed, jak i po, złapaniu piłki.

Kontrola ruchu – ośrodki pnia mózgu

Przyśrodkowe i boczne drogi zstępujące z pnia mózgu kontrolują różne grupy neuronów i mięśni. A. Drogi przyśrodkowe dochodzą do części brzusznej rdzenia kręgowego i kontrolują mięśnie tułowia (postura). B. Droga boczna zaczyna się w wielkokomórkowej części jądra czerwiennego i opada w kontralateralnej kolumnie grzbietowej a następnie dochodzi do części grzbietowej rdzenia kręgowego unerwiając motoneurony dystalnych (dalszych) części kończyn (manipulacja).

Ośrodki pnia mózgu inicjują lokomocję i kontrolują jej prędkość

Wzrost pobudzenia elektrycznego przyłożonego do

mesencephalic locomotor region (MLR, część pnia mózgu) u kotów z przeciętym połączeniem do kory mózgowej, zmienia krok i prędkość chodu. W miarę wzrostu prędkości, tylne łapy zmieniają krok z naprzemiennego na równoczesne zgięcia i wyprosty.

Kontrola chodzenia - trzy ośrodki pnia mózgu

Aktywność neuronów w trzech ośrodkach pnia mózgu podczas chodzenia. A.

Komórki siatkowato – rdzeniowe zwiększają odpalanie w fazie zginania.

Usunięcie móżdżku znacznie redukuje tę aktywność – spada napięcie mięśni koordynacja kończyn. B. Aktywność neuronów przedsionkowo-rdzeniowych osiąga maksimum w fazie podparcia. C. Aktywność neuronów czerwienno -rdzeniowych osiąga maksimum w fazie zgięcia. Wniosek: ośrodki pnia mózgu kontrolują generatory rdzenia kręgowego poprzez i) ogólną aktywację i ii) modulowaną aktywność torującą poszczególne fazy kroku

Móżdżek

- ma 10-100 * 10⁹ neuronów (więcej niż wszystkie pozostałe części mózgu razem wzięte)

- liczba połączeń z korą mózgową – 40*10⁶ (trakt optyczny - 1* 10⁶)

- budowa modułowa (wykonywanie tych samych operacji na różnych wejściach)

Móżdżek kontroluje układ ruchowy porównując polecenia ruchowe z ich rzeczywistym wykonaniem i korygując komendy w korze mózgowej i pniu mózgu podczas wykonywania oraz powtarzania ruchu.

Trzy aspekty organizacji służą tym funkcjom: 1. Duża liczba wejść (40 razy więcej niż wyjść). 2.

Wyjścia do kory motorycznej i pnia mózgu – struktur kontrolujących ruch. 3. Transmisja synaptyczna w obwodach móżdżku może być modyfikowana, co umożliwia adaptacje motoryczną i uczenie.

Neurony kory móżdżku

Kora móżdżku ma 3 warstwy i 5 rodzajów komórek. Warstwa drobinowa (molecular layer), zwojowa (Purkinje cell body layer), ziarnista (granule layer).

Komórki Purkinjego, ziarniste (Granule), gwiaździste (Stellate), koszyczkowe (Basket), Golgiego.

Móżdżek otrzymuje dwa rodzaje wejść: mossy fibers i climbing fibers. Oba wejścia są

pobudzające lecz tworzą różne wzorce wyładowań w komórkach Purkiniego.

Kora móżdżku – wejścia i wyjścia

Mossy fibers pobudzają komórki ziarniste, które włóknami

równoległymi pobudzają kilkaset komórek Purkinjego. Climbing fibers tworzą połączenia w kierunku

prostopadłym z ok. 10 komórkami Purkinjego. Połączenia wejściowe tworzą więc macierz ortogonalną.

Obwód móżdżku

Podstawowe cechy obwodu:

1. Oba wejścia, bezpośrednie

(climbing fibers CF) i pośrednie (mossy fibers MF - k. ziarniste – włókna równoległe) są

pobudzające.

2. Jądra głębokie również dostają wejścia z CF i MF.

3. Wszystkie inne połączenia są hamujące.

4. Wyjściowa pętla pobudzająca przez jądra głębokie jest modulowana przez pętlę hamującą kory móżdżku (regulacja ruchów w czasie

rzeczywistym).

Aktywność w komórkach Purkinjego

Oba wejścia pobudzające tworzą różne wzorce wyładowań w komórkach

Purkinjego. Wyładowania złożone (prawa klamra) są wywołane poprzez synapsy climbing fiber, a pojedyncze spiki (lewa klamra) są wywołane wejściem z mossy fiber. Mossy i climbing fiber różnie kodują sygnały sensoryczne. Częstość pojedynczych spików w komórkach Purkinjego zależy od aktywności we włóknach

sensorycznych oraz od aktywności ruchowej. Częstość spików koduje więc czas trwania i natężenie ruchu.

Wyładowania w climbing fibers są rzadkie i kodują prawdopodobnie czasowe zależności w sygnałach przychodzących oraz mogą być

‘wyzwalaczem’ aktywności.

Plastyczność w móżdżku

Mechanizm: Aktywacja włókien pnących prowadzi do zwiększenia stężenia Ca²⁺ w komórkach Purkinjego.

Wapń uruchamia mechanizm

przekaźnictwa wtórnego, który obniża czułość receptorów glutaminergicznych AMPA w synapsach włókien

równoległych

Uczenie w móżdżku – długotrwałe osłabienie synaptyczne (long-term depression, LTD) w

synapsach włókien równoległych w wyniku pobudzania komórek Purkinjego poprzez włókna pnące (climbing fibers). Osłabienie może się utrzymywać minuty lub godziny i zależy od depolaryzacji wywołanej aktywnością włókien pnących.

Uczenie się ruchów

Włókna pnące przekazują informację o błędzie motorycznym z jądra oliwki do komórek Purkinjego.

Ponowne pojawienie się tej samej informacji wejściowej powoduje mniejsze pobudzenie (LTD) komórek Purkinjego przez włókna równoległe . Kolejne próby wykonania danego zadania zmieniają wyjście z komórek Purkinjego tak, że wykonanie ruchu ulega poprawie.

Uczenie w móżdżku na przykładzie adaptacji koordynacji wzrokowo-ruchowej

A, B. W wyniku okularów

zakrzywiających widzenie, wzrok widzi cel z lewej strony. Początkowo ręka kieruje lotkę w stronę widzianego celu.

Następnie następuje korekta rzutu w prawo wg doświadczenia a nie patrzenia, tak, że wykonanie zadania ulega

poprawie.

C. Adaptacja nie występuje u pacjenta z jednostronnym uszkodzeniem móżdżku.

Defekty wywołane uszkodzeniami móżdżku

Uszkodzenia móżdżku prowadzą do zaburzeń koordynacji ruchowej.

• Uszkodzenie prawej półkuli móżdżku opóźnia wykonanie ruchu (zaciśnięcie obu dłoni na sygnał ‘go’). Ruch lewą ręką jest opóźniony.

• Pacjent ma kłopoty w sterowaniu

ruchem, by dotknąć czubek nosa. Tremor zwiększa się wraz ze zbliżaniem się do nosa.

• Niemożność wykonania regularnych ruchów - zginanie i prostowanie przedramienia w łokciu.